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

Для предварительного заряда конденсатора с нужной для осущест­ вления коммутации полярностью необходимо соблюдение определен­ ной очередности включения вспомогательных тиристоров, например

Рис. 4-44

TV — ТЗ' — TV — ТЗ' и т. д. Однако при ступенчатом уменьшении

сохранения нужной последовательности включения тиристоров TV,

Тт и максимального напряжения на конденсаторе UCm перед комму-

Повысить быстродействие преобразователя можно, уменьшая ве­ личину максимальной продолжительности включения ух и применяя параллельное включение тиристоров в одной ступени.

Многофазный ШИП с параллельно-последовательным соединением силовых тиристоров (рис. 4-45). Параллельно-последовательное сое­ динение силовых тиристоров целе­ сообразно применять в высоко­ вольтных ШИП при больших час­ тотах коммутации цепи нагрузки.

Такие ШИП обладают обычно повы­ шенной коммутационной устойчи­ востью к внезапным изменениям входного сигнала. В этом случае источник питания также выпол­ няется /п-ступенчатым, а силовой ключ каждой ступени состоит из пх параллельно включенных тири­ сторов. Общее число силовых ти­ ристоров пт = пхтп желательно выбирать четным. При этом одно коммутирующее устройство пооче­ редно запирает два силовых ти­ ристора, которые могут относиться к одной или к разным (рис. 4-45)

ступеням, и оно не содержит зарядного дросселя. Число комму­ тирующих конденсаторов в схеме пс = mnJ2 — nJ2. Периоды изменения напряжений на конденсаторах при работе ШИП в устано­ вившемся режиме (ух = const) равны периоду коммутации силовых тиристоров, Тс — Тх (рис. 4-49, з, и).

Для коммутации в ШИП используется 0,5 пг — 0,5 пхш — пс коммутирующих устройств. При параллельном соединении трех ти­ ристоров в двух ступенях преобразователя необходимо три коммути­ рующих устройства с тремя конденсаторами (на рис. 4-45 показаны лишь два из них). Применение индивидуальных коммутирующих трансформаторов Tpl, Тр2 обусловлено тем, что в группу объединены тиристоры одной ступени, включающиеся на соседних временных интервалах Тх/пх (рис. 4-46, а, б, в).

Сдвиг во времени между моментами отпирания включающихся

импульсы на отдельных ступенях преобразователя сдвинуты во вре­ мени на интервал Txlm (рис. 4-46, а, г). Относительная продолжи­ тельность включения каждого силового тиристора регулируется от 0

устройств (из них на рис. 4-45 и 4-46, и показаны лишь два) сдвинуты во времени относительно друг друга на T J n c = 2T1l{n1tn) = 7УЗ.

Рис. 4-46

Минимальное время запаса, соответствующее первому периоду Тс после ступенчатого изменения относительной продолжительности включения на величину A Y i M a K C (рис. 4-46, з), будет

^со„нн = 0 , 5 7 , 1 - Д у и , . к с 7 , і - 0 , 5 Г 0 = 7 ' 1 [ 0 , 5 - 1 / я 1 - ( 0 , 5 Г 0 ) / Г 1 ] .

Если в системе возможны ступенчатые изменения входного сиг­ нала и скорость изменения не ограничена, то для сохранения устой­ чивости коммутации в ШИП необходимо выбрать число параллельных тиристоров в ступени пх из условия 0,5—1/пх—(0,57, 0 )/7'1 >• 0, т. е.

Л 1 > 2 / ( 1 - 7 7 7 4 ) .

Глава пятая

ТИРИСТОРНЫЕ ШИП С ДРОССЕЛЯМИ НАСЫЩЕНИЯ В КОММУТИРУЮЩИХ ЦЕПЯХ

5-1. Электромагнитные процессы в нереверсивных ШИП с дросселями насыщения (ДН)

ШИП с последовательным гашением обладают рядом ценных ка­ честв и успешно используются для создания быстродействующих си­ стем электропривода. Однако включение линейного коммутирующего дросселя в силовую часть преобразователя вызывает ряд нежелательных*явлений. Основные из них следующие.

