книги / Электроприводы с полупроводниковым управлением. Тиристорные усилители в схемах электропривода
.pdfБИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 117
Б. Н. ИВАНЧУК, Р. А. ЛИПМАН, Б. Я. РУБИНОВ
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
ТИРИСТОРНЫЕ
УСИЛИТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Под редакцией М. Л ЧИЛИКИНА
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Э Н Е Р Г И Я »
МОСКВА 1964 ЛЕНИНГРАД
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
И.В. Антик, А. И. Бертинов, С. Н. Вешеневский, Л. М. Закс,
Н.Е. Кобринский, В. С. Кулебакин, В. С. Малов, В. Э. Низэ,
А.Д. Смирнов, Б. С. Сотсков, А. С. Шаталов
УДК 621.375.4 И 18
В книге рассматриваются схемы усилителей с вы ходом постоянного тока на полупроводниковых управ ляемых вентилях с питанием от однофазных и трех фазных сетей. Дается анализ реверсивных и неревер сивных схем при активно-индуктивной нагрузке и рабо те на противо-э. д. с.
Книга рассчитана на инженеров и техников, .рабо тающих в области автоматизации электропривода.
Иванчук Борис Николаевич, Липман Ройджой Александрович, Рувинов Борис Яковлевич.
Электроприводы с полупроводниковым управлением под редакцией М. Г . Чиликина. Тиристорные усилители постоянного тока.
М.—Л., |
издательство «Энергия», 1964, |
96 |
с. с черт. (Библиотека |
||
|
по автоматике, вып. 117). |
|
|||
|
Тематический пл&н 1