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

цессе заряда (или разряда) конденсатора (рис. 2-18, а—г) и схемы с дросселем или дросселями в цепях заряда и разряда конденсатора (рис. 2-19, а—е).

В ШИП, где дроссель включен лишь в цепь заряда, энергия, сооб­ щенная дополнительно конденсатору на интервале заряда, отдается нагрузке на интервале разряда, и эффект роста предельных напряже-

а)

1 ТУ А 3 1

їй ТҐ

Д2(Т2>

в) . і — М - 1

г/'

Рис. 2-19

ний на конденсаторе с током нагрузки (эффект накопления энергии) в них отсутствует. В ШИП, где дроссели участвуют в процессах за­ ряда и разряда конденсатора, может возникнуть эффект накопления энергии в поле конденсатора.

ШИП с последовательной емкостной коммутацией, как правило,

Основные схемы тиристорных ШИП с параллельной емкостной коммутацией, изображенные на рис. 2-18, а, б, соответствуют спосо­ бам введения коммутирующей э. д. с , представленным на рис. 2-16, а, б [21, 49, 91, ПО, 115, 122]. Это схемы с зависимым контуром заряда конденсатора.

. В ШИП рис. 2-18, а конденсатор предварительно заряжается по цепи нагрузки через включенный тиристор TV до напряжения ис та U. При отпирании силового тиристора Т1 образуется колеба­ тельный контур перезаряда конденсатора ТІ, Д2, Ы, С и напряжениена нем принимает полярность, указанную на рис. 2-18, а. Ддя запи­ рания силового тиристора включается вспомогательный тиристор 7 7 ' . После запирания тиристора Т1 конденсатор вновь перезаряжается по цепи нагрузки до тех пор, пока напряжение на нем не станет рав­ ным U. В тиристорном ШИП рис. 2-18, б колебательный контур за­ ряда конденсатора U, TJ, Д2, Ы, С образуется при включении сило­

рис. 2-14, а, а характеристика нерегулируемой составляющей выход­ ного напряжения — кривой / на рис. 2-14, б. Таким образом, для этой группы схем должна быть ограничена как минимальная, так и макси­

некоторого минимального значения, достаточного для полного разряда (или перезаряда) конденсатора за время (1 —у) Т. Все это сущест­ венно ограничивает диапазон регулирования выходного напряжения и тока и не позволяет выбрать достаточно высокую частоту коммута­ ции.

(рис. 2-18, в, г), минимальная относительная продолжительность вклю­ чения Т1 может быть равна нулю и 0 > у > Умакс [50> '771. Это не­ сколько расширяет диапазон регулирования в схемах с независимым контуром заряда.

В схемах рис. 2-18, а—г дроссель Ы вынесен из силовой цепи и входит лишь в состав контура заряда конденсатора. Поэтому напря­ жение на конденсаторе в нормальном режиме работы не зависит от величины тока нагрузки преобразователя. Кроме того, в этом случае не ограничивается скорость изменения тока в тиристорах и диодах при коммутациях в схеме. Для повышения надежности коммутации последовательно с силовым тиристором должен быть включен неболь­ шой дроссель насыщения, задерживающий нарастание прямого и об­ ратного тока в нем (см. § 2-1). Включив дроссель Ы последовательно с конденсатором, можно получить группу схем тиристорных преобра­ зователей с параллельной емкостной коммутацией, в которой будет ограничена скорость нарастания обратного тока в запирающемся си­ ловом тиристоре и уменьшены потери в тиристоре при его выключе­ нии (рис. 2-19, а—е). Схемы ШИП (рис. 2-19, а, б) аналогичны основ­ ным схемам с параллельной коммутацией (рис. 2-18, с, б). Это преоб­ разователи с зависимым контуром заряда 7 7 , Д2 {Т2), L 1 , С или U,

77, Д2 (Т2), Ы, С, в которых диод Д2 обычно заменяется тиристором Т2 [12, 49, 65, 66].

