
- •Силовая электроника
- •Часть I
- •1.1. Программа лабораторной работы
- •1.1.1. Исследование неуправляемой схемы выпрямления
- •1.1.2. Исследование неуправляемой схемы выпрямления,
- •1.1.3. Исследование управляемой схемы выпрямления
- •1.1.4. Исследование управляемой схемы выпрямления,
- •1.2. Методические указания
- •1.2.1. Основные параметры выпрямителей
- •1.2.2. Двухфазные схемы выпрямления с активно-индуктивной нагрузкой
- •1.2.3. Двухфазные схемы выпрямления
- •1.2.4. Трехфазная схема выпрямления,
- •1.2.5. Шестифазная мостовая схема выпрямления,
- •1.3. Контрольные вопросы
- •2.1. Программа лабораторной работы
- •2.1.1 Исследование шим с тиристором, запираемым приложением обратного напряжения.
- •2.1.2. Исследование шим с тиристором, запираемым приложением импульса обратного тока.
- •2.2. Методические указания
- •2.2.1. Нереверсивный шим с тиристором, запираемым приложением обратного напряжения
- •2.2.2. Шим с тиристором, запираемым импульсом
- •Контрольные вопросы
- •3.1. Программа лабораторной работы
- •3.1.1. Нереверсивный понижающий шим
- •3.1.2. Нереверсивный понижающий шим, работающий на двигатель без шунтирования цепи нагрузки в паузе
- •3.1.3. Нереверсивный понижающий шим, работающий на двигатель с шунтированием цепи нагрузки в паузе
- •3.1.4. Нереверсивный повышающий шим
- •3.2. Методические указания
- •3.2.1. Нереверсивный понижающий шим
- •3.2.2. Нереверсивный понижающий шим,
- •3.2.3. Нереверсивный повышающий шим
- •3.3. Контрольные вопросы
- •1.1. Программа лабораторной работы ………………………………… 3
- •2.1. Программа лабораторной работы …………………………………. 17
- •3.1. Программа лабораторной работы …………………………………. 28
2.2. Методические указания
2.2.1. Нереверсивный шим с тиристором, запираемым приложением обратного напряжения
Процесс принудительного запирания (коммутации) тиристора рассмотрим на примере работы широтно-импульсного модулятора, в котором в качестве ключа применен тиристор с принудительным запиранием обратным напряжением. Схема ШИМ приведена на рис.2.1, а временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы, на рис.2.2.
Рис.2.1. Схема принудительной коммутации тиристора, путем приложения обратного напряжения
Рис.2.2. Временные диаграммы работы ШИМ, иллюстрирующие процесс принудительной коммутации тиристора VS1
Нагрузка ШИМ, состоящая из активного сопротивления RH и индуктивности LH, периодически подключается к источнику постоянного тока ES основным тиристором VS1. Обратный диод VD2 обеспечивает протекание тока нагрузки при закрытом основном тиристоре VS1. Схема принудительной коммутации основного тиристора состоит из колебательного контура CK, LK, вспомогательного тиристора VS2, диода VD1 и резистора R1.
При подаче напряжения питания и закрытом тиристоре VS1 конденсатор СК заряжается от источника питания через резистор R1 до напряжения -ES (положительной считаем полярность, указанную на рис. 2.1).
В момент времени t0 (далее он считается нулевым) включается тиристор VS1. Через него протекает весь ток нагрузки iH и ток резонансного перезаряда iC конденсатора СК, который замыкается через индуктивность LK и диод VD1. Схема замещения для этого интервала показана на рис.2.3,а, где жирным выделен колебательный контур. К нагрузке приложено все напряжение питания ES.
а) б)
Рис.2.3. Схемы замещения ШИМ:
а – для интервала t0 – t;, б – для интервала t1 – t2
Считаем активное сопротивление колебательного контура равным нулю, тогда для временного интервала t0 – t1 справедливо уравнение
. (2.1)
Начальные условия:
,
.
