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

4. Скорость уменьшения тока в запирающемся тиристоре влияет на начальные распределения зарядов в базах, а следовательно, и на ^вык — г в - С увеличением длительности заднего фронта импульса анодного тока /_ время выключения уменьшается. Наиболее сильная зависимость 4ык = т в о т длительности спада прямого тока наблю­ дается у тиристоров с малым временем жизни дырок xlh в n-базе (ТЧ), что связано с более резким у этих тиристоров убыванием во времени накопленного избыточного заряда.

5. Величина восстанавливающегося прямого напряжения влияет на время выключения только в связи с увеличением скорости измене­ ния du/dt. При малых скоростях нарастания прямого напряжения

6. Зависимость времени выключения от крутизны нарастания по­ вторно прикладываемого напряжения обусловлена протеканием тока смещения через емкость центрального перехода Я 2 тиристора. С уве­ личением du/dt время выключения увеличивается по логарифмиче­ скому закону.

Надежность работы преобразователя в значительной мере опреде­ ляется правильным выбором вспомогательных цепей и элементов, ограничивающих скорости изменения напряжений и токов в приборах {49, 70, 72]. Во многих схемах ШИП с параллельной коммутацией дроссели цепей перезаряда конденсатора Ы и L2 вынесены из силовой цепи. При этом разрядный дроссель Ы ограничивает только ампли­ туду и скорость нарастания обратного тока на интервале запирания тиристора 77, когда включается вспомогательный тиристор 77' (рис. 2-11). Для уменьшения амплитуды и скорости нарастания тока во включающемся тиристоре 77 должен быть установлен дроссель насыщения L H l , который предварительно необходимо размагнитить с помощью дополнительной обмотки, обтекаемой током, или цепи сме­ щения L C M l , r C M l .

Ограничение скорости нарастания прямого напряжения при за­ пирании тиристора в ШИП с вынесенными из силовой цепи коммути­ рующими дросселями осуществляется обычно с помощью демпфирую­ щих резисторно-конденсаторных цепочек гя , Сд или конденсаторно- дйодно-резисторных демпфирующих цепочек, включаемых парал­ лельно прибору (рис. 2-11).

Учитывая рассмотренные свойства тиристоров, можно сформули­ ровать ряд требований, обеспечивающих надежную коммутацию тока, которые должны быть выполнены при проектировании коммутирую­ щих цепей, схемы управления и силовой части щиротно-импульсного преобразователя.

1. Необходимо ограничить возможную скорость нарастания тока в вентиле в соответствии с его динамическими характеристиками, что обычно достигается включением дросселей насыщения или линейных индуктивностей последовательно с тиристором.

2.Схема преобразователя должна обеспечивать необходимое огра­ ничение скорости нарастания прямого напряжения на тиристорах.

3.Должна быть исключена возможность даже кратковременных перенапряжений на тиристорах, превышающих напряжения переклю­ чения при максимальной рабочей температуре структуры и максималь­ ных возможных скоростях изменения анодного напряжения в схеме.

4.Целесообразно запирать силовые тиристоры импульсами об­

ратного напряжения достаточной величины [/о б р = 20-И00 в. При этом следует ограничить амплитуду обратного тока, замыкающегося через тиристор.

5.Цепи управления должны обеспечивать формирование импуль­ сов тока с достаточно высокой крутизной переднего фронта, причем ток управления целесообразно выбирать в 2—4 раза большим, чем минимальный ток, включающий тиристор.

6.Для увеличения допустимых значений duldt и для повыше­ ния помехоустойчивости преобразователя целесообразно предусма­ тривать отрицательные смещения на управляющих электродах тири­ сторов.

7.Принятое при проектировании коммутирующих цепей расчет­

ное время выключения тиристора &з а п тв должно соответствовать ре­ альным условиям запирания, существующим в рассматриваемой схеме

внаиболее тяжелом режиме работы преобразователя, и максимальной возможной температуре структуры.

2-2. Основные схемы, классификация и области применения тиристорних ШИП

Применение тиристоров в импульсных преобразователях постоян­ ного напряжения всегда связано со схемными усложнениями, с огра­ ничением частоты переключения из-за дополнительных коммутацион­ ных потерь мощности. Невозможность запирания тиристоров по цепи управления делает необходимым включение в состав тиристорных ШИП специальных коммутирующих устройств и усложняет законы управления преобразователями. Преимущества тиристорных ШИП

по сравнению с транзисторными заключаются в следующем: 1) более высокая перегрузочная способность, 2) более высокий коэффициент усиления по току и мощности, 3) возможность управления силовой частью в некоторых случаях сравнительно короткими импульсами.

