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

вателей импульсов управления силовыми тиристорами моста УФ, 4 и УФЗ, 2. Входные цепи усилителей-формирователей УФІ, 4 и УФЗ, 2 нормально зашунтированы полупроводниковыми ключами К1, КЗ, и пусковые импульсы не вызывают появления импульсов управления на выходе УФІ, 4 или УФЗ, 2 ((рис. 4-26, в).

Формирование включающих силовые тиристоры импульсов возможно только в том случае, если подан разрешающий импульс с выхода вспомогательного уси­ лителя-формирователя УФІ' (т. е. коммутирующее устройство генерирует запи­ рающие импульсы) и подано напряжение с одного из выходов поляризованного реле Р — индикатора знака входного сигнала. Напряжение с выхода реле РІ или Р2 ( м к 1 или ык 3 ) запирает полупроводниковый ключ К.1 или КЗ. При этом пусковые импульсы поступают на вход соответствующего формирователя УФІ,4 или УФЗ, 2. При изменении знака входного сигнала и переключении реле Р

Достоинством реверсивного ШИП с последовательным гасящим устройст­ вом является простота системы управления, недостатком — несколько меньший к. п. д. силовой части преобразователя из-за потерь в коммутирующем дросселе L 1 . Рассмотренные простейшие реверсивные ШИП пригодны для питания пас­ сивной нагрузки. При работе на якорь двигателя постоянного тока тиристорные ШИП с одним коммутирующим устройством обладают существенным недостат­ ком — время задержки подачи управляющих импульсов t0 становится недопу­ стимо большим, поскольку затухание тока в цепи якоря определяется не только электромагнитными, но и электромеханическими переходными процессами в си­ стеме электропривода.

Рассмотрим процессы в силовой цепи преобразователя с одним коммутирую­ щим устройством при повторном реверсе напряжения на якоре. Предположим, что время задержки ta выбрано из условия затухания только электромагнитных процессов в замкнутом накоротко якоре двигателя, t0 х (3 -4- 5) Т.

Процессы в ШИП, возникающие при изменении полярности входного сиглала с большой частотой, изображены на рис. 4-27. На временной диаграмме напряжения (ця ), тока (ія ) и э. д. с. (е) якоря двигателя указаны номера полу­ проводниковых приборов ШИП, через которые замыкается ток в каждый рас­ четный интервал периода (рис. 4-27, е). При первом реверсе управляющие им­ пульсы переключаются с тиристоров 77, Т4 на тиристоры ТЗ, Т2 (рис. 4-27, а, д), и импульсы напряжения на якоре машины изменяют свой знак. Максимальное время задержки изменения полярности напряжения на обмотке якоря двига­

При втором реверсе управляющие импульсы снимаются с тиристоров ТЗ, Т2 (рис. 4-27, д), и ток якоря, замыкающийся через тиристор Т2 и ДИОД Д4, уменьшается пропорционально скорости вращения о . Спустя время t0 с момента второго реверса включающие импульсы подаются на тиристоры ТІ, Т4. При этом возникает сквозное короткое замыкание источника питания U через комму­ тирующий дроссель Ы и тиристоры 77, Т2. Если параметры гасящего устрой­ ства выбраны таким образом, что обеспечивается коммутация тока короткого замыкания t'K . 3 , то срыва коммутации в ШИП не происходит (рис. 4-27, е). Од­ нако процесс торможения двигателя, возникающий при повторном реверсе, протекает достаточно медленно, что существенно ухудшает динамику системы. Кроме того, в системах средней мощности проектирование гасящих цепей на коммутацию тока короткого замыкания приводит к существенному ухудшению энергетических показателей преобразователя. Это обстоятельство заставляет при проектировании ШИП значительно увеличивать время /0 . Таким образом,

