Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
44
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
16.4 Mб
Скачать

Для любой схемы ШИП с последовательной коммутацией коммута­ ционные потери мощности могут быть представлены в виде:

PK0M = fCUl

І

ymnFn = fkmtJJJ£

І RnFn,

(4-27)

 

п=\

n = l

 

г Де Утп — ^тпРп^к ~

Rn

— относительный

максимальный

ток (ра-

диус окружности, аппроксимирующей участок фазовой траектории)

а)

Рис. 4-11

на п-м расчетном интервале; k — число расчетных интервалов за пе­ риод Т = 1//; Fn — функциональный коэффициент для n-го интер­ вала, зависящий от структуры цепи на этом интервале и формы участка

фазовой траектории процесса перезаряда: С = CUJ{k3anxBIH) — без­ размерная емкость.

Энергетические показатели ШИП характеризуются относитель­ ными коммутационными потерями

? « « = » P K O M W / . = / W - T - І RJn-

( 4 - 2 8 )

Для сравнения различных схем ШИП удобно пользоваться поня­ тием приведенных относительных потерь мощности в коммутирующих

цепях, величина которых не зависит от свойств тиристоров и частоты f в явном виде, k

ku п=

'")

хтэ,У

~

Ятр, У

 

у

12

тр

 

лгл2. ом;

 

А•і

 

-

_

л'г-0,7

 

 

 

5

 

 

8,0

 

//

х тэУ

't.O

4У

 

 

 

 

 

 

""•""^У то

 

4,0

 

8,0

3,8

2,8

2 RnFn

(4-29)

Є/„%

 

%0 8,0

р'

ком

\\

\ V — *v*2,0

\\ \ > nl=0 7f!

\\

 

 

2,0

\

 

 

 

 

 

 

 

о

 

Ї7

%0

8,0

%0

8,0

 

Рис.

4-12

 

 

В зависимости от способа ограничения эффекта накопления энёр- k

гии сумма 2 Rn^n принимает

различные значения

в соответствии

с (4-11а), (4-156) или (4-24). Для ШИП без цепей ограничения

P'K0M

= 2CymJku,

(4-30)

а для схем с цепью рекуперации энергии в сеть

 

По М = 2 С ( У т з - ^ / 4 ) / ^ =

 

 

f/тз» t / m p = f
координат

Характеристики приведенных коммутационных потерь мощности Ркон = / (/н) при Dlt D 2 = const могут быть построены для различ­ ных значений ku — UJUK по характеристикам максимальных коор­ динат предельных циклов перезаряда и характеристикам безразмер­ ной емкости С = f (Гя), kv = const. Характеристики максимальных

предельных циклов перезаряда конденсатора хтз, хтр, (7Я ), зависят от приведенных коэффициентов затухания кон­ туров заряда и разряда Dlt Dz и от способа ограничения эффекта накоп­

ления энергии. Максимальные относительные напряжения хтз, хтр и то­ ки утз, утр в ШИП с последовательной коммутацией и без цепей огра­ ничения растут с увеличением относительного тока нагрузки преобра­ зователя в области малых токов / „ по закону, близкому к квадратич-

ному, а в области больших токов — близкому к линейному (рис. 4-ll,aJ. Введение цепей ограничения накопления энергии в элементах комму­ тирующих цепей замедляет рост относительных напряжений ис и амплитуд тока ic т, ут) (рис. 4-12, а; 4-13, а; 4-14, а; 4-15, а). В схе­ мах ШИП с резисторно-диодной цепью гв , Д6, включенной параллельно

а)

хгпз,Утз,

 

5) в.в'

к„-1,0.

12

хтр,Утр

 

1,2

Kv--2,0

 

 

 

ом;

 

/

П,*1)г*0,05;

 

 

 

 

В''0,75

 

 

 

 

 

8,0 _

2>/"ft75 У^чО

0.8

 

 

 

 

У

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

%0

 

У

 

 

У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

о'

^

 

 

 

хтр

 

 

.

 

 

 

 

їй

•їй.