В состав тиристорных ШИП входят: силовая часть, обеспечиваю­ щая прохождение тока нагрузки, коммутирующее устройство, осу­ ществляющее запирание силовых тиристоров, и система управления. Силовая часть тиристорного ШИП обычно аналогична схемам на тран­ зисторах (см. § 1-2). Большая часть современных тиристорных ШИП в нереверсивном варианте строится по простейшей схеме с одним пе­ реключающим тиристором и шунтирующим нагрузку диодом, а в ре­ версивном варианте — по мостовой схеме, содержащей четыре сило­ вых тиристора и шунтирующие их диоды. В некоторых преобразова­ телях предусматривается вспомогательный тиристор, включающий цепь динамического торможения.

Однако важнейшие свойства тиристорных преобразователей (на­ дежность, перегрузочная способность, энергетические и регулировоч­ ные характеристики) в значительной степени определяются типом ком­ мутирующего устройства. К настоящему времени предложено боль­ шое число разнообразных тиристорных ШИП, отличающихся друг от друга схемой коммутирующих цепей. В основу классификации су­ ществующих схем тиристорных ШИП могут быть положены многие признаки, например,

1) принцип регулирования выходного напряжения преобразова­ теля: а) широтно-импульсный, б) частотно-импульсный;

2) способ запирания силовых тиристоров (табл. 2-1): а) коммута­ ция с помощью вспомогательных ключей и источников запирающего

тиристоров, включаемых последовательно или параллельно запирае­ мому тиристору [29, 49, 116].

Область применения ШИП со вспомогательными ключами ограни­ чивается небольшими мощностями (0,1 — 0,3 кет) и низкими часто­ тами коммутации (/ < 300 гц), что в большинстве случаев делает не­ целесообразным их применение в системах электропривода. Поэтому в дальнейшем преобразователи этого типа не рассматриваются. При емкостной коммутации для запирания силового тиристора исполь­ зуется энергия электромагнитного поля предварительно заряженного конденсатора. Коммутирующая э. д. с. в этом случае представляет собой напряжение на конденсаторе.

Различают преобразователи с одноступенчатой и двухступенчатой емкостной коммутацией (табл. 2-1). В преобразователях с односту­ пенчатой емкостной коммутацией для запирания тиристоров исполь­ зуются постоянно включенные колебательные цепи (рис. 2-12, а—г). При включении тиристора ШИП в LC-контуре возникает колебатель­ ный процесс, через некоторое время ток в тиристоре становится рав­ ным нулю и он запирается. Для изменения среднего значения выход­ ного напряжения ШИП с одноступенчатой коммутацией используется

частотно-импульсный способ, что существенно ограничивает регули­ ровочные и энергетические показатели такого рода преобразователей.

В большей части современных тиристорнщх ШИП используется двухступенчатая емкостная коммутация. В этом случае коммутирую­ щие цепи присоединяются к силовой части преобразователя с помощью вспомогательных тиристоров в определенные моменты времени и ток силового тиристора на короткое время переводится на вспомогатель­ ный тиристор. В ШИП с двухступенчатой емкостной коммутацией возможно использование как широтно-импульсного, так и частотноимпульсного способов регулирования выходного напряжения. Эти

Рис. 2-12

схемы наиболее перспективны для применения в регулируемых элек­ троприводах. В большей части схем тиристорных ШИП с двухступен­ чатой емкостной коммутацией форма выходного напряжения отли­ чается от прямоугольных импульсов с относительной продолжитель­ ностью у = t J T (рис. 2-13, б), присущих транзисторным преобразо­ вателям.

