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

рис. 4-19, а—г). Штриховые кривые ab, cdwae (рис. 4-19, б), соединяю­ щие рабочие точки на семействе универсальных характеристик пред­ ставляют собой соответственно кривые зависимостей 9 = f (хтз) для схем ШИП без цепей ограничения, с резисторно-диодной цепью огра­

заметить, что введение цепей ограничения всегда приводит к умень­

действовать цепь рекуперации. Например, если в преобразователе

а А'с.

Следует отметить, что, пользуясь универсальными угловыми ха­ рактеристиками и зависимостями хтз = / (7Н) для конкретных схем, можно определить минимальный угол действия обратного напряже­ ния 0' при внезапном изменении нагрузки от 0 до / н . В этом случае координаты первого цикла перезаряда конденсатора в момент внезап-1 ного увеличения нагрузки равны координатам цикла холостого хода (7Н = 0) и х = хтз_ х . х (рис. 4-19, а). Угол 9' при внезапном измене­ нии нагрузки от 0 До*7н.н о М = 3,2 в ШИП без цепей ограничения оп­ ределяется как ордината точки пересечения универсальной характе­

решить вопрос о целесообразности применения цепей ограничения эффекта накопления.

(рис. 4-19, в, г). При этом для уменьшения коммутационных потерь мощности и уменьшения установленных мощностей элементов сило­ вого каскада приходится включать цепи ограничения. Например, для схемы с трансформатором возврата коэффициент трансформации выбирается из условия

Рис. 4-19

Заметим, что преобразователи с трансформаторами рекуперации во всем диапазоне изменения тока нагрузки работают в режиме мини­

Угол действия обратного напряжения при максимальной нагрузке

ток, соответствующий одной из универсальных угловых характери­ стик, проходящей через точку А, должен быть принят за относитель­

коммутирующего устройства. Волновое сопротивление контура раз­ ряда конденсатора

емкость и индуктивность коммутирующего дросселя (или трансформа­ тора)

Если напряжение источника питания цепи заряда конденсатора может быть произвольным, то коэффициент kv следует выбрать так, чтобы І ^ з . х . х і г ^ о < * и , э . о п т = ( 1 . 6 - ь 2 ) ku Ри с - 4-19, а). При этом возможно проектирование преобразователя без цепей ограничения.

(4-65), можно рассчитать параметры гасящих цепей преобразователя.

В ШИП без цепей ограничения или с резисторно-диодной цепью ограничения условия работы с минимальными коммутационными по­ терями мощности выполняются лишь при одном значении нагрузки преобразователя, /„ = /.„.н о м . Время Т0 1 /2 разряда конденсатора в контуре С, L x определяет возможную частоту коммутации при за­ данном коэффициенте использования источника питания по напря­ жению / = 2(1—ТяаксУТої- При некоторых параметрах нагрузки может оказаться, что определенная таким образом частота низка и не отвечает требованию ограничения дополнительных потерь мощности,

обусловленных пульсацией тока в приемнике. В этом случае прихо­ дится использовать ШИП с многофазным управлением (см. § 4-11) или отказываться от выполнения условия минимума коммутационных потерь и переносить рабочую точку в область меньших значений хтз и относительных токов нагрузки /н . н о м . Для более эффективного уве­ личения возможной частоты коммутации может оказаться целесооб­ разным увеличить коэффициент kv по сравнению с ранее выбранным.

ства ШИП и в системах с резко изменяющейся нагрузкой, в которых электромагнитный переходный процесс в цепи якоря заканчивается

ляет собой вертикальную линию eg (рис. 4-19, г). Рабочая точка на этой прямой А', соответствующая режиму пуска, определяется после расчета необходимого угла действия обратного напряжения 6^ и по формуле (4-62), если заданы величины укакс и /. Относительные токи / н , соответствующие точкам пересечения прямой eg с универсальными угловыми характеристиками 9 = / (хтз), равны токам / н , указанным на каждой из этих характеристик. Поэтому относительный пусковой ток в этой системе согласно рис. 4-19, г 1И.П = 6. Зная 8Н и /„.„., можно рассчитать параметры коммутирующего устройства, пользуясь соотношениями (4-63) — (4-65). При этом рх = / н п £ / к // н . „.