 

 

 

 

8,0

 

В)

\с.с'

 

V

 

 

 

 

~*

 

 

IN"

*и'

 

 

 

 

 

г,о

 

II 1

 

 

 

 

 

\v

М,'Лг*0Л15;

 

 

11

\

Л) = 0,7.Ч

 

 

11

\

 

 

 

 

 

\\Л

с'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OJB\

\

*

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2

•Ти

8,0

 

 

Рис. 4-14

тиристору 77', увеличение коэффициента затухания D'2 (сопротивле­ ния гв) приводит лишь к ограничению максимальных относительных напряжений заряда хтз, не вызывая существенного уменьшения — относительных амплитуд хтр и утз с током 7Н (рис. 4-12-, а). Это от­ рицательно сказывается на энергетических показателях ШИП.

Значительно эффективнее действие резисторно-диодной цепи г4 , Д4, включенной параллельно коммутирующему дросселю Ы. В этом случае с увеличением коэффициента затухания D[ ограничиваются все координаты предельного цикла перезаряда конденсатора (рис. 4-13, а; 4-14, а) за исключением относительного тока разряда

13 Т. А. Глазенко

193

утр, величина которого всегда в значительной мере определяется током нагрузки / н . Наиболее жёстко ограничение координат предель­ ного цикла перезаряда конденсатора в ШИП с трансформаторными цепями возврата энергии в питающую сеть. Здесь относительные на­ пряжения хтз, хтр и ток утз (при достаточно высоком коэффициенте связи трансформатора) можно считать величинами постоянными, не зависящими от тока 1Н (рис. 4-15, а).

S)

_ в,в'

 

1,2

 

>

 

 

 

*v*2

0,8

\

sf=ll2

= 0,0ff

 

 

 

 

 

о'

 

ОМ

 

 

 

 

¥.0

8,0 1„

 

 

Рис. 4-15

 

Вид характеристик углов действия обратного напряжения 9, 0' =

=

/ ( / „ ) , безразмерной

емкости

С = / (/„) и приведенных коммута­

ционных потерь мощности Р к о м =

/ (/н ) зависит не только от коэффи­

циентов затухания Dx,

D2, но также и от коэффициента напряжения

kv

= U/UK. Для всех ШИП с последовательной коммутацией увели­

чение коэффициента kv

вызывает перемещение характеристик 0 (/н )

и

в' (7и) вниз, а характеристик безразмерных емкостей С (/„), С' (/„)—

вверх (рис. 4-11 — 4-15, б и б). При этом уменьшаются коммутацион­ ные потери мощности Р'кои (рис. 4-11, г — 4-15, г). Характеристики С,

С = f (/„) и Р к о м = / (/„) для ШИП с последовательной коммута­ цией имеют обычно точку минимума при некотором значении тока 1Н, величина которого зависит от коэффициентов Dlt D2 и ки, а также от способа ограничения эффекта накопления.

Введение резисторно-диодных цепей или трансформаторной цепи возврата энергии приводит к уменьшению жесткости угловых характе­

ристик, особенно в области малых токов / н

(рис. 4-11, б — 4-15, б), и

к увеличению величин

С, С (рис. 4-11, в — 4-15, в).

 

Приведенные коммутационные потери мощности Р к о м

(/н) сущест­

венно зависят от величины коэффициента напряжения

kv и способа

ограничения эффекта

накопления энергии

(рис. 4-11, г 4-15, г).

Наилучшими энергетическими показателями обладают схемы с транс­ форматором возврата энергии. При некотором токе / н средняя мощ­ ность, потребляемая из сети UK, становится отрицательной (рис. 4-15,г). Это означает, что дополнительная энергия, сообщаемая током нагрузки / н элементам коммутирующих цепей, превышает энергию потерь в контурах, избыток ее возвращается в источник питания коммутирую­ щего устройства.

4-3. Расчет выходного каскада ШИП

с последовательной коммутацией

Основными задачами проектирования выходного каскада преобра­

зователя являются:

1) выбор схемы коммутирующего устройства;

2) расчет параметров коммутирующих цепей; 3) определение величины

токов и напряжений на вентилях, необходимой для выбора полупро­

водниковых приборов; 4) расчет установленных мощностей или га­

баритных энергий

элементов выходного каскада и энергетических

показателей преобразователя.

Тип коммутирующего устройства выбирается в зависимости от ха­ рактера нагрузки преобразователя (диапазон регулирования, крат­ ность изменения нагрузки, необходимость реверса выходного напря­ жения и т. п.) и от параметров источников питания преобразователя.

Условие сохранения устойчивой коммутации (4-25) может быть вы­ полнено при различных соотношениях между индуктивностью L x и емкостью С коммутирующего конденсатора, т. е. при различных ве­ личинах угловой частоты со01 или относительного тока нагрузки пре­ образователя 7Н = IHpJUK. Поэтому прежде всего необходимо выб­ рать рабочую зону по характеристике С = f (/„) и оптимальное зна­ чение относительного тока нагрузки / н о п т .

Критериями оптимальности в зависимости от назначения и усло­ вий эксплуатации ШИП могут являться: 1) минимум относительных приведенных коммутационных потерь мощность Ркоы (4-29, 4-30); 2) минимум габарита, веса или стоимости элементов выходного кас­ када преобразователя [102].

Во многих системах электропривода выбор рабочей зоны токов существенно зависит от возможности обеспечения необходимой

Расчетные соотношения для выбора элементов выходного каскада тиристорных ШИП

Расчетная величина в относительных

ШИП с последовательной коммутацией

ШИП

с параллельной коммутацией

единицах

(рис. 4-1)

(рис.

2-18, d) с дросселем насыщения

 

 

 

в ветви ДЗ

 

 

 

 

 

/. Силовой тиристор

ТІ

(7~>-1)

 

 

 

 

 

 

 

Средний и

 

/ п с р / Л . :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

максимальный

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г; і

 

 

 

 

 

 

;ТОК

 

/ Г / м а к с / / н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^

 

 

 

 

у-,

 

Uтр

 

хтр .

Максимальные

 

 

 

 

/7

 

U -f- У т р

,

і

* т р

.

І-'пр. макс

U

' .

'

т

 

 

^ г / м а к с

и пр. макс =

 

— — 1

г

- — -

,

 

 

 

fey

 

напряжения

^ Г / м а к с =

у

 

 

 

 

 

 

 

ТГ

 

{7

 

-*тз

fey

 

77

 

U тз

 

хтз

 

 

 

 

 

 

У тз — ^

і

 

U

обр. макс — ~ ~

 

~~

 

 

 

 

 

 

^обр. макс —

Т

,

 

 

1

 

 

 

U

 

fey

 

 

 

 

 

 

 

и

 

kv

 

 

 

 

 

 

 

 

Установленная

 

ч

_

(^7"/) v _ ,[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

хтз

 

 

 

МОЩНОСТЬ

( S r /

j v = =

1

JJJ

 

 

 

fe

 

 

 

 

 

 

 

fey

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К У

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Вспомогательный

тиристор

ТУ

 

 

 

 

 

 

 

Средний и макси-

 

/'ср/'н*

 

 

 

2f

Imp _

0 f .

. Imp __Утр

 

 

 

 

мальный ток

 

/ _ , ,

 

/ /

 

 

 

 

 

 

^/"зап 1 в< -'і/тр,

— ~=-—

 

 

 

 

 

 

ТГ

макс/' н

 

 

 

м 0 1

' н

 

 

 

/ н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£//пз

*т з

п

 

 

 

 

 

Ті

U -\- U тз

, ,

Хтз .

 

 

 

 

 

 

 

— ^пр. макс.

 

 

Uпр. макс —

,

1

1

>

• Максимальные

 

^ ті' м а к с / ^

{7

 

. f e y

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

fey

напряжения

її

 

 

. ///

/У „

 

 

^ т р

*тр

 

 

77

'

Uтр

 

хтр

 

и

ТГ обр. м а к с / и

 

 

 

 

'

 

 

 

 

 

^ обр. макс

U

 

 

 

 

 

U обр. макс

г і "

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fey

 

 

 

 

U

 

fey

 

Установленная

$ТГ

^ ТГ ср^ТГ

макс

 

2/^запт вС#тр

Ш 3

2/ЛзапТвСут р

+

 

 

• мощность

и 1

н

Т .

 

у / н

 

 

 

 

 

 

fey

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис.

2-18, д)

 

 

' '

 

 

 

3.

Обратный

due3

Д2 (рис.

4-1)

 

 

 

 

 

 

 

СреДНИЙ ТОК

 

 

 

/д. срДн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальные

 

 

Uобр. макс/'-';

 

 

 

і;

і

 

 

 

і;

1

 

 

напряжение и ток

 

 

_ / д . м а к с / / „

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Установленная

( ^ д ^ о

 

/д. ср^/д. макс

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

мощность

у

/

н

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Диод в цепи

зар яда ДЗ (рис. 4-1)

 

 

 

 

Д2 (рис. 2-18, д)

 

 

Средний ТОК

 

 

 

/д. ср//н

 

 

—— • т 3 = %1кзъпЪйСутз

^

• " 1 3 =

2з а пт вС{/тз

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Щі

 

 

 

 

Ш02

' Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U тз — U к

 

хтз

1 .

Vтз U к

 

 

 

 

Максимальные

 

 

Uобр. макс/£/;

 

 

U

 

 

fey

хтз — 1 . Iтз _

Утз

Pi

напряжение и ток

 

 

 

/

//

 

 

 

. / т з

 

Утз

Pi

 

U

fey

' / н

7Н

Рг

г

 

 

'д. макс/' н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Іи

 

Рг

 

 

 

 

 

 

Установленная

 

 

_

UA, ы а к с

1д . с р

2fk3anxnCym3

 

 

fey

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2/ЙзапТвС</тз

 

 

мощность

 

щ н

 

,{//н

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

{/тз —

/тзРа

тз

 

 

fey

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

 

 

 

 

Расчетная величина в относительных

ШИП с последовательной коммутацией

ШИП с параллельной коммутацией

единицах

(рис. 4-1)

(рис. 2-18, д) с дросселем насыщения

 

 

в ветви ДЗ

 

 

5. Диод

СреДНИЙ ТОК

 

7 Д 2 с р

Максимальные

 

^Д2 м а к с / У ;

Напряжения И ТОК

 

^Д2 макс/^

Установленная

$Д2

^ Д 2 макс^Д2ср

мощность

Ц 1 я

-

 

ДЗ (рис. 2-18, д)

 

—-—-~ —

2fk3antBCymp

 

« 01

' н

 

 

і.

і тр

і

Утр

1 ,

 

— ' н ~ — —

 

 

/ н

 

/ н

 

2/^запт вСі/тр

 

 

6. Коммутирующий

 

дроссель

Ы

 

 

 

 

 

 

Средний ток

 

y+

^ l m . = y +

2fk3anrBCymp

 

 

-

^ -

^ = 2 / А 9 . „ т в ^ т р

 

 

 

G>oi / н

 

 

 

 

 

й)0 1

/ н

 

 

 

 

 

 

 

 

Imp

/

я/

-,

nfk3anTB

С

Эффективный ток

 

 

 

 

 

/„

V 0 1 - *""Р 1/

2

7Н

L l э ^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1 / V +

2

7 Н

^

 

 

 

 

 

 

Максимальные

^ і Л м а к с / ^ >

 

 

 

U тз _ хтз .

Iтр

Утр

 

 

 

напряжение

 

 

 

 

и

kjj

/н

 

/н

 

 

 

И ТОК

' L1 макс/'н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Габаритная

 

«7

энергия

w'rL1 =

(приведенная)

г

UlHfk3anrB

Средний ток

^ 2

с р

 

/ н

Эффективный

I L 2эф

ток

,

 

' н

Максимальные

UL2ltiKJU;

напряжение

 

 

И ТОК

/ і . 2 м а к с / / н

Габаритная

 

ш

 

г L2

Энергия

T L 2

у / н % з а п Т в

I

С У т Р

/

,

я/^запТв

С

о

 

СУтр 1 /

nfk3anXB

С

^

1/ 7

+

2

7 Н

^

Р

ku V

2

7Н

 

 

 

 

 

 

 

 

при kv

= лгш р /2

 

 

 

при kv = Хтр/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 С

 

^L/эф ~ 2 С ^ / э ф

 

 

or

УтР 7

 

* т з

 

 

 

'L/эф

 

 

 

 

 

 

 

г Ь

 

хтр

7. Зарядный дроссель L2

2fk3anxBCym3

/ „

F

2С002

 

 

 

 

 

 

 

У

0 2

 

 

V 1 /

я / * з а п Т в С

•, /

 

k L

 

ч ,

~| /

лДзапТв С

-, /

kL

XV

2

7 я

V

X-kL

XV

 

 

2

7Н

V

l - k L

 

 

U тз У к

 

%

з — 1

„ _„

 

хтр ~Ь ^ .

fтз

 

 

 

 

 

 

• — —1

 

или

 

 

— ,

 

 

 

 

 

и

 

 

 

kv

 

 

 

ku

fa

 

 

 

 

СУІіз

^ /

nfksanrB

С

у

[

kL

 

 

 

 

 

 

ku

V

 

2

ltt

 

l - k L

 

 

 

Расчетная величина в относительных

ЩИП с последовательной коммутацией

ШИП с параллельной коммутацией

единицах

(рис. 4-1)

(рис. 2-18, д) с дросселем насыщения

 

 

в ветви US

Максимальные токи заряда и разряда

Максимальные

напряжения

Эффективный

ток

Эффективное

напряжение

Приведенная

габаритная

энергия

Приведенный габаритный заряд

П р и м е ч а н и я ;

8. Коммутирующий конденсатор

//из//н>

/ трПя

UnalV;

Ump/U

ІС эф / и

и*

_ ,

Г С н

^ С н = - VI н/^запт в

ТIн/^заптв

/<и , L= К1 + ( W W * ^ Ч / О

is 1 / я / ^ з а п т в •Утр / н

К х, т;2k „

2 m a £ . , при kv = 3SL

-^-хтзС

Г = К(' ~ * х ) 3 + 2 (»-*г) (' ~ **) + ( ^ г / 2 ) С1 +

* Г = ( Т 0 1 +

+ г о2 )/(2 Г ) -0 , 7 5 * °-9 ; ** - W W r o i = ^ У~^С- Т= 2 Я ^ » С ; ? »= ' " " i / ^ kU~u'UK>

k i - 4(4 + ЧУ

статической или динамической перегрузочной способности коммути­ рующего устройства. Рабочая область относительных токов ШИП с последовательной коммутацией может быть определена по характе­ ристикам безразмерных емкостей С, С' (7Н ).

Для выбора полупроводниковых приборов необходимо знать за-

коны изменения напряжений и токов в

них (рис. 4-2; 4-5, б; 4-7, б;

4-9, б) и характеристики максимальных

координат предельных цик­

лов перезаряда конденсатор?. В табл. 4-3 приведены основные формулы для расчета величин напря кений и токов в вентилях ШИП с последо­ вательной коммутацией. Пользуясь ими, легко выбрать тип и класс полупроводникового прибора.

При расчете по второму условию должны быть определены уста­

новленные

мощности

полупроводниковых

приборов

(табл.

4-3), от­

носительные энергии дросселей

(или трансформатора) (2-32а) и габа­

ритная энергия или заряд конденсатора

 

 

 

 

 

 

коммутирующего

устройства

(2-70 —

СХтз

 

 

 

 

 

2-73). Для выбора оптимальных токов

 

 

 

 

 

 

рассчитывается приведенная относитель­

\t

їезцвлеіограничения

 

ная габаритная энергия дросселя (транс­

 

 

 

 

 

 

форматора) и конденсатора

 

 

\ст

описаю/,тторо*

>

 

 

 

Wr

 

 

 

купераї

 

 

wp

=

 

 

 

 

Ш,Л"7

 

н/^запТв

 

Сиепью г/мГ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w Сн

"Сн

(4-31)

 

И, --0,25

 

 

 

 

Си :

/^зап^в

^зап

&

1

1

6

в

Ю

 

 

 

?Сн .

 

2

*

 

Сн

 

(4-31а)

 

 

Рис. 4-16

 

 

 

/^запТв

^зап

 

 

 

 

 

 

 

Эти величины являются функциями относительных токов нагрузки и могут быть определены по характеристикам преобразователя. При­ веденная относительная габаритная энергия и заряд коммутирующего конденсатора согласно формулам (2-70, 2-71 и 4-31)

 

д2

(4-32>

2%І

 

2 X L K U Q

I "

И

 

 

<;сн

Схт—/(/„),

(4-33>

 

Хоос

 

где х = хтз, если |хт з |>|*„М ірі И Х = Хтр> ЄСЛИ К р | Ж з | .

Приведенная относительная габаритная энергия дросселей (или трансформатора) также может быть выражена через безразмерную, емкость С и максимальные относительные координаты утр или утзУ если принять во внимание, что отношение

L _ / L /,\ . / С ик

С

\ кзгт^в Uк j \ ^зап^в In

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