Импульсные преобразователи постоянного тока. Цель лекции:рассмотреть вопросы: назначение и принцип действия; тиристорные ключи постоянного тока

Лекция 24.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и принцип действия; тиристорные ключи постоянного тока.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Импульсный способ регулирования в цепях постоянного тока. В

отличие от цепей переменного тока применение постоянного тока связано с проблемой плавного регулирования напряжения нагрузки. Потребность в регулировании напряжения при питании от сети по­стоянного тока приводит к применению неэкономичных способов, основанных на включении в силовые цепи токоограничивающих ре­зисторов или делителей напряжения.

При электрической тяге и питании коллекторных двигателей от контактной сети постоянного тока на электроподвижном составе при­меняются пусковые резисторы. При пуске и разгоне по мере увеличе­ния частоты вращения и, соответственно, противо-ЭДС двигателей пусковые резисторы, включаемые последовательно в цепь якоря, бла­годаря ступенчатой перегруппировке обеспечивают ограничение среднего значения тока.

Резисторное регулирование приводит при частых пусках к допол­нительным потерям электроэнергии (до 20—-30 % общего потребления энергии на тягу). Регулирование пусковых резисторов сопровождает­ся "всплесками" тока во время переключения ступеней. Для переклю­чения резисторов требуется сложный контактный коммутатор.

Тиристорная техника позволяет применить новый, более эконо­мичный, надежный и эффективный импульсный способ регулирова­ния в цепях постоянного тока. Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой постоянной или изменяемой частотой (рис. 8.1). Автоматическое задание длительности интервала подключения за один цикл позволяет плавно рейдировать среднее значение напряжения, прикладываемого к нагрузке. В цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульса­цией. Это достигается благодаря индуктивности самой нагрузки или включению сглаживающего дросселя и достаточно высокой частоты коммутаций (200—400 Гц).

Среднее значение напряжения нагрузки

(8,1)

где U_п — напряжение источника питания; t_и,Т — соответственно длительность и период повторяемости импульсов; к_з — коэффициент заполнения.

Из соотношения (8.1) следует, что напряжение U_H можно плавно регулировать, если изменять t_и при Т = const или Т при t_и = const, a также в результате одновременного изменения t_и и Т. Этому соответ­ствуют широтный, частотный и комбинированный, а также широтно-частотный способы импульсного регулирования.

Рис. 8.1. Схема импульсного регулирова­ния и временное диаграммы ее работы: СК— схема коммутации; СУ— схема управления

Принцип работы схемы импульсного регулирования. Схема (см. рис. 8.1) состоит из источника постоянного напряжения (на рис. 8.1 не показан), однооперационного тиристора VT, схемы управления тиристором СУ, схемы принудительной коммутации СК для выклю­чения тиристора, диода обратного тока VD₀ для пропуска тока на­грузки во время паузы, цепи нагрузки R, последовательно с которой включен сглаживающий дроссель L. Тиристор VT включается перио­дически от подачи сигнала из схемы управления. На интервале вклю­ченного состояния тиристора ток в цепи ftL-нагрузки апериодически увеличивается. В конце интервала проводимости происходит прину­дительное выключение тиристора с помощью специальной коммута­ционной схемы. Ее назначение заключается в том, чтобы обесточить тиристор на время рассасывания накопленного заряда в его полупро­водниковой структуре. Во время выключенного состояния тиристора в цепи нагрузки ток апериодически снижается. Ток поддерживается благодаря наличию ЭДС самоиндукции дросселя. Контур тока замы­кается через диод VD₀. На этом интервале тиристор принимает на себя напряжение источника питания. В цепи нагрузки протекает пуль­сирующий ток, пульсация которого зависит от индуктивности L и частоты переключения тиристора (f= 1/Т).

Схема может применяться для регулирования среднего значения постоянного напряжения на нагрузке, которое обратно пропорцио­нально скважности кривой тока тиристора.

В силовых схемах переключение тиристоров происходит при мощ­ности примерно сотни киловатт. В них могут использоваться обыч­ные (однооперационные) и запираемые (двухоперационные) тиристо­ры, а также силовые транзисторы. При использовании обычных ти­ристоров широко применяются двухтиристорные схемы коммутации, в которых выключение главного (силового) тиристора осуществляет­ся приложением обратного напряжения или пропусканием импульса обратного тока (рис. 8.2).

Главный тиристор совместно со схемой коммутации представляет собой ключ для бесконтактного замыкания и размыкания цепи посто­янного тока.

Рис. 8.2. Схемы принудительной коммутации тиристора напряжением предваритель­но заряженного конденсатора (а) и с помощью источника тока (б)

В зависимости от схемы коммутационного узла различают тирис-порные ключи постоянного тока, запираемые приложением обратно­го напряжения, и ключи, запираемые импульсом обратного тока.

В тиристорном ключе, запираемом обратным напряжением, в мо­мент t = О (см. рис. 8.2, а) к главному тиристору с помощью вспомо­гательного тиристора подключается предварительно заряженный коммутирующий конденсатор, тиристор оказывается под обратным напряжением и выключается. Такой тип принудительной коммутации получил название жесткой коммутации. В ключе с источником об­ратного тока (см. рис. 8.2, 6) амплитуда импульса должна быть боль­ше тока нагрузки. Тогда диод VD смещается в прямом направлении, и прямое напряжение диода оказывается приложенным к тиристору в обратном направлении. Диод VD должен проводить ток в течение интервала времени t_q выключения тиристора. В данной случае реали­зуется принудительная коммутация, получившая название мягкой ком­мутации.

ТИРИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Тиристорный ключ, запираемый приложением обратного напряже­ния. При включении вспомогательного тиристора VT2 (рис. 8.3) ком­мутирующий конденсатор С_к заряжается от источника питания до некоторого напряжения U_co через цепь RL-нагрузки. В момент t₁ включается главный тиристор VT1. Через него протекает полный ток нагрузки I_н и ток колебательного перезаряда I_с конденсатора С_к, ко­торый замыкается через коммутирующий дроссель L_K и диод VD1. Процесс перезаряда заканчивается в момент t₂- Установившаяся по­лярность напряжения на конденсаторе (знаки в кружках) соответству­ет готовности схемы к коммутации тока главного тиристора. Для запирания главного тиристора в момент t₃ включается вспомогатель­ный тиристор VT2, и к главному тиристору прикладывается в обрат­ном направлении напряжение конденсатора U_c. При этом на нагрузке напряжение и_н скачком увеличивается до значения U_n + U_c. Поскольку предполагается, что ток нагрузки /_н на интервале коммутации остает­ся неизменным, то напряжение на конденсаторе и_с уменьшается ли­нейно. В момент f₄ конденсатор полностью разрядится и на аноде тиристора VT1 вновь нарастает прямое напряжение со скоростью du/dt=i_н/L. Интервал времени t₄ - t₃ = t_П является временем, "предо­ставляемым" коммутационной схемой главному тиристору для вы­ключения. Для надежного запирания тиристора должно быть выпол­нено условие t_q≤t_П

Рис. 8.3. Схема принудительной коммута­ции тирисгорного ключа с помощью пред­варительно заряженного конденсатора и временное диаграммы ее работы

Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора С_к от источника U_n через тиристор VT2. В момент t₅ ток тиристора VT2 уменьшается до нуля, и он запирается. Ток нагрузки замыкается по цепи диода VD_Q.

Тиристорный ключ, запираемый импульсом обратного тока. Схема ключа с мягкой коммутацией (рис. 8.4) отличается от схемы тирис-торного ключа (см. рис. 8.3) наличием обратного диода VD1, шунти­рующего главный тиристор в обратном направлении.

В момент t_x, главный тиристор VT1 включается. Коммутирующий конденсатор С_к к этому моменту заряжен до напряжения U_cQ указан­ной полярности. Напряжение источника прикладывается к нагрузке. Конденсатор С_к перезаряжается на обратную полярность током i_с по цепи главного тиристора VT1, коммутирующего дросселя L_K и диода VD2. В момент t₃ для выключения главного тиристора VT1 включа­ется вспомогательный тиристор VT2. В цепи С_к—L_K—VT2—VT1—С_к возникает колебательный процесс перезаряда конденсатора. Ток i_с в тиристоре VT1 направлен встречно току нагрузки в обратном направ­лении тиристора. Когда мгновенное значение тока i_с равно мгновен­ному току нагрузки, то тиристор обесточен. Дальнейшее увеличение тока i_c при неизменном токе нагрузки i_H приводит к тому, что раз­ность токов i_с- i_h замыкается по диоду VD1 обратного тока. При этом ток нагрузки i_н продолжает замыкаться по цепи от источника питания через конденсатор С_к, дроссель L_K и тиристор VT2. Протекание тока по диоду VD1 в прямом направлении обуславливает приложение к главному тиристору VT1 обратного напряжения, равного прямому напряжению диода. На данном интервале t₃' - t₄ тиристору "предо­ставляются" условия для выключения. Если интервал t₄' – t₃ ≥ t_q, то тиристор запирается. В момент t₄ ток i_с в колебательном контуре равен току нагрузки i_н. Если напряжение на конденсаторе и_с к момен­ту t₄ меньше напряжения источника, то на интервале t₄-1₅ происходит дополнительный заряд конденсатора током i_н. Напряжение при этом изменяется линейно. На интервале t₅ - t₆ ток i_с в колебательном контуре снижается до нуля, обеспечивая дополнительный заряд кон­денсатора. На этом интервале разностный ток i_н - i_с = i_VD0 замыкается через диод VD₀, Далее на интервале непроводящего состояния тирис­тора VT1 ток нагрузки i_H замыкается через диод VD₀

Рис. 8.4. Схема принудительной коммута­ции и тиристорного ключа с помощью источника тока и временные диаграммы ее работы

Дата добавления: 2014-01-07