ШИП (рис. 2-19, в, г), аналогичные схемы рис. 2-18, в, г, представ­ ляют собой преобразователи с независимым контуром заряда конден­ сатора Т2, Ы, С или U, Т2, L1, С [21, 66]. Вспомогательный гасящий тиристор TV в схемах рис. 2-19, в, г может быть заменен диодом Д2, как это показано на рис. 2-19, д, е. Запирание силового тиристора при этом происходит во второй интервал колебательного перезаряда конденсатора, начинающегося при включении вспомогательного ти­ ристора Т2. После запирания силового тиристора перезаряд конден­ сатора в схемах с последовательным LC-контуром продолжается по

Рис. 2-20

цепи, в которую входит коммутирующий дроссель и нагрузка (U, С, L1, 77', Н или С, L I , TV, Н, рис. 2-19, а, б). Таким образом, дроссель оказывает влияние и на процесс разряда конденсатора по цепи на­ грузки что приводит к эффекту накопления энергии в поле конденса­ тора с ростом тока нагрузки и несколько повышает статическую пере­ грузочную способность схем (рис. 2-19, а—е).

Внешние характеристики ШИП с последовательным LC-коммути- рующим контуром (рис. 2-19, а—ё) и характеристики нерегулируемой составляющей выходного напряжения аналогичны соответствующим характеристикам для основных ШИП с параллельной коммутацией (рис. 2-14, а, кривая / на рис. 2-14, б).

Существуют тиристорные преобразователи с параллельной комму­ тацией, в которых дроссель включен в силовую цепь и влияет на эледтромагнитные процессы в схеме на рабочих и коммутационных интер­ валах [66, 71 ] .

Такие схемы позволяют ограничить скорости нарастания токов в тиристорах и диодах при переключениях приборов. При этом спе­ циальные дроссели насыщения не устанавливаются.

Силовой коммутирующий дроссель L в ШИП с параллельной ком­ мутацией может быть включен таким образом, что он не входит в со­ став коммутирующей цепи на интервале разряда конденсатора при запертом тиристоре 77 (контур U, С, Д2, Н на рис. 2-20, а или С, Д2, Н на рис. 2-20, б). В этом случае эффект накопления энергии в кон­ денсаторе с ростом тока нагрузки отсутствует. Максимальные напря­ жения на конденсаторе в этой группе схем такие же, как в схемах с па­ раллельной коммутацией (рис. 2-18, а—в). Скорость нарастания и уменьшения тока в вентилях схемы при коммутациях здесь ограни­ чивается индуктивностью дросселя L . Форма импульсов выходного напряжения в схемах рис. 2-20 с силовыми коммутирующими дроссе­ лями существенно отличается от прямоугольной (рис. 2-13, ж). Пере­ грузочная способность по току и жесткость внешних характеристик

а) Д2(ТЗ)

г — І

и

Рис. 2-21

для таких схем ШИП невелика. Для всех схем ШИП с дросселями в силовой цепи характерно то, что напряжение к нагрузке приклады­ вается не сразу после включения тиристора 77, а с некоторой задерж­ кой tK0, обусловленной процессом коммутации тока с шунтирующего диода Д1 на силовой тиристор (рис. 2-13, ж).

Второй вариант включения силового дросселя L2 между коммути­ рующим устройством и нагрузкой использован в схемах ШИП на рис. 2-21, а, б [71 ]. Контур колебательного заряда конденсатора здесь образуется с помощью вспомогательного дросселя Ы. Оба ШИП (рис. 2-22, а и б) относятся к группе схем с параллельной коммута­ цией и зависимым контуром заряда конденсатора. Силовой дроссель L2 ограничивает скорость нарастания тока в отпирающемся тиристоре 77 и в диоде Д1. При включении гасящего тиристора 77' индуктив­ ность L2 замедляет процесс коммутации тока нагрузки с тиристора 77 на шунтирующий диод, заставляя конденсатор разряжаться до «более отрицательного» напряжения. Это приводит к увеличению напряже­ ния на конденсаторе с ростом нагрузки. Эффект накопления энергии в коммутирующем устройстве повышает перегрузочную способность схемы и позволяет уменьшить емкость конденсатора. Однако при этом возрастает расчетное напряжение и установленная мощность конден­ сатора.

Как указывалось выше, общим недостатком всех схем с параллель­ ной емкостной коммутацией является значительное отличие формы

выходных импульсов напряжения от прямоугольной (рис. 2-13, в, ж), небольшой диапазон регулирования, малая жесткость и нелинейность внешних характеристик и сравнительно низкая возможная частота коммутации. Эти недостатки могут быть ослаблены при ускорении процесса перезаряда конденсатора с помощью дополнительной цепи, включающейся при запирании силового тиристора.

