2.1.10. Расчет минимальной длительности импульса управления тиристорами выпрямительной установки

Импульсы управления формируются системой управления выпрямителем для перевода тиристора в проводящее состояние при наличии разности потенциалов на аноде и на катоде. Если при включении тиристора его анодный ток не достиг тока включения I_вкл , то после окончания импульса управления тиристор вновь перейдет в непроводящее состояние, а выпрямитель не будет функционировать. Ток включения тиристоров указывает завод-изготовитель. При подаче импульса управления на тиристоры выпрямительной установки ток в цепи равен нулю, а ЭДС во вторичной обмотке трансформатора равна

e₂ = E_2m·sinα.

Ток в цепи за время, равное длительности импульса управления t_u, можно определить решением дифференциального уравнения для цепи, составленного по второму закону Кирхгофа:

(2.15)

где – эквивалентное активное сопротивление цепи, включающее активное сопротивление трансформатора, сглаживающего реактора и электродвигателя;

– индуктивность электрической цепи;

L_a – индуктивность трансформатора.

Индуктивность трансформатора можно рассчитать из уравнения (2.15), составленного для режима короткого замыкания трансформатора:

,

так как , то

.

При составлении уравнения (2.15) ЭДС двигателя принята равной Е_дв=0, так как вал электродвигателя еще не вращается.

Если пренебречь изменением ЭДС во вторичной обмотке e₂ за время импульса управления малой длительности t_u, то решение уравнения (2.15) будет иметь вид

, (2.16)

где – постоянная времени электрической цепи.

Для плавного трогания поезда напряжение на тяговых электродвигателях нужно плавно увеличивать с определенного минимального уровня U_dmin = 0,05·U_dH , которое определяется максимальным углом регулирования тиристоров выпрямителя:

.

Максимальный угол регулирования тиристоров выпрямителя равен

.

Условие нормального функционирования выпрямителя при максимальном угле регулирования тиристоров можно записать в виде

. (2.17)

В курсовом проекте предложены тиристоры, у которых ток включения можно принять равным I_вкл = 1 А.

Из условия (2.17) можно определить минимальную длительность импульса управления тиристорами выпрямительной установки:

. (2.18)

2.1.11. Временные диаграммы эдс, напряжений токов

По оси ординат масштаб величин принимается произвольным из расчета возможности размещения 9 временных диаграмм на листе формата А4. По оси абсцисс масштаб ωt рекомендуется принять равным 0,4 рад/см. Образец построения временных диаграмм представлен на рисунке 2.2.

2.1.12. Расчет параметров защитных элементов выпрямителя

Напряжение на последовательно соединенных СПП в непроводящем состоянии распределяется неравномерно из-за разброса вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов. На рис. 2.3 представлена группа последовательно соединенных СПП, выполняющих функции тиристора VS1 одного плеча выпрямительной установки. Для выравнивания напряжений на последовательно соединенных приборах параллельно каждому из них включается шунтирующий резистор R_ш (рис. 2.3). Резисторы R_ш образуют делитель напряжения. Расчет сопротивления R_ш производится для наихудшего сочетания вольтамперных характеристик СПП. Наихудшим является случай, когда один из последовательно соединенных СПП в непроводящем состоянии имеет наименьший ток утечки и его принимают равным нулю I_ут = 0, а все остальные приборы имеют наибольший ток утечки I_ут, указанный заводом-изготовителем. В этом случае к СПП с I_ут = 0 будет прикладываться самое большое напряжение, которое должно быть меньше максимально допустимого мгновенного значения периодически повторяющегося напряжения одного прибора U_п, установленного заводом-изготовителем. Для предотвращения пробоя СПП сопротивление R_ш должно быть

Рис. 2.2. Временные диаграммы ЭДС, напряжений, токов

, (2.19)

где U_п – определяется путем умножения класса прибора по напряжению на 100;

U_max = 1,16∙E_2m – максимальное мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемое к группе последовательно соединенных СПП в плече выпрямителя.

