4. Импульсный преобразователь постоянного напряжения

4.1. Преобразователь для регулируемого электропривода

Регулирование среднего значения напряжения на нагрузке путем периодического подключения и отключения источника постоянного напряжения называется импульсным ре­гулированием. В качестве силовых ключей в таких устройствах используются тиристоры. В общем случае устройство импульсного регулирования содержит источник постоянного напряжения, тиристор и нагрузку, включенные последовательно, а также устройство прину­дительного запирания тиристора и схему управления. Среднее значение напряжения на на­грузке определяется соотношением времени включенного и выключенного состояния тиристорного ключа. Поэтому устройство импульсного регулирования называют широтно-им­пульсным преобразованием (ШИП).

Для пояснения принципа работы широтно-импульсного прерывания тока (рис. 4.1) показана простейшая схема подобного устройства, часто называемая статическим ключом постоянного тока. Тиристор VS1 является основным, а VS2 - коммутирующим. Отпирающие импульсы тиристора VS1, вырабатываемые системой управления, следует с постоянным пе­риодом, а фаза отпирающих импульсов на VS2, относительно импульсов на управляющем электроде VS1 может регулироваться.

При отпирании основного тиристора, напряжение источника постоянного напряже­ния (источника питания) прикладывается к нагрузке, а левая обкладка коммутирующего конденсатора С_к оказывается соединенной с минусовым зажимом источника питания. Через резистор R₁ конденсатор заряжается с полярностью напряжения, указанной на схеме. При включении тиристора VS2 заряженный конденсатор подключается между анодом и катодом тиристора VS1 и запирает его, так как полярность напряжения на конденсаторе является об­ратной по отношению к тиристору VS1. После запирания VS1 конденсатор перезаряжается, подготавливая условия для запирания вспомогательного тиристора в момент очередного включения тиристора VS1.

Существует большое число схем силовых ключей постоянного тока, различающие, в основном, схемами коммутации. Для коммутации токов в десятки и сотни ампер применяют транзисторы большой мощности биполярные, полевые и IGBT. Детальный анализ процессов в этих схемах дан в литературе [1]. Ниже приводится описание принципа работы и элемен­тов расчета прерыванием постоянного тока с помощью тиристора для регулирования среднего значения постоянно­го напряжения на индуктивной нагрузке с автотрансформаторной схемой заряда коммути­рующего конденсатора. Принципиальная электрическая схема устройства приведена на рис. 4.2. В качестве нагрузки здесь может быть электродвигатель постоянного тока.

Рис.4.1. Тиристорный ключ постоянного тока: а– схема,б,в– эпюры

Данная схема широтно-импульсного преобразователя (рис. 4.2) применяется для регулирования частоты вращения якоря двигателя постоянного тока и имеет следующие обозначения: VS1 – рабочий тиристор, VS2 – вспомогательный тиристор, VD1 – oбратный диод, проводящий ток индуктивной нагрузки при выключении рабочего тиристора, T – коммутирующий автотрансформатор.

Тиристор VS1 при отпирании питает нагрузку от источника постоянного тока U_d. Ток нагрузки, проходя через часть витков W₁ автотрансформатора T, вызывает появление ЭДС самоиндукции на обмотке W₁+W₂, причем это напряжение, являющееся прямым по отно­шению к диоду VD2, заряжает коммутирующий конденсатор С_к с полярностью, указанной на схеме

. Этот заряд держится до момента подачи отпирающего импульса на вспомогательный тиристор VS2. Тиристор VS2, открываясь, подключает заряженный конденсатор между анодом и катодом рабочего тиристора VS1, в результате последний запирается, отключая напряжение источника питания от нагрузки. Ток индуктивной нагрузки прерваться не может, но начинает протекать через «обратный» диод VD1.

Рис.4.2. Схема широтно-импульсного преобразователя

Существенным достоинством данной схемы является надежность коммутации при включении в работу, так как коммутирующий конденсатор всегда будет заряжаться при отпирании рабочего тиристора и нарастании тока нагрузки через первичную обмотку автотрансформатора. На рис. 4.3 показаны эпюры напряже­ний и токов, поясняющие работу схемы.

Минимальная ширина импульсов напряжения на нагрузке не может быть меньше времени, необходимого для зарядки конденсатора C_к, которое определяется величиной индуктивности обмоток автотрансформатора L₁ и L₂ и емкостью С_к

Частоту повторения циклов работы прерывания, питающего достаточно мощную на­грузку, точно выбирают в пределах 100...400 Гц. При более высоких частотах магнитопроводы электрических машин, являющихся нагрузкой, начинают прерываться из-за растущих по­терь на вихревые токи.

Рекомендуемое оптимальное значение коэффициента трансформации W₁/W₂ равно 1:7, обеспечивает достаточное время восстановления запираю­щих свойств рабочего тиристо­ра VS2 при первых, после первого включения, циклов работы.

При выходном напряжении, равном 80 % от напряжения источника пи­тания U_d, максимальная частота повторения циклов работы устройства равна откуда может быть найдено значение индуктивности(гдеC – в микрофарадах). Отношение чисел витков W₁ и W₂ равно

откуда

,

где L₁ – индуктивность первичной обмотки.

Сечение магнитопровода автотрансформатора может быть определено из следующего приближенного соотношения:

уравнения S_ст = Р/50 или

где S_ст – площадь сечения сердечника, см²; L₂– индуктивность, мкГн.

Число витков W₂₌ 1,1L₂/ S_ст

После определения чисел витков и сечения магнитопровода необходимо проверить вели­чину максимальной индукции в сердечнике автотрансформа­тора

Расчетное значение индукции должно быть меньше индукции насыще­ния используе­мого материала магнитопровода. Максимальное среднее зна­чение тока обратного диода VD1, шунтирующего нагрузку, составляет, ориен­тировочно, четверть максимального значе­ния тока нагрузки.

Среднее значение тока через вспомогательный тиристор VS1, отсе­кающий диод VD2 и вторичную обмотку W₂, определяется выражением:

Действующее значение тока в первичной обмотке W₂ можно принять равным половине максимального тока нагрузки.

Амплитудное значение прямого и обратного напряжения на тиристорах VS1 и VS2, а также обратного напряжения на диоде VD1 и напряжения на коммутирующем конденсаторе С_к определяется следующим выражением:

Амплитудное значение обратного напряжения на отсекающем диоде VD2

Время, предоставляемое рабочему тиристору VS2 для восстановления запирающих свойств,

Это выражение служит для предварительного выбора емкости коммутирующего конденсатора С_к.

Время, предоставляемое для восстановления вспомогательного тиристора VS1