Если в процессе пуска системы ток в течение некоторого интервала времени остается величиной постоянной, / н = / н . „ = const, а затем по мере увеличения скорости спадает достаточно медленно до устано­ вившегося тока /„ = /н . ном = 2, то движение рабочей точки на пло­ скости 9, хтз происходит по траектории А'ВА (рис. 4-19, г). Первый участок А 'В соответствует электромагнитному переходному процессу в коммутирующем устройстве, работающем с постоянным током на­ грузки /„ = /„. „ = 6. На втором участке ВА происходит медленное изменение тока нагрузки и соответствующее уменьшение максималь­ ных напряжений на конденсаторе (хтз — Um3). Рабочая точка А соответствует установившемуся режиму работы привода с током на­ грузки /н . н о м — 2, 9Н Л І 63° и хтз, „ = 7. При плавном изменении нагрузки привода движение рабочей точки коммутирующего устрой­ ства будет происходить по установившейся угловой характеристике схемы без цепей ограничения 9 = / (хта) — кривой ab. Если в си­ стеме возможны скачкообразные набросы нагрузки до значения 1Д — 8, то рабочая точка перемещается вертикально вниз по прямой АС. При

этом минимальное возможное значение угла нагрузки 9 н Д | = = 36°<6Н . п . Это означает, что выбор параметров коммутирующих контуров в этом случае определяется углом Э н Д / . Дальнейшее пере­ мещение рабочей точки при сохранении перегрузки в системе (/„ = 8) происходит по участку универсальной характеристики CD. Точка D соответствует установившемуся режиму работы ШИП с током нагрузки /„ = 8, при этом хтз с=х 12,5. Таким образом, применение универ­ сальных угловых характеристик в сочетании с характеристикой мак­ симальных координат предельных циклов позволяет проанализиро­ вать работу коммутирующего устройства в различных режимах, до­ статочно просто выбрать параметры контуров перезаряда конденса­ тора и сравнить несколько вариантов ШИП, использующих различ­ ные способы ограничения эффекта накопления энергии.

При скачкообразном изменении нагрузки в системе электропривода обычно не удается спроектировать ШИП на минимум коммутационных потерь в номи­ нальном режиме. Для улучшения энергетических характеристик преобразова­ теля в номинальном режиме целесообразно применить те или иные способы огра­ ничения эффекта накопления или уменьшать коэффициент кц, а для увеличения перегрузочной способности преобразователя цепи ограничения желательно исключить и повысить коэффициент напряжения ky. Необходимость повышения к. п. д. преобразователя в системах с длительной номинальной нагрузкой и обес­ печения определенной перегрузочной способности ШИП в переходных режимах работы привода (пуск, реверс, перегрузка) привели к созданию ШИП с перемен­ ной структурой коммутирующих цепей [38] . В таких преобразователях приме­ нены управляемые цепи ограничения эффекта накопления энергии в элементах гасящих цепей.

Резисторы цепей рассеяния л4 (лв) или обмотка рекуперации w3Tp вклю­ чаются в этом случае не через диоды, а через тиристоры Т4 (Т6) или Т5 (рис. 4-1).

энергии, запасаемой в конденсаторе или дросселе L 1 , и максимальные напряже­ ния на коммутирующем конденсаторе уменьшаются, как и коммутационные по­ тери мощности- в ШИП.

Рассмотрим работу системы электропривода с ШИП, имеющим управляе­ мую трансформаторную цепь рекуперации Т5, w3Tp (рис. 4-1). До начала ра­ боты системы коммутирующее устройство преобразователя возбуждено и управ­ ляющие импульсы подаются на гасящий ТҐ и вспомогательный Т5 тиристоры. Длительность управляющих импульсов, подаваемых на тиристор Т5, должна

щие импульсы на входе вспомогательного тиристора Т5. При этом ШИП начи­ нает работать с отключенной цепью рекуперации, и спустя 3—5 периодов Т

и методика их расчета. Электромагнитные переходные процессы в ком­ мутирующем устройстве возникают при включении его в питающую сеть и при любом изменении тока нагрузки преобразователя. При про­ текании переходных процессов изменяются максимальные токи и на­ пряжения на элементах цепей перезаряда конденсатора и углы дейст­ вия обратного напряжения на силовых тиристорах.

Коммутирующее устройство ШИП должно быть спроектировано таким образом, чтобы обеспечить устойчивую коммутацию тока на­ грузки в наиболее тяжелых режимах работы привода, которые возни­ кают при протекании переходных процессов (пуск, реверс, наброс нагрузки и т. п.). Поэтому расчет коммутационных переходных про­ цессов является необходимым звеном проектирования системы элек­ тропривода с ШИП. Расчет коммутационных переходных процессов позволяет определить максимальные возможные напряжения и токи в цепях перезаряда конденсатора и минимальные углы действия об­ ратного напряжения Эм и н , что должно учитываться при выборе типа полупроводниковых приборов в выходном каскаде преобразователя, при определении параметров контуров перезаряда конденсатора, а

также при выборе! временных задержек в системе управления ШИП.

Для преобразователей с последовательным гашением возможно раздельное рассмотрение переходных процессов в силовой цепи (в цепи якоря) и в коммутирующих контурах. В этом случае сначала устанавливается закон изменения дискретных значений тока нагрузки в момент коммутации /„ [п] (или / н [п] в ШИП с трансформаторными гасящими цепями) при пуске в ход, реверсе или набросе нагрузки, а затем тем или иным методом рассчитывается коммутационный пере­ ходный процесс в гасящем устройстве.

