Устройства силовой электроники. Учебное пособие

2.1.3. ИППН с параллельной коммутацией

Схема ИППН с параллельной коммутацией и коммутирующим контуром, подключаемымнаэтапекоммутациипараллельнотиристору, и временные диаграммы, поясняющие его работу, изображены на рис. 37.

Рис. 37. ИППН с параллельной коммутацией

Назначение элементов силовой схемы: VS – силовой тиристор; VSп – тиристор для перезаряда коммутирующего конденсатора; VSк –

тиристор коммутирующей цепи для запирания силового тиристора; Ск, Lк – элементы коммутирующего контура; VD0 – нулевой диод.

Включение схемы. При первом включении ИППН для подготовки схемы к работе на тиристор коммутирующей цепи VSк подается

41

управляющий импульс (УИ). Тиристор VSк открывается, и конденсатор заряжается по цепи +Е – Ск – Lк – VSк – Zн – –Е до напряже-

ния U(0) полярностью, показанной на рис. 37 без скобок.

Работа схемы. В момент времени 1, обозначенный на временны´ х диаграммах, изображенных на рис. 37, отпирается силовой тиристор. В результате в нагрузку прикладывается напряжение питания Е. Одновременно с силовым тиристором управляющий сигнал открывает

тиристор перезаряда VSп, в результате чего конденсатор перезаряжается по цепи Ск – VS – VSп – Lк – Cк. Процесс перезаряда носит

колебательный характер из-за наличия в цепи LC-контура. К моменту времени 2 полярность конденсатора меняется на противоположную

(обозначенную на рис. 37 в скобках). К тиристору перезаряда VSп

прикладывается обратное напряжение, и он закрывается.

Для запирания силового тиристора VS в момент времени 3 на коммутирующий тиристор VSк выдается сигнал управления. В схеме

возникает коммутационный процесс, обусловленный протеканием тока конденсатора через силовой тиристор во встречном направлении и

через диод VD1 в прямом направлении по цепи +C – Lк – VSк –

к-аVS // а-кVD1 – –C. На интервале времени (3, 4) ток силового тиристора VS определяется разностью тока нагрузки Iн и тока конденса-

тора IC . В момент времени 4 ток тиристора становится равным нулю,

и тиристор закрывается падением напряжения на диоде VD1.

На интервале (4, 5) ток, протекающий через диод VD1, определяется разностью тока конденсатора и тока нагрузки. Когда в момент времени 5, ток конденсатора становится равным току нагрузки, диод VD1 закрывается. После этого ток нагрузки протекает через нулевой диод VD0.

На интервале (5, 6) завершается процесс дозаряда конденсатора по цепи: +Е– Ск – Lк – VSк – VD0 – –Е. Токнулевогодиодаопределится

разностью тока нагрузки и тока конденсатора. В момент времени 6 ток конденсатора становится равным нулю, и тиристор VSк закрывается.

Пауза продолжается до подачи управляющего сигнала на силовой тиристор VS в момент времени 7, после чего процесс повторяется.

Протекание тока через диод VD1 увеличивает время положительного импульса на время tс. Это характерно для схем с параллельной

коммутацией.

42

2.1.4. Реверсивный ИППН

Реверсивный ИППН, изображенный на рис. 38, обеспечивает не только регулирование, но и изменение полярности выходного напряжения.

Данный тип преобразователя довольно широко применяется в регулировании скорости и направления вращения двигателей постоянного тока.

Поскольку приэтомвосновномиспользуетсяширотно-импульсный способ регулирования напряжения, то данный тип преобразователя получил название широтно-импульсный преобразователь (ШИП).

Рис. 38. Реверсивный ШИП

Для обеспечения протекания тока в нагрузке в обоих направлениях силовые ключи включены в однофазную мостовую схему. Транзисторы VT1, VT3 обеспечивают протекание тока нагрузки в положительном направлении, а транзисторы VT2, VT4 – в обратном направлении.

Обратные диоды VD1…VD4, включенные встречно-параллельно тиристорам, предназначены для протекания тока активно-индуктивной нагрузки при закрытых транзисторах.

Схему реверсивного ШИП можно реализовать и на тиристорах (рис. 39), что потребует добавления узлов принудительной коммутации, которые были рассмотрены ранее и не показаны на схеме. Это усложняет схемную реализацию как силовой части, так и схемы управления.

Формирование двуполярной импульсной последовательности

Первые три временны´ е диаграммы, изображенные на рис. 39, показывают формирование положительного напряжения в нагрузке при использовании двухполярной импульсной последовательности. Первые

43

две эпюры показывают управляющие сигналы на диагональные пары силовых ключей. На рис. 39, а показан вид выходного напряжения ШИП, когда длительность проводящего состояния тиристоров VS1, VS3

(tи) больше, чем у тиристоров VS2, VS4 (T tи). В результате среднее напряжение в нагрузке имеет положительное значение:

Следовательно,

Uн E(2 1).

Рис. 39. Реверсивный ШИП

При коэффициенте заполнения = 0,5 напряжение на нагрузке равно нулю. Максимальное напряжение в нагрузке, равное ЭДС ис-

точника питания, будет при = 1.

Четвертая временна´я диаграмма, изображенная на рис. 39, показывает формирование двухполярной импульсной последовательности.