пару тиристоров ТЗ, Т2 (рис. 4-28, б). Вспомогательный тиристор основного гасящего устройства при этом продолжает включаться управляющими импуль­ сами иг и гасит работавший до реверса силовой тиристор анодной группы Т1. В течение времени паузы t0 поочередно (с интервалом через период Т) подаются два управляющих импульса на тиристоры Т2' и Т4' вспомогательного гасящего устройства. При этом запирается тиристор катодной группы моста Т2 или Т4, ранее находившийся в проводящем состоянии (рис. 4-28, б) Ток якоря, поддер­ живаемый э. д. с. самоиндукции eL, переключается на шунтирующие диоды Д1, Д4 (или Д2, ДЗ) и протекает в направлении, противоположном полярности ис­ точника питания U. Это приводит к быстрому затуханию электромагнитных процессов в силовой цепи (рис. 4-28, б). Спустя время t0 с момента реверса, когда все силовые тиристоры ШИП уже находятся в запертом состоянии, начинают подаваться импульсы ult u 4 (или us, и2) в цеци управления второй пары силовых тиристоров, и в цепи якоря двигателя начинают действовать импульсы напряже­ ния противоположной полярности (рис. 4-28, б).

Аналогичная схема реверсивного ШИП с одним основным гасящим устрой­ ством и параллельным вспомогательным коммутатором с одновременным гаше­ нием тиристоров катодной группы представлена на рис. 4-29, а. Вспомогатель­ ное гасящее устройство ШИП имеет два коммутирующих дросселя L2, L4, ко­ торые одновременно с помощью вспомогательных тиристоров Т2', Т4' могут быть подключены к конденсатору С2. При этом образуются два параллельно включенных колебательных контура перезаряда конденсатора. Ток і'с в каждом из них должен быть достаточным для осуществления коммутации в силовой цепи. Очевидно, емкость коммутирующего конденсатора в схеме с одновременным гашением тиристоров катодной группы должна быть больше емкости С2 в ШИП

никовый ключ К2 нормально шунтирует входную цепь формирователей вспомо­

тов задержки 31, 32, удерживает ключ К2 в разомкнутом состоянии, и импульсы и д 2 проходят на вход формирователей УФ2' и УФ4'. При этом генерируются импульсы напряжения и2 и и4, включающие тиристоры Т2 , Т4 вспомогатель­ ного коммутатора (рис. 4-28, а, б).

Несколько проще блок-схема системы управления ШИП с одновременным гашением тиристоров катодной группы моста (рис. 4-29, в). В этом случае для

мента 32 продифференцированные ДЭ2 импульсы с выходов поляризованного реле Р, которые действуют на входную цепь формирователя УФ2' ,4' вспомога­ тельного коммутатора.

Наибольшее распространение в системах электропривода получили ревер­ сивные ШИП с двумя основными коммутирующими устройствами и поочередным запиранием тиристоров работающей диагонали моста. Такие преобразователи принципиально могут быть выполнены на основе схем с параллельной и последо­ вательной коммутацией. Однако из-за сложности логических операций, которые должны быть выполнены при реверсе, и сложности системы управления парал­ лельная коммутация в реверсивных ШИП систем электропривода применяется весьма редко.

Запирающие устройства реверсивных ШИП с последовательной коммута­ цией могут быть спроектированы таким образом, что подготовительный заряд конденсатора через дополнительный зарядный дроссель в них отсутствует. Цепи заряда и разряда конденсатора в этом случае замыкаются через два коммути­ рующих дросселя (или трансформатора), и при включении каждого вспомога-

тельного тиристора ТІ', Т2' запирается работающий силовой тиристор анодной или катодной группы моста (рис. 4-30, а, 4-31, а). Такой цикл работы конденса­ тора позволяет улучшить весо-габаритные и энергетические показатели ШИП (см. § 4-9). Коммутирующее устройство реверсивных' ШИП последовательного типа может содержать два коммутирующих трансформатора (рис. 4-30, б) или дросселя (рис. 4-30, в) либо быть смешанным — дроссельно-трансформаторньш <рис. 4-30, а).