Расчет системы электропривода с ШИП упрощается при следую­ щих соотношениях электромагнитной постоянной цепи нагрузки

ного значения уже в первом периоде после начала переходного про­ цесса;

2) при Т я >• (3 -ь 5) Т, когда при возникновении переходного процесса в силовой цепи ток нагрузки преобразователя изменяется достаточно слабо от периода к периоду и изменение параметров коле­ бательного процесса в цепях перезаряда фактически происходит по статическим характеристикам коммутирующего устройства (см. § 4-3, 4-4).

В первом случае для расчета коммутирующего устройства преобра­ зователя достаточно определить переходный угол действия обратного напряжения 6' при мгновенном увеличении тока нагрузки от / н = О до /н , м а к с , что можно сделать по угловым характеристикам ШИП и ха­ рактеристикам предельных координат циклов перезаряда конденса­ тора (см. § 4-5) или по фазовым траекториям предельных циклов. Как будет показано ниже, угол 0' достаточно просто определяется и ана­ литически. Во втором случае коммутирующие цепи рассчитываются по статическим характеристикам гасящего устройства (см. § 4-4). В некоторых системах электропривода параметры цепи якоря таковы (ЗГ >> Т я > Т), что при возникновении переходного процесса ток нагрузки преобразователя гн [п] достигает своего максимального значения за несколько периодов коммутации. При этом для выбора типа полупроводниковых приборов и параметров коммутирующих цепей необходим расчет коммутационных переходных процессов.

Для расчета коммутационных переходных процессов можно вос­ пользоваться методом фазовой плоскости. При этом строится фазовая траектория процесса перезаряда конденсатора, соответствующая оп­ ределенному закону изменения дискретных относительных значений

Переходные процессы в коммутирующих цепях ШИП могут быть рассчитаны и аналитически. При этом составляются дифференциаль­ ные уравнения для гасящих цепей на всех расчетных интервалах пе­ риода, находятся их решения и определяется разностное уравнение, характеризующее связь между дискретными значениями напряжения или тока в цепях перезаряда конденсатора. Для нахождения разност­ ных уравнений можно воспользоваться уже найденными в § 4-4 за­ висимостями, связывающими значения х = ис (или у = іс) на гра­ ницах расчетных интервалов (4-42) — (4-47).

В качестве переменной разностного уравнения удобно выбрать ре­ шетчатую функцию хтз [п], характеризующую относительные на­ пряжения на конденсаторе в конце интервала заряда каждого пе­ риода. Последние однозначно определяют угол действия обратного напряжения 8 [п] и коммутирующую способность конденсатора в те­ чение п-го периода с момента начала переходного процесса [40, 42].

Связь между дискретными значениями хтз In] в большинстве случаев характеризуется нелинейным разностным уравнением, ко­ торое может быть решено последовательным расчетом относительных амплитуд заряда от периода к периоду. Обычно для определения ми­ нимального угла 6 М И Н достаточно рассчитать процессы на 2—5 перио­ дах коммутации Г, что не требует большой затраты времени. Лишь в частных случаях, когда процессы в коммутирующих цепях описы­ ваются линейным разностным уравнением, для их расчета может быть применен метод дискретного преобразования Лапласа [48, 107].

Законы изменения относительных токов нагрузки ШИП. При рас­ чете коммутационных переходных процессов прежде всего следует определить закон изменения дискретных значений тока в силовой цепи с тем, чтобы найти решетчатую функцию, характеризующую от­ носительные токи нагрузки / н [п] в моменты коммутации в течение переходного режима. Обычно период коммутации Т существенно меньше электромеханической постоянной времени привода Тч, а угол действия обратного напряжения 8 достигает минимума на первомтретьем периоде с момента начала переходного процесса. Это позво­ ляет при расчете переходных коммутационных процессов в ШИП ог­ раничиться рассмотрением электромагнитных переходных процессов в силовой цепи, считая на протяжении нескольких периодов комму­ тации скорость вращения двигателя постоянной, со = со [0] = const.

Электромагнитные переходные процессы в системе «ШИП—двига­ тель» для режима непрерывных токов характеризуются разностным уравнением

тока (верхний знак соответствует процессам пуска под нагрузкой при

п — порядковый номер периода с момента начала переходного про­ цесса; у = t^T — относительная продолжительность включения ис­

точника; В, = ТГі/Ья, в „ = Тги/Ья, Вэ = уб, + (1 - у) В„ - ко­ эффициенты нагрузки на интервале включения (I), короткого замы­

кания (II) и эквивалентный коэффициент цепи якоря; гг, гп — актив­ ные сопротивления цепи нагрузки (якоря) на интервале I и I I .

Решение уравнения (4-66) имеет вид для дискретных а) минимальных значений тока якоря

ходного процесса (4-67), (4-68), можно найти дискретные значения