книги из ГПНТБ / Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока

При расчете коммутирующих устройств емкость конденсатора удобно выражать через безразмерную емкость С, которая характе­ ризует свойства схемы:

где UK = U/krj — напряжение питания коммутирующих цепей (в не­ которых типах ШИП UK = U и kv — 1).

Относительную номинальную энергию и заряд конденсатора на основании уравнений (2-63) — (2-69) можно представить в виде:

Полученные соотношения (2-62), (2-63), (2-70), (2-71) показывают, что габариты и вес конденсаторов ШИП зависят от динамических параметров тиристоров (&3аптв)> режима работы конденсатора в пре­ образователе (&ш ), его параметров (%ф ) и от свойств схемы коммути­ рующего устройства (UCm/U, ku, С).

Для сравнения различных схем ШИП по весам, габаритам и стои­ мости коммутирующих конденсаторов можно пользоваться при оди­ наковой частоте коммутации величинами Wc„ и Q C H ИЛИ, при различ­ ных удельными номинальными энергией или зарядом конденсатора,

2-7. Методика расчета коммутационных электромагнитных процессов в тиристорных ШИП

Обзор схем, Выполненный в § 2-2, показывает, что силовые части тиристорных ШИП аналогичны схемам на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Специфичными для тиристорных ШИП с двухступенчатой емкостной коммутацией являются вопросы иссле­ дования коммутационных электромагнитных процессов и вопросы проектирования и расчета гасящих устройств. Процессы в коммути­ рующих цепях ШИП с параллельным гашением оказывают сущест­ венное влияние на процессы в силовой цепи преобразователя. Они определяют внешние и регулировочные характеристики ШИП, а также возможную частоту коммутации. В ШИП с последовательным гаше­ нием влияние коммутационных процессов на цепь нагрузки ничтожно мало. Однако и в этом случае от них зависят такие показатели преоб­ разователя, как надежность коммутации тока, диапазон регулирова-

ния по напряжению, перегрузочная способность и экономичность. Таким образом, расчет коммутационных процессов и синтез парамет­ ров гасящих устройств являются основным этапом проектирования преобразователя.

Схемы коммутирующих (гасящих) устройств ШИП отличаются большим разнообразием. Однако в большинстве случаев они пред­ ставляют собой колебательные LC-контуры, образующиеся при вклю­ чении вспомогательных тиристоров в момент запирания силовых вен­ тилей.

Переключение тиристоров широтно-импульсных преобразовате­ лей сопровождается возникновением коммутационных процессов. При этом следует различать быстропротекающие процессы, связанные с изменением параметров полупроводниковых приборов, и сравни­ тельно медленные процессы, характер которых зависит от параметров коммутирующих цепей (L, С, г).

Длительность процессов изменения параметров тиристоров при их включении или выключении обычно на 1—2 порядка меньше полу­ периода колебаний в контуре перезаряда коммутирующего конденса­ тора. Это позволяет при рассмотрении процессов в колебательных цепях гасящих устройств не учитывать конечную длительность изме­ нения состояния тиристоров.

Структура цепей преобразователя на отдельных расчетных интер­ валах определяется типом коммутирующего устройства. В преобра­ зователях с параллельной емкостной коммутацией на отдельных ком­ мутационных интервалах образуются цепи, содержащие как элементы гасящей цепи, так и приемник. Это обусловливает существенное влия­ ние друг на друга рабочих и коммутационных процессов, и расчет их должен выполняться совместно.

В ШИП с последовательным гашением связь между гасящими кон­ турами и цепью нагрузки чрезвычайно кратковременна. Обычно она соответствует времени протекания обратного тока через силовой ти­ ристор (1—6 мксек). При этом ток нагрузки и запирающий импульс обратного тока замыкаются через диод, шунтирующий нагрузку, и не оказывают влияния друг на друга. Таким образом, можно считать, что в ШИП с последовательным гашением коммутационные и рабочие процессы в цепи нагрузки протекают независимо. Это позволяет раз­ дельно рассматривать процессы в коммутирующих цепях и рабочие процессы в цепи нагрузки. В этом случае можно считать, что рабочие процессы в тиристорных ШИП определяются соотношениями, анало­ гичными приведенным в главах 1 и 2 для соответствующих схем на транзисторах.

Энергия, запасаемая в поле коммутирующего конденсатора, должна быть достаточна лишь для осуществления коммутации тока силовой цепи. Благодаря этому величины коммутирующих емкостей и индуктивностей в тиристорных ШИП малы, а собственная частота колебаний контура на коммутационном интервале во много раз пре­ вышает основную частоту преобразователя. Кратковременность ком­ мутационных интервалов по сравнению с периодом Т позволяет часто пренебрегать изменениями тока в активно-индуктивной нагрузке при

Здесь ис, ic — напряжение и ток в коммутирующем конденсаторе;

Для общности анализа целесообразно ввести безразмерные пере­ менные: относительное время (угол)

тивление контура, UK — напряжение источника питания коммутирую­ щего устройства.