Источником питания коммутирующих устройств могут служить силовая питающая сеть U (штриховая линия на рис. 4-30, а) либо один или два мало­ мощных вспомогательных источника постоянного напряжения: £/K i. UKi (рис. 4-30, б) или UK (рис. 4-30, а). Величина напряжения вспомогательного

Рис. 4-30

источника t7K обычно выбирается из условия минимума коммутационных потерь мощности (§ 4-5). Если применение вспомогательного источника питания неже­ лательно, то нужная величина напряжения UK может быть получена с помощью емкостного делителя напряжения. Для этой цели емкостный фильтр на входе преобразователя набирается из нескольких последовательно включенных элек­ тролитических конденсаторов СфХ — Сф3 , шунтированных металлобумажными, слюдяными или другими типами неэлектролитических конденсаторов. Первая и последняя ступени емкостного делителя через разделительные тиристоры Т5, Т6 присоединяются к коммутирующему конденсатору С (рис. 4-30, в).

Частота управляющих импульсов uv, и2,, подаваемых на вспомогательные тиристоры ТҐ (Т5) и Т2' (Т6), вдвое меньше частоты импульсов управления, включающих силовые тиристоры моста иъ и4 (или и3 , и2 ) (рис. 4-30, г, 4-31, а). Поэтому работающие тиристоры анодной и катодной групп моста запираются через период, и ток якоря во второй интервал периода (I — у) Т замыкается то через нижний тиристор и обратный диод ТІ, ДЗ (или ТЗ, Д1), то через верх-

ниє вентили Т4, Д2 (или Т2, Д4) (рис. 4-31, а). Поочередная коммутация тири­ сторов моста обеспечивает равномерную нагрузку вентилей анодной и катодных групп.

При изменении знака входного сигнала ц в х переключаются управляющие импульсы лишь во входных цепях силовых тиристоров. Никаких переключений в цепях управления тиристорами TV и Т2' коммутирующего устройства не про­ изводится (рис. 4-31, а).

УФД2

a,

Рис. 4-31

Время задержки подачи включающих импульсов на вторую пару тиристо­ ров моста с момента изменения знака входного сигнала t0 должно быть не меньше двух периодов коммутации t0 > 2Т. Этим обеспечивается запирание двух ра­ ботавших силовых тиристоров, например ТЗ, Т2, к моменту подачи управляю­ щих импульсов на вторую пару тиристоров моста ТІ, Т2 (рис. 4-31, а). Блоксхема системы управления ШИП с поочередной коммутацией наиболее проста (рис. 4-31, б).

Задние и передние фронты прямоугольного напряжения с выхода задающего генератора ЗГ дифференцируются /-С-цепочкой ДЭЗ. Продифференцированные импульсы и д з являются тактовыми импульсами, синхронизирующими работу

Для повышения максимальной продолжительности включения необходимо уменьшать время перезаряда коммутирующего конденсатора tp после окончания процесса восстановления тиристора. Этого можно добиться, используя вместо линейных коммутирующих дросселей дроссели насыщения, время полного пе­ ремагничивания которых несколько больше времени восстановления тиристора при максимальном токе нагрузки (гл. 5). Возможно также применение дополни­ тельных колебательных контуров, ускоряющих процесс перезаряда коммути­ рующего конденсатора, подобно тому как это было сделано в ШИП с параллель­ ной коммутацией [12, 26, 52] .

Ускоряющие контуры перезаряда UK, ТрУ2, С и UK, Тру1, С образуются с помощью дополнительных тиристоров Т6, Т5, включаемых с некоторой за­ держкой (t3) относительно моментов включения гасящих тиристоров Т2' и TV

Рис. 4-32

(рис. 4-32, а). Время задержки t3 выбирается немного большим времени, необ­ ходимого для восстановления силовых тиристоров. В этом случае на начальной стадии перезаряда ta напряжение ис изменяется достаточно медленно с угло­ вой частотой ш0 . При включении ускоряющего контура частота перезаряда кон­ денсатора определяется малой индуктивностью трансформатора Тру2 или Тру1. При этом происходит быстрое изменение напряжения на конденсаторе, тири­ стор Т6 (или Т5) запирается, после чего происходит завершение процесса за­ ряда по контуру основного коммутирующего дросселя (рис. 4-32, б). Питание ускоряющих контуров обычно осуществляется от низковольтного источника не­ большой мощности с емкостным делителем, образующим искусственную нуле-1 вую точку. Ускоряющие процесс перезаряда конденсатора контуры могут быть выполнены с цепями возврата энергии w2Tpy2, Д8; w2TpyU Д7 или без них.