1.В приводах с двигателями, обладающими малой индуктивностью обмотки якоря, падение напряжения на коммутирующем дросселе соизмеримо с напряжением на якоре машины.

2.При высокой частоте / существенное влияние на среднее значе­ ние выходного напряжения преобразователя оказывает интервал коммутации тока якоря с шунтирующего диода на включившийся си­ ловой тиристор, в течение которого напряжение питания практически падает на коммутирующем дросселе Ы.

3.Размеры и вес коммутирующих линейных дросселей сущест­ венно влияют на весо-габаритные показатели ШИП, поскольку маг­ нитная проницаемость сердечника не может быть выбрана высокой (см. § 2-3).

4. Трудность построения экономичных запирающих устройств с регулируемым запасом энергии в поле коммутирующего конденса­ тора. Эти недостатки ШИП с последовательной коммутацией могут быть частично устранены при применении нелинейных коммутирую­ щих дросселей с сердечниками, обладающими прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).

смещающую рабочую точку сердечника в область насыщения. В ин­ тервалы открытого состояния силового тиристора ТІ н. с. обмотки управления, намагничивающая сердечник, больше размагничиваю­

На коммутационных интервалах, когда включается вспомогатель­ ный тиристор TV, ток перезаряда конденсатора, оказывающий раз­ магничивающее действие, выводит сердечник дросселя из состояния насыщения и рабочая точка оказывается на вертикальном участке гистерезисной петли, где (х > ц5 . Большая величина магнитной про­ ницаемости сердечника на коммутационных интервалах приводит к су­ щественному уменьшению полей рассеяния и связанных с ними по­ мех, затрудняющих наладку цепей управления. Кроме того, умень­ шается число витков обмотки &Ур, потери мощности в меди дросселя,

а также его вес и габариты. Если ток управления коммутирующего дросселя / у изменять пропорционально коммутируемому току, то запас энергии коммутирующего устройства и потребляемая им мощ­ ность будут регулироваться в функции тока нагрузки / н . Это позво­ ляет повысить экономичность работы коммутирующих цепей в широ­ ком диапазоне изменения тока нагрузки преобразователя.

Различные схемы нереверсивных ШИП с ДН отличаются друг от друга способом включения обмотки управления дросселя (рис. 5-1, а—г). В основной схеме (рис. 5-1, а) обмотка wy питается

Рис. 5-1

от источника постоянного тока / у , которым может служить усилитель, содержащий в выходной цепи достаточно большую индуктивность L y , Для повышения энергетических показателей ШИП и сохранения устойчивой коммутации ток / у должен изменяться пропорционально току нагрузки ШИП /„ и одновременно с ним. Однако из-за большой дополнительной индуктивности в цепи управления последнее требо­

последовательно в цепь источника питания через сравнительно не­ большую индуктивность Ьф. При питании ШИП от низковольтной сети постоянного тока обмотку управления можно включать последо­ вательно в цепь якоря (рис. 5-1, в), используя для смещения рабочей точки сердечника энергию, накопленную в цепи якоря на интервале проводимости тиристора 77.

Установленную мощность ДН можно существенно уменьшить, вынеся егО из состава силовой цепи. Схема такого преобразователя при-

мгновенно до величины тока нагрузки / н , а рабочая точка дросселя смещается в точку а'. При включении вспомогательного тиристора TV образуется цепь С, TV, ТІ, Д1, U, С, силовой тиристор выклю­ чается и начинается процесс перезаряда конденсатора через комму­ тирующий дроссель. Рабочая точка дросселя мгновенно смещается в положение Ь (рис. 5-2), а ток в дросселе возрастает до величины 1С = = Нс д/С р/дар . Конденсатор С начинает разряжаться, а дроссель перемагничиваться по нисходящей ветви цикла перемагничивания прак­

свой знак, и рабочая точка дросселя начинает перемещаться по восхо­ дящей ветви cdea. Конденсатор при этом продолжает разряжаться

почти постоянным током і"с = Нед /с р /да<і'с • Напряжение на кон­ денсаторе к концу процесса перезаряда ( 7 0 2 несколько меньше на­ чального напряжения (У0 1 . Уменьшение энергии в поле конденсатора

В момент насыщения дросселя тиристор TV. запирается и разряд конденсатора прекращается. В квазиустановившемся режиме работы ШИП напряжение на конденсаторе в конце интервала заряда ис [tu\ равно напряжению в начале интервала разряда с70 1 , а рабочая точка сердечника дросселя вновь возвращается в точку а на петле гистере­ зиса (рис. 5-2). Заряд конденсатора по цепи UK, Д2, L2, С происхо­ дит так же, как в ШИП с линейным коммутирующим дросселем.