Решение уравнения (2.1) дает следующий результат:
, (2.2)
, (2.3)
где
,
,
.
Ток тиристора VS1 складывается из тока нагрузки iH, который считаем неизменным, и тока колебательного контура iCк. Напряжение на индуктивности LK определяется уравнением
. (2.4)
В момент времени t1 ток в колебательном контуре пытается изменить направление, диод VD1 закрывается, и переходные процессы в колебательном контуре прекращаются. Конденсатор СК оказывается заряженным до напряжения ES с полярностью, указанной на рис. 2.3,б.
Момент времени t1
найдем, учтя, что ток в колебательном
контуре равен нулю при
,
отсюда
. (2.5)
На интервале t1 – t2 ток нагрузки и напряжение на коммутирующем конденсаторе не меняются. Из полупроводниковых приборов открыт только тиристор VS1. К нагрузке приложено все напряжение источника питания.
В момент времени t2 для запирания тиристора VS1 включается вспомогательный тиристор VS2. Введем понятие относительной длительности импульса ШИМ по управлению:
, (2.6)
где Т – период следования импульсов напряжения на нагрузке ШИМ.
Схема замещения ШИМ для временного интервала t2 – t3 приведена на рис. 2.3,б, где жирным цветом показана цепь перезаряда конденсатора СК. Ток вспомогательного резистора R1 значительно меньше тока нагрузки, поэтому перезаряд конденсатора СК происходит в основном за счет тока нагрузки, а напряжение на конденсаторе описывается уравнением
. (2.7)
Процесс перезаряда конденсатора СК заканчивается, когда напряжение на нем становится равным напряжению источника питания, то есть
,
отсюда
. (2.8)
К тиристору VS1
прикладывается обратное напряжение в
течение времени tK,
определяемого временем разряда емкости
СК
до нулевого напряжения. Используя
уравнение (2.7), можно записать
,
соответственно, время, предоставляемое
для запирания (коммутации) тиристора
VS1,
. (2.9)
Напряжение на нагрузке в течение временного интервала t2 – t3
. (2.10)
Из уравнения (2.10) следует, что после запирания тиристора VS1 напряжение на нагрузке не равно нулю, а наблюдается всплеск напряжения, обусловленный наличием заряда на коммутирующей емкости.
В момент времени t3 напряжение на нагрузке становится равным нулю, открывается диод VD2, через который замыкается весь ток нагрузки, ток тиристора VS2 спадает до нуля, и он закрывается.
До конца периода (момента времени t0 + T) открыт только диод VD2, через который замыкается ток нагрузки, а напряжение на нагрузке равно нулю. Напряжение на конденсаторе СК равно напряжению в начальный момент времени t0. Начиная с момента времени t0 + T, весь процесс повторяется.
Среднее выходное напряжение ШИМ
. (2.11)
Необходимость принудительного запирания тиристора VS1 при рассмотренной схеме принудительной коммутации обусловливает следующие недостатки ШИМ:
Наблюдается всплеск напряжение на нагрузке, амплитуда которого равна двойному напряжению питания.
Для нормальной работы ШИМ диапазон управления должен быть ограничен, а именно
. (2.12)
Расчет требуемых значений LK и CK коммутирующего контура
Для надежного запирания тиристора VS1 обратное напряжение к нему должно прикладываться не менее чем некоторое время tKmin, соответственно, из уравнения (2.9) можно определить величину емкости коммутирующего конденсатора:
, (2.13)
где IHmax – возможный максимальный ток нагрузки.
Индуктивность LK определяется из уравнения (2.5):
. (2.14)
С другой стороны,
ток тиристора VS1,
складывающийся из тока нагрузки и тока
коммутирующего контура, не должен
превышать допустимого для тиристора
значения IVS1ДОП.
Пиковое значение тока в контуре коммутации
достигается при
и
,
соответственно, должно выполняться
условие
. (2.15)