В рассмотренных схемах реверсивных ШИП при определенной полярности входного сигнала в силовой цепи может протекать ток лишь одного направления. Поэтому в таких системах электропривода в зависимости от величины нагрузки возможны режимы прерывистого и непрерывного знакопостоянного тока якоря. Как известно (см. § 1-5), на границах этих режимов наблюдается излом механи­ ческих характеристик машины. Динамика электропривода, работающего в об­ ласти прерывистых токов, имеет ряд особенностей (§ 4-10). В режиме прерыви­ стого тока в течение каждого периода коммутации начальное и конечное значе­ ния тока в цепи якоря равно нулю. Это позволяет пренебречь электромагнит-

ной постоянной якоря [18, 19, 20]. Влияние индуктивности цепи якоря на ме­ ханические процессы можно учесть, вводя в силовую цепь некоторое фиктивное сопротивление Гф.я . В режиме прерывистого тока по мере уменьшения относи­ тельной продолжительности включения якоря в питающую сеть у эквивалент­ ное сопротивление Гф. я и электромеханическая постоянная времени привода возрастают, а суммарный коэффициент усиления объекта регулирования падает. Вследствие резкого изменения параметров привода при переходе из режима прерывистых в режим непрерывных токов обычно невозможно обеспечить оп­ тимальные динамические характеристики в обоих режимах при постоянстве параметров схемы регулирования. Кроме того, прерывистый режим тока _ухудшает внешние характеристики ШИП и вызывает увеличение пульсаций ско­ рости вращения.

Для улучшения энергетических и динамических показателей систем элек­ тропривода «тиристорный ШИП—двигатель» необходимо обеспечить режим не­ прерывного тока при всех значениях у и средних токов нагрузки машины.

Это возможно в реверсивных ШИП, управляемых широкими импуль­ сами.

Для формирования широких импульсов, включающих силовые тиристоры, могут быть использованы триггерные схемы на транзисторах или маломощных тиристорах с раздельным управлением. Изменение состояния триггеров осущест­ вляется подачей на вход коротких импульсов с выхода задающего генератора и модулятора длительности. Для предотвращения сквозных коротких замыка­ ний тиристоры анодной группы моста должны включаться после запирания ти­ ристоров катодной группы. Для этого при каждом запирании очередного сило­ вого тиристора формируются короткие импульсы длительностью 20—30 мксек, запрещающие включение второго тиристора в той же стороне моста. Формиро­ вание широких включающих импульсов часто осуществляется с помощью авто­ генераторных схем, например мультивибраторов Роера, работающих на повы­ шенной частоте 10—20 кгц [28]. Напряжения со вторичных обмоток автогене­ раторов прямоугольных колебаний выпрямляются и, подаются в цепи управле­ ния силовых тиристоров моста, благодаря чему достигается их гальваническая развязка. Для запирания силовых тиристоров моста в таких преобразователях используются индивидуальные или групповые коммутирующие устройства по­ следовательного типа.

Вспомогательные тиристоры коммутирующих устройств включаются корот­ кими управляющими импульсами длительностью 15—25 мксек.

На рис. 4-33 приведена схема ШИП с индивидуальными коммутирующими дросселями (или трансформаторами) и поочередным запиранием тиристоров каж­ дой диагонали моста. В состав гасящего устройства такого ШИП входят четыре коммутирующих дросселя L I — L 4 , четыре вспомогательных тиристора ТУ—Т4' и два конденсатора CI, С2. Частота перезарядакаждого коммутирующего кон­ денсатора вдвое меньше частоты импульсного выходного напряжения преобра­ зователя. Напряжения на конденсаторах « _ г и„2 сдвинуты относительно друг