Контур, ускоряющий процесс перезаряда конденсатора, может быть образован следующими схемными изменениями: а) шунтирова­ нием силового тиристора обратным диодом ДЗ (штриховая линия на рис. 2-19); б) шунтированием силового тиристора последовательно соединенными диодом ДЗ или тиристором Т2 и дросселем L2 (штрихо­ вая линия на рис. 2-15, 2-18, а-^-г); в) шунтированием силового тири­ стора и силового коммутирующего дросселя обратным диодом Д2 или тиристором ТЗ (штриховая линия на рис. 2-21).

В схемах, где ускоряющий контур образуется шунтированием си­ лового тиристора диодом Д2 (рис. 2-19), форма импульсов выходного напряжения близка к прямоугольной (рис. 2-13, д). Однако продол­ жительность действия импульса напряжения на нагрузке увеличи­ вается на время разряда конденсатора tc. Доля энергии, сообщаемая приемнику конденсатором в интервал разряда tc, в этом случае умень­ шается, а жесткость внешних характеристик преобразователя увели­ чивается (кривая 4 на рис. 2-14, б). Это приводит к расширению диа­ пазона регулирования выходного напряжения и к расширению ра­ бочей области токов нагрузки преобразователя. Однако шунтирова­ ние тиристора ТІ диодом Д2 изменяет условия его запирания (см. § 2-1). Существенно возрастает время восстановления тиристора, что приводит к увеличению емкости коммутирующего конденсатора.

При втором способе образования контура, ускоряющего разряд конденсатора [12, 117, 124], силовой тиристор ШИП шунтируется обратным диодом ДЗ и дросселем небольшой индуктивности L2 (рис. 2-15, 2-18, а—г). В этих схемах включение гасящего тиристора 77' приводит к образованию контура разряда конденсатора через нагрузку Я и колебательного контура С, 77', L2, ДЗ (Т2) или С, 77', L2, ДЗ (Т2), U. При малых токах нагрузки ускоряющий контур весьма эффективно воздействует на процесс разряда конденсатора, существенно уменьшая нерегулируемую составляющую выходного напряжения (кривая 4 на рис. 2-14, б). Выходное напряжение в этом случае имеет положительный выброс, однако длительность его го­ раздо меньше, чем в ШИП без ускоряющего контура (рис. 2-13, г). Жесткость внешних характеристик и диапазон регулирования напря­ жения в области малых токов нагрузки существенно возрастают. Для увеличения времени действия обратного напряжения на запираю­ щемся тиристоре иногда заменяют обратный диод ДЗ тиристором,Т2, включающие импульсы на который иу2 подаются с некоторой задерж­ кой 4ад относительно импульсов управления, подаваемых на тири­ стор 77' (рис. 2-13, а). С увеличением времени задержки £,а д жест­ кость внешних характеристик несколько уменьшается (кривая 2 на

характеристика нерегулируемой составляющей напряжения на этом участке совпадает с кривой / на рис. 2-14, б. Недостаток схем, изобра­ женных на рис. 2-18, а—г, заключается в том, что дроссели Ы и L2 не ограничивают скорости изменения тока в силовом тиристоре при его включении и выключении.

В некоторых схемах ускоряющий контур образуется с помощью диода Д2 (или тиристора ТЗ), шунтирующего тиристор 77 и силовой дроссель L2 (рис. 2-21, а, б) [12, 71]. Этой группе ШИП свойствен эффект накопления энергии в поле конденсатора с ростом тока на­ грузки. Импульсы выходного напряжения при наличии обратного диода Д2 имеют почти прямоугольную форму с амплитудой Uco = U, а длительность их увеличена по сравнению с уТ на интервал переза­ ряда конденсатора tc. Если диоды Д2 заменить тиристорами ТЗ, от­ пираемыми с некоторой задержкой t3&R относительно моментов вклю­ чения гасящих тиристоров 77', то в кривой выходного напряжения появляются кратковременные выбросы (рис. 2-13, ё). При больших временах задержки тиристор ТЗ может не включиться, тогда ускоряю­ щий контур в схеме не образуется.