Дифференциальное уравнение контура на п-м интервале в отно­ сительных единицах:

Таким образом, свойства цепи перезаряда для определенной схемы преобразователя (Ьп) на каждом расчетном интервале характери­ зуются лишь одним параметром — приведенным коэффициентом за­ тухания контура

где б„ = r„/(2L„).

Коммутационные процессы удобно изображать на фазовой плоско­

изображающей процесс перезаряда конденсатора на п-м расчетном интервале, будет иметь вид:

dx У

Этот участок логарифмической спирали (в косоугольной системе координат [3]), имеющий координаты фокуса х = Ьп, у = 0 (штрихо­ вая линия АВ на рис. 2-31). Начальная точка участка фазовой траек­ тории определяется граничными условиями х0 = ис [0], у0 = t c [0], а конечная точка — как точка пересечения фазовой траектории с ли­ нией переключения, которая на рис. 2-31 совпадает с отрицательной

полуосью х, т. е. ic [tn \ = 0.

Фазовая траектория в прямоугольной системе координат может быть построена с помощью изоклин, представляющих собой для рас-

сматриваемого случая семейство прямых, пересекающихся в фо­ кусе Оа — (х — bn)/y — 2Dn = N = const. Однако при построении фазовой траектории коммутационного процесса можно пользоваться более простым методом аппроксимирующих окружностей, так как приведенный коэффициент затухания контуров перезаряда мал (Dn = = 0,03 -5- 0,15). В этом случае участок фазовой траектории доста­ точно точно аппроксимируется дугой окружности радиуса RA с цент­ ром в точке Оь смещенным относительно фокуса по оси х на отрезок Л (рис. 2-31). Параметры аппроксимирующей окружности (RA, Д) мо­ гут быть выражены через координаты начальной точки А участка фа-

Рис. 2-31

зовой траектории х0, у0 и коэффициенты дифференциального уравне­ ния, характеризующего процесс перезаряда на этом интервале:

Решения системы (2-80), выраженные через координаты начальной

можно найти выражение для потерь энергии в контуре:

Для полного представления о свойствах коммутирующего устрой­ ства необходимо построить переходную фазовую траекторию, соот­ ветствующую процессу возбуждения схемы (при включении питания гасящего устройства UK или U), и серию замкнутых траекторий пре­ дельных циклов перезаряда конденсатора для различных значений относительных токов нагрузки 7Н = IHpH/UK, характеризующую свой­ ства коммутирующего устройства в квазиустановившемся режиме работы ШИП. Во многих практических случаях проектирование га­ сящего устройства может вестись на основе предельных циклов пере­ заряда конденсатора для различных величин / н . В схемах ШИП с ем­ костной коммутацией, в которых к запирающемуся тиристору при­ кладывается достаточно большое обратное напряжение, быстропротекающие коммутационные процессы оказывают некоторое влияние на коммутирующую способность схемы и должны быть учтены.

Глава третья

ТИРИСТОРНЫЕ ШИП С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОММУТАЦИЕЙ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3-1. Коммутационные электромагнитные процессы в ШИП с параллельным гашением

Тиристорные широтно-импульсные преобразователи с параллель­ ной коммутацией достаточно просты, содержат минимальное число коммутирующих элементов и обладают хорошими энергетическими показателями. Они уже получили применение в электроприводах руд­ ничных электровозов, электрокар, электромобилей и т. п. [И, 16, 21, 49, 59, 66, 70, 77, 108, 128—130]. Типичными представителями преобразователей с параллельной коммутацией и зависимой структу­ рой цепи перезаряда являются схемы, изображенные на рис. 3-1, а, б [49, 110, 115, 122]. Начнем рассмотрение электромагнитных процес­ сов с момента подачи управляющего импульса на силовой тиристор Т1 и включения нагрузки в цепь питания U. Заметим, что для нормаль­ ной работы преобразователя по схеме рис. 3-1, а необходим предва­ рительный заряд конденсатора С через включенный вспомогательный

тиристор ТІ' и нагрузку. По цепи нагрузки конденсатор заряжается до напряжения ис = U, полярность которого указана на рис. а зна­ ками в скобках. При включении силового тиристора ТІ образуется цепь нагрузки V, Tl, rHt L H , Е и колебательный контур заряда кон­ денсатора. В схеме рис. 3-1, а в процессе заряда конденсатора по кон­

/

Рис. 3-1

конденсатора по контуру U, ТІ, Д2, L K , С и напряжение на нем из­

Процесс полного заряда конденсатора заканчивается в момент за­ пирания диода Д2, когда ток в колебательном контуре ic становится равным нулю. Поэтому для нормальной работы преобразователя время включенного состояния силового тиристора ТІ должно быть не меньше времени t3 та я/со0 к , необходимого для заряда конденсатора до ве­ личины UCml (рис. 3-2, б). Лишь по окончании первого коммутацион­ ного интервала конденсатор оказывается подготовленным к осущест­ влению коммутации в схемах рис. 3-1, а, б. Полярность напряжения ис к концу интервала t3 указана на рис. 3-1, а, б знаками без скобок.