Основные отличия могут заключаться в некоторой задержке на­ растания напряжения на нагрузке (tK0), обусловленной коммутацией тока нагрузки с шунтирующего нагрузку диода на силовой тиристор при его включении, и в продолжении действия импульса напряжения на нагрузке в течение времени tc после запирания силового тиристора (рис. 3-13, б—ж). Это обусловлено влиянием электромагнитных про­ цессов в коммутирующих цепях при включении контура конденса­ тора на процессы в цепи нагрузки преобразователя. Степень этого влияния и связанная с ней форма импульсов выходного напряжения обусловливают вид внешних характеристик тиристорного ШИП

^н. ср = ^н. С р / ^ = f (1а) П Р И У= const. Если для транзисторных ШИП серия внешних характеристик для различных значений у пред-

разователя «7„.с р пропорциональна относительной продолжительно­ сти 7 включения тиристора 77. Дополнительная энергия может быть характеризована составляющей среднего выходного напряжения, не зависящей от сигнала на входе преобразователя, т. е. от величины у . Нерегулируемая составляющая среднего выходного напряжения ШИП, выраженная в относительных единицах,

А 1 7 в 0 = ия. ер-v - f (/а)=f (/я//к. ,)•

Форма характеристики нерегулируемой составляющей выходного на­ пряжения А£Ун 0 = / (/н ) (рис. 2-14, б), зависящая от характера про­ текания коммутационных электромагнитных процессов, существенно

Рис. 2-14

влияет на регулировочные свойства преобразователя. На характер коммутационных процессов оказывает влияние ряд факторов, которые положены в основу классификации тиристорных ШИП с емкостной коммутацией (см. табл. 2-1): 1) состав элементов в коммутирующих цепях, 2) способ включения коммутирующей э. д. с , 3) структура це­ пей перезаряда конденсатора.

Взависимости от состава элементов в цепях коммутации можно разделить преобразователи на: а) ШИП с резисторно-конденсаторным коммутирующим устройством, б) ШИП с конденсаторным коммутирую­ щим устройством, заряжаемым током нагрузки, в) ШИП с дроссельноили трансформаторно-конденсаторным коммутирующим устройством.

ВШИП с гасящим RC-устройством конденсатор заряжается че­ рез активное сопротивление, что существенно ухудшает энергетиче­ ские показатели и возможный диапазон рабочих частот преобразова­

теля [21, 49, ПО]. Поэтому схемы этого типа обычно не используются в силовых преобразователях систем электроприводов.

Ограниченное применение в системах электропривода получили «ШИП с конденсаторным коммутирующим устройством, заряжаемым током нагрузки (рис. 2-15) [108]. Коммутирующий конденсатор С

более близки к транзисторным схемам 11, 21, 31, 32, 42]. Преобразо­ ватели этого типа (рис. 2-18, а, б) имеют коммутирующий дроссель L1 или трансформатор в силовой цепи. В момент гашения силового тиристора 77 включается вспомогательный тиристор TV. Предвари­ тельно заряженный до напряжения Uco > U по цепи UK, С, L2, Д2 (Т2) конденсатор включается последовательно с тиристором 77, об-

+1 . " Ф "

U -И—<S<

Рис. 2-16

разуя контур, по' которому кратковременно замыкается обратный ток силового тиристора, U, ДІ, ТІ, ТІ', С (рис. 2-17, а). После запирания тиристора 77 нагрузка отключена от источника питания U и от эле-

в момент коммутации. Поэтому максимальные напряжения на кон­ денсаторе в ШИП с последовательной коммутацией увеличиваются с ростом тока нагрузки. Этот эффект накопления энергии в элементах коммутирующих цепей обусловливает хорошую статическую и дина­ мическую перегрузочную способность преобразователей с последова­ тельной коммутацией. ШИП этого типа могут устойчиво работать при

любом значении и направлении тока нагрузки, обеспечивая работу машины в двигательном и генераторном режимах. Их применение весьма перспективно для создания реверсивных приводов и широкорегулируемых нереверсивных систем, а также приводов с резко из­ меняющейся нагрузкой.

Структура коммутирующих цепей тиристорных преобразователей с емкостной коммутацией может быть характеризована несколькими признаками.

и

-U9

Рис. 2-18

Б зависимости от состава цепи заряда (или разряда) конденсатора различают (табл. 2-1): а) ШИП с зависимым контуром заряда, в ко­ торых контур заряда образуется при включении силового тиристора 77 (рис. 2-18, а, б и 2-19, а, б); б) ШИП с независимым контуром за­ ряда, в которых контур заряда образуется при включении дополни­ тельного тиристора Т2 (рис. 2-18, в, г я 2-19, в, г).

Способ включения дросселей, участвующих в процессах переза­ ряда конденсатора, оказывает влияние на эффект накопления энергии в элементах коммутирующего устройства и связанную с ним перегру­ зочную способность схемы. В зависимости от способа включения дрос­ селей можно выделить схемы с дросселем, участвующим только в про-