Внешние характеристики таких ШИП состоят из двух участков, соответствующих в области малых токов режиму работы с ускоренным разрядом конденсатора (кривая 3, рис. 2-14, б), а в области больших токов / н — режиму без образования ускоряющего контура (кривая /, рис. 2-14, б). При малых добротностях контура, ускоряющего разряд, эффективность его действия уменьшается и наблюдается резкое умень­ шение жесткости внешних характеристик в области малых токов (кри­ вая 2 на рис. 2-14, б). Заметим, что в схемах с ускоренным разрядом конденсатора время действия обратного напряжения на запирающемся тиристоре всегда меньше, чем в ШИП без ускоряющего разряд кон­ тура. Поэтому время задержки включения шунтирующего тиристора 4 а д целесообразно выбрать таким, чтобы ускоряющий контур пере­ ставал включаться при максимальном токе нагрузки.

Дополнение схем ШИП с параллельной коммутацией ускоряющими контурами разряда несколько улучшает регулировочные свойства схем. Однако во всех схемах с параллельной коммутацией не может быть обеспечено плавное регулирование тока или напряжения на на­ грузке от нулевого значения. Нерегулируемая составляющая выход­ ного напряжения и минимальный допустимый ток нагрузки в них всегда больше нуля.

Диапазон регулирования среднего выходного напряжения в пре­ образователях с параллельной коммутацией ограничен снизу и сверху и существенно зависит от выбранной частоты коммутации. Создание на базе ШИП с параллельной коммутацией реверсивных систем элек­ тропривода весьма затруднительно из-за сложности логической части схемы, управляющей силовыми тиристорами, и ограничений по у . ШИП этого типа можно рекомендовать для нереверсивных электропри­ водов с ограниченными пределами изменения тока нагрузки и небольшим диапазоном регулирования скорости вращения.

2-3. Расчет конструктивных параметров линейных коммутирующих дросселей

Весовые и габаритные показатели систем электропривода «тири­ сторний преобразователь — двигатель» в значительной степени оп­ ределяются правильностью выбора параметров коммутирующих дрос­ селей или трансформаторов, которые подвергаются воздействию им­ пульсных напряжений достаточно большой частоты и скважности. Часто форма импульсов напряжений близка к полуволне косинусоиды, а намагничивающего тока — синусоиды (рис. 2-22, а). Сердечники

Ш В

8)

т1

коммутирующих трансформаторов работают в условиях подмагничивания постоянной составляющей н. с , и их перемагничивание про­ исходит по достаточно узкому частному гистерезисному циклу (рис. 2-22, б). Поэтому магнитопровод трансформатора или дросселя выполняется с воздушным зазором из листовой или ленточной электро­ технической холоднокатаной стали (Э310, Э340, Э350 и т. п.). Комму­ тирующие дроссели могут выполняться также на тороидальных, П- или Ш-образных сердечниках (без воздушного зазора) из ферритов, карбонального железа и других магнитодиэлектриков. Исследование циклов перемагничивания показало, что при проектировании комму­ тирующих трансформаторов эквивалентная магнитная проницаемость их магнитопроводов может считаться величиной постоянной, LI3 K B ж tga (рис. 2-22, б).

Вопросам расчета дросселей и трансформаторов в радиоэлектрон­ ной аппаратуре посвящен ряд исследований [8, 9, 14, 15, 24, 44, 74, 103]. Однако специфичные условия работы коммутирующих трансфор­ маторов и дросселей в тиристорных ШИП, позволяющие рассматри­ вать их как линейные элементы, делают целесообразным разработку специальной (упрощенной) методики расчета и выбора основных кон­ структивных параметров магнитопровода и обмоток [79].

Исходными данными для проектирования коммутирующих дрос­ селей (трансформаторов), которые могут быть получены в результате расчета электромагнитных процессов в силовой и коммутирующих цепях преобразователя, являются: индуктивность дросселя L , максимальные и эффективные значения токов в первичной и вторич­

рующего контура со0. Кроме того, должен быть задан максимальный допустимый перегрев обмотки дросселя.

Для линейного дросселя, кривая намагничивания которого изо­

щадь поперечного сечения стали и средняя длина линии напряжен­ ности магнитного поля; w — число витков обмотки дросселя.

ент амплитуды, равный отношению максимального тока в первичной обмотке / м к суммарному, приведенному к числу витков wlt эффектив­

ному значению тока во всех п обмотках дросселя; / — плотность тока. Необходимое для размещения обмоток сечение окна магнитопро-

Можно представить зависимость объема активных материалов