6.2.2. Последовательная (жесткая) коммутация

На рис.6.3 коммутирующий конденсатор при подаче управляющего импульса на VS2 заряжается от источника и напряжение на нем U(0) становится равным Е с полярностью, указанной в скобках. Запирающие свойства тиристора VS2 восстанавливаются после окончания заряда конденсатора.

При включении силового тиристора VS1 коммутирующий конденсатор, включением тиристора VS3, перезаряжается на противоположную полярность, указанную без скобок. Коммутирующий узел подготовлен к работе. В момент включения тиристора VS2 конденсатор Ск подключается через нулевой вентиль VD0 к тиристору VS1.

Под действием тока конденсатора Ск ток ранее открытого тиристора VS1 быстро

( практически мгновенно) спадает до нуля и к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение U(0). При этом ток Iн активно-индуктивной нагрузки замыкается через открытый нулевой диод VD0.

Рис.6.3. Преобразователь с последовательной (жесткой) коммутацией

С открытием тиристора VS2 создается колебательный контур: E - Lk -Ck -VS2 -E, в котором происходит процесс перезаряда коммутирующего конденсатора. Процесс перезаряда конденсатора начинается от начального напряжения U(0). При этом на силовом тиристоре VS1 с помощью конденсатора поддерживается обратное напряжение Uв, необходимое для восстановления запирающих свойств. Время действия обратного напряжения определяется интервалом, в течение которого изменяющееся в процессе перезаряда напряжение на конденсаторе достигает нулевого значения ( рис. 6.3).

В схеме, на рис. 6.3, элементы КУ включены последовательно с силовым тиристором и нагрузкой, в связи с чем на этапе коммутационного процесса в этих схемах нагрузка оказывается отделенной от источника питания и конденсатора закрытым силовым тиристором VS1 и не получает от них энергии.

Напряжение на нагрузке в этих схемах становится равным нулю с момента отпирания коммутирующего тиристора VS2 [18,19].

6. 3. Импульсный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией

В существующих системах питания с применением полупроводниковых управляемых выпрямителей регулирование выходных параметров - средних значений выпрямленного напряжения и тока осуществляется путем сдвига по фазе управляющих импульсов на управляющие электроды. При возрастании угла управления происходит увеличение угла сдвига между переменным напряжением и током, потребляемым из питающей сети, независимо от характера нагрузки. В результате ухудшается электромагнитная совместимость за счет перетока реактивной мощности между выпрямителем и источником питания переменного тока, что вызывает увеличение колебания напряжения в питающей сети, а следовательно, и на входе преобразователя. Кроме того, с увеличением диапазона регулирования тока, выпрямитель, за счет нелинейности характеристик вентилей, генерирует в питающую сеть высшие гармоники, которые искажают форму потребляемого тока и вредно влияют на другие потребители, снижая энергетические показатели других потребителей и энергосистемы.

Попытки уменьшить величину отклонений выходных параметров преобразователя путем повышения коэффициента усиления регулятора и введения разнообразных обратных связей приводят к увеличению перерегулирований и колебаний в системе. Введение корректирующих обратных связей, применяемых для стабилизации систем, снижает быстродействие и при соответствующих условиях приводит к увеличению статической и динамической ошибок.

Применительно к условиям средней и выше мощностей был предложен другой принцип регулирования выходных параметров – не сдвигом по фазе управляющих импульсов, а частотой и длительностью включения преобразователя при максимальном значении выпрямленного напряжения.

Таким образом, системы с импульсным регулированием работают по принципу «да - нет», в которых автоколебательный процесс является основным рабочим режимом. Большое быстродействие, простота, надежность, низкая стоимость открывает широкие перспективы их использования [64,65,71,72,80 и др.].

Системы прерывистого регулирования были разработаны ранее непрерывных систем. Последние получили в настоящее время в мощных установках большее распространение из-за отсутствия ненадежных быстро изнашивающихся контактных регулирующих устройств. В настоящее время уровень развития полупроводниковой техники на базе мощных полевых силовых транзисторов с запираемым затвором (IGBT) и запираемых тиристоров (GTO и IGCT) позволяет создавать бесконтактные силовые ключи (вместо механических контактных устройств) практически на любые мощности (10 МВА и более в одной единице).

Теории систем прерывистого регулирования посвящено довольно большое число работ. Первые теоретические исследования в этой области принадлежат основателю классической теории автоматического регулирования И.А. Вышнеградскому [82]. Позднее Н. Леоте [84] по существу использовал фазовую плоскость в исследованиях релейного регулятора, Р. Проелль [83] и А. Пфарр [85] применили графо-аналитические методы к исследованию системы с сервомотором постоянной скорости. Исследованию вибрационных регуляторов были посвящены работы В.С. Кулебякина [86,87], Г. Тома [88], К.С. Бобова [89].

Исключительно важную роль для теории нелинейных систем и, в частности, для систем прерывистого регулирования сыграли работы А.А.Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина [90], Н.М.Крылова и Н.Н. Боголюбова [92,92], Л.С. Гольфарба [110], Я.З. Цыпкина [60,64,65].

Импульсные преобразователи постоянного напряжения предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением , мало отличающимся по величине от напряжения источника .

При этом необходимо стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении напряжения источника и тока нагрузки, либо изменять напряжение по определенному закону независимо от напряжения источника .

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью и , а их амплитуда близка к напряжению источника питания . Требуемого качества выходного напряжения с точки зрения пульсаций добиваются также как и в выпрямителях, включением между выходом преобразователя и нагрузкой сглаживающего фильтра.

В основе принципа действия импульсного преобразователя постоянного напряжения лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение напряжения питания к выходной цепи преобразователя. Малое падение напряжения на регулирующем приборе в открытом состоянии и протекающий ток нагрузки в закрытом состоянии ключа через шунтирующий диод обусловливают высокий КПД рассматриваемых преобразователей.

Питающим напряжением импульсных преобразователей постоянного тока могут служить сеть постоянного нерегулируемого тока, а также различные источники – аккумуляторные батареи, топливные элементы, солнечные батареи. Задачу регулирования постоянного напряжения с помощью импульсного преобразователя можно решить и при первичной питающей сети переменного тока. В этом случае на входе импульсного преобразователя включают неуправляемый выпрямитель. Система “неуправляемый выпрямитель – импульсный преобразователь постоянного напряжения” является конкурирующим вариантом управляемого выпрямителя.

Применение схем на базе тиристоров (с искусственной коммутацией), двухоперационных вентилей (GTO, IGCT) и силовых полевых транзисторов (IGBT) позволяет получить бесконтактные регулируемые источники питания с высокими технико-экономическими показателями. Для выключения тиристоров, работающих в цепях постоянного тока, наибольшее распространение получили схемы конденсаторной коммутации [113]. Различные модификации их позволяют получать определенные диапазоны регулирования.

Существенным недостатком существующих схем ШИМ является потеря коммутирующей способности узла искусственной коммутации в режиме короткого замыкания в узле нагрузки, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе, а следовательно, и запасенная энергия будет недостаточной для прерывания этих токов. Ниже дается описание новой схемы, в которой благодаря введению добавочного дросселя удается получить увеличение напряжения на коммутирующем конденсаторе путем дополнительной вольтодобавки его в зависимости от протекающего тока нагрузки через дроссель . При соответствующей индуктивности дополнительного дросселя схема искусственной коммутации будет способна разрывать ток главным вентилем даже в режиме короткого замыкания в цепи нагрузки.