Рис. 2.3. Последовательное соединение СПП и включение защитных элементов выпрямителя

По шкале номинальных величин сопротивления резисторов и емкости конденсаторов (таблица 2.7) принимается стандартное сопротивление R_ш, меньше по величине сопротивления, рассчитанного по формуле (2.19).

Таблица 2.7

Ряд	Числовые коэффициенты						Допустимое отклонение, %
Е6	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8	±20 %
Е12	1,0 1,2	1,5 1,8	2,2 2,7	3,3 3,9	4,7 5,6	6,8 8,2	±10 %
Е24	1,0 1,1 1,2 1,3	1,5 1,6 1,8 2,0	2,2 2,4 2,7 3,0	3,3 3,6 3,9 4,3	4,7 5,1 5,6 6,2	6,8 7,5 8,2 9,1	±5 %

Мощность резисторов определяется также для наихудшего случая распределения напряжения на последовательно соединенных СПП. То есть, когда имеется СПП с I_ут = 0 и к нему прикладывается максимальное мгновенное значение напряжения

. (2.20)

Действующее значение напряжения на СПП с I_ут = 0 равно

.

Мощность шунтирующих резисторов принимается с учетом условия

. (2.21)

По шкале номинальных мощностей резисторов выбирается стандартная мощность шунтирующих резисторов, которая должна быть больше мощности, рассчитанной по формуле (2.21).

Демпфирующие RC-цепочки и маломощные диоды VD обеспечивают допустимое распределение напряжений на последовательно соединенных тиристорах при переходных режимах, возникающих в процессе коммутации. При переходе СПП в непроводящее состояние смещение p-n перехода в обратном направлении происходит за определенное время, в течение которого через прибор протекает обратный ток, постепенно снижающийся до значения, определяемого статической вольтамперной характеристикой. Полный заряд на приборе при переключении его с прямого на обратное смещение называется зарядом восстановления Q_в. Из-за различных значений Q_в у последовательно соединенных приборов нарастание обратных напряжений на них будет происходить с разными скоростями, что может привести к недопустимым перенапряжениям на приборах с наименьшими Q_в. Для выравнивания скоростей нарастания напряжения параллельно приборам соединяют демпфирующие конденсаторы С_Д. Для расчета емкости выбирается наихудший случай распределения Q_в с учетом максимально возможной разности зарядов восстановления ΔQ_в последовательно соединенных тиристоров:

, (2.22)

где ΔQ_в – максимально возможная разность зарядов восстановления, указана для выбранных типов тиристоров.

По шкале номинальных величин емкости конденсаторов (таблица 2.7) принимается стандартная емкость, удовлетворяющая условию (2.22).

Для ограничения амплитуды тока разряда конденсатора после отпирания тиристора последовательно с конденсатором включают резистор R_Д. Сопротивление R_Д не должно быть большим, так как на тиристоре может быть слишком большое напряжение в первый момент заряда конденсатора.

Сопротивление резисторов R_Д обычно выбирают в пределах

R_Д = (10 – 50) Ом.

По шкале номинальных величин резисторов принимается стандартное сопротивление R_Д.

Мощность резистора R_Д определяют по энергии конденсатора, которая рассеивается в резисторе:

, (2.23)

где К = 2 – число циклов «заряд-разряд» конденсатора в периоде повторения.

Период напряжения Т_П при частоте переменного напряжения f = 1/Т_П для мостового выпрямителя.

По шкале номинальных мощностей резисторов выбирается стандартная мощность демпфирующих резисторов, которая должна быть больше мощности, рассчитанной по формуле (2.23).

Скачок прямого напряжения на тиристорах, вызванный наличием резисторов R_Д, можно устранить, если их шунтировать диодами VD (рис. 2.3) небольшой мощности. Диоды должны иметь по возможности меньшее время восстановления запирающих свойств в обратном направлении. Например, типа КД206В, U_обр = 600 В, I_П = 10 А.