5-2. Особенности работы ДН с ППГ в коммутирующих

устройствах преобразователей

Сердечники коммутирующих ДН обычно выполняются из листо­ вых или ленточных пермаллоев (50НХС, 50НП, 74НМ9 и др.) или холоднокатаных сталей (Э320, Э380). Коммутационные процессы в ШИП всегда сопряжены с большими скоростями изменения напря­ жений, токов и магнитной индукции, поэтому толщина ленты магнит­ ного материала невелика, Д <; 0,05 0,1 мм.

При расчетах электромагнитных процессов необходимо учитывать динамические характеристики сердечника, которые зависят от свойств магнитного материала и его геометрии. На процесс перемагничивания оказывают влияние вихревые токи, индуктируемые в сердечнике, и магнитная вязкость. Механизм влияния этих факторов на форму гистерезисной петли сердечника достаточно полно освещен в литера­ туре [85, 89]. При толщинах ленты Д > 40 мкм основное влияние оказывают вихревые токи, поэтому в дальнейшем можно пользоваться расчетными соотношениями, полученными при анализе процесса пере­ магничивания без учета эффекта магнитной вязкости [89].

Коммутирующий дроссель ШИП работает в режиме вынужденного намагничивания, так как активное сопротивление цепи разряда кон­ денсатора ничтожно мало, а ток управления I y ^ const. В этом слу­ чае ток рабочей обмотки дросселя, равный току разряда конденсатора, остается постоянным на каждом из интервалов движения рабочей точки сердечника по нисходящей t\ и восходящей tn ветвям гистерезисной петли. Это положение хорошо согласуется с эксперименталь­ ными данными (см. осциллограммы на рис. 5-4). Таким образом, можно считать, что перемагничивание сердечника происходит по пря­ моугольной динамической петле гистерезиса Н — Я с д = const, ко­ эрцитивная сила которой Я с д зависит от характеристик материала

Рис. 5-4

и скорости изменения магнитной индукции (рис. 5-2). При движении рабочей точки по частному гистерезисному циклу динамическая ко­ эрцитивная сила [89]

где Л — толщина ленты сердечника, а — удельная проводимость ма­ териала сердечника, В — текущее значение индукции в сердечнике, В0 — значение индукции в начале процесса перемагничивания, Bs — индукция насыщения, равная для прямоугольной петли остаточной индукции, # „ — пороговое значение напряженности поля (напряжен­ ность поля старта), определяемое точкой пересечения линейного участка кривой Нсд = <р (/) с осью ординат [89]. При перемагничивании сердечника из любого начального состояния (В0) изменение индукции согласно (5-2) определяется уравнением:

где tn — время перемагничивания сердечника по вертикальной ветви петли.

Интегрируя это уравнение, получим закон изменения индукции:

Потери энергии wa могут быть учтены введением в схему замеще­ ния эквивалентного источника AUa, потребляющего ток 1сср~1'у-

При определении эквивалентного на участке перемагничивания сопротивления гъ и падения напряжения А1/а может оказаться целе­ сообразным учет интервалов быстрого изменения тока t[ и t'2 (рис. 5-5), так как благодаря эфбекту вытеснения тока сопротивление обмотки

a) ip

Р и с ' 5-5

на этих интервалах существенно возрастает [см. (2-44)]. Для одно­ слойных распределенных обмоток, какими обычно являются рабочие обмотки ДН, эффект близости может не учитываться и сопротивление обмотки переменному току, изменяющемуся с частотой / [см. (2-45) ] ,

При включении вспомогательного тиристора ШИП и образовании контура разряда конденсатора в течение короткого интервала t[ дви­ жение рабочей точки сердечника происходит по ветви ab петли гисте­