44

На ней показан вид выходного напряжения ШИП, когда длительность проводящего состояния тиристоров VS2, VS4 больше, чем у тиристоров VS1, VS3. Управляющие сигналы, подаваемые на тиристоры, в этом случае инверсны изображенным на первых двух диаграммах. В результате среднее напряжение в нагрузке имеет отрицательное значение.

Если считать, что tи – время, в течение которого напряжение приложено через VS1, VS3, а T tи – время, в течение которого про-

водят ключи VS2, VS4, то среднее значение напряжения в нагрузке определится как и в предыдущем случае:

Uн E(2 1).

При коэффициенте заполнения = 0 напряжение на нагрузке будет иметь отрицательный максимум. Напряжение в нагрузке, равное нулю,

будет при = 0,5.

Недостаток формирования выходного напряжения с использованием двухполярной импульсной последовательности – значительные пульсации напряжения и тока в нагрузке, что требует дополнительной установки сглаживающего дросселя, который снижает пульсации тока.

Формирование однополярной импульсной последовательности

Для снижения пульсаций переходят к такому способу управления, когда вместо импульсов противоположной полярности на выходе формируется нулевое напряжение (рис. 39, в). В этом случае выдача управляющих сигналов на одну пару силовых ключей блокируется, например на VT2 и VT4 (см. рис. 38). Сигналы управления выдаются только на другую пару ключей, т. е. на VT1 и VT3.

При формировании импульса в нагрузке открываются оба транзистора, и ток нагрузки протекает по цепи +E – VT1 – Zн – VT3 – –E.

Для формирования паузы один из транзисторов запирают управляющим сигналом. Если запирают ключ VT1, то ток нагрузки протекает по

цепи el – VT3 – VD2 – el , если запирают ключ VT3, то ток нагрузки протекает по цепи el – VD4 – VT1 – el .

Образование очередного импульса выходного напряжения обеспечивается открытием второго ключа. При формировании напряжения другой полярности пара VT1, VT3 блокируется, а работает другая пара транзисторов.

45

2.2.Импульсные преобразователи переменного напряжения

Импульсные преобразователи переменного напряжения осуществляют преобразование переменного напряжения одной амплитуды в переменное напряжение другой. При импульсном преобразовании переменного напряжения практическое применение нашли два способа управления: широтно-импульсный и фазовый.

2.2.1. Однофазный преобразователь переменного напряжения

Простейшая схема однофазного преобразователя переменного напряжения может быть построена с использованием одного симистора либо, как показано на рис. 40, с помощью двух встречно-параллельно включенных однооперационных тиристоров.

Положительную полуволну сетевого напряжения в нагрузку пропускает тиристор VS1, а отрицательную – VS2. При широт- но-импульсном регулировании переменного напряжения оба тиристора (рис. 40) включаются (или выключены) в течение интервала времени

синусоидального напряжения. Коэффициент заполнения определится как отношение времени включения к периоду повторения: tвкл / T.

Мощность, отдаваемая в нагрузку, определится следующим образом:

Рн Рнmax .

При фазовом способе регулирования изменяют фазу управляющих импульсов на силовые ключи относительно точки их естественного включения. На рис. 42 изображено выходное напряжение при актив- но-индуктивном характере нагрузки при фазовом способе регулиро-

46

вания. Тиристоры VS1, VS2 включаются с задержкой на угол отно-

сительно точки перехода синусоиды сетевого напряжения через ноль. Длительность проводящего состояния тиристора зависит от величины

индуктивности и равна .

Рис. 41. ШИР переменного напряжения

Рис. 42. Фазовый способ регулирования

Поскольку индуктивность нагрузки сдвигает фазу тока, то в момент времени θ = π ток нагрузки еще не равен нулю и тиристор VS1 продолжает проводить. Это приводит к появлению в кривой выходного напряжения участков приложения отрицательного напряжения до момента времени . Далее тиристор VS1 запирается, и напряжение в

нагрузке равно нулю.

В момент времени формируется управляющий импульс на

тиристор VS2. Вентиль открывается, и в нагрузку прикладывается отрицательное напряжение сети.

При фазовом способе регулирования возможно использование другого закона отпирания-запирания тиристоров – с использованием их принудительной коммутации. Выходноенапряжениепри двухстороннем фазовом регулировании показано на рис. 43. Тиристоры отпираются с задержкой на угол относительно момента времени θ = 0, а запира-

ются с углом опережения относительно момента времени θ = π.

47

Угол может изменяться в пределах от нуля до π/2. Такой способ

регулирования дает хороший гармонический состав напряжения на нагрузке.

Рис. 43. Двухстороннее фазовое регулирование

2.2.2. Трехфазный преобразователь переменного напряжения

Схема трехфазного преобразователя переменного напряжения показана на рис. 44. Трехфазная нагрузка соединена в звезду. В каждой фазе установлена пара силовых ключей, включенных встреч- но-параллельно.

Рис. 44. Трехфазный преобразователь переменного напряжения

48

Используявкачествесиловыхключейтранзисторыилитиристорыс узлами принудительной коммутации, можно сформировать за период повторенияN импульсоводинаковойдлительности. Нарис. 44 показано напряжениефазыA прирегулированиивыходногонапряжениясN = 12. При изменении длительности импульсов от нуля до π/6 можно регулировать амплитуду основной гармоники напряжения на нагрузке. Напряжения фаз B и C сдвинуты относительно фазы A на 2π/3 и на 4π/3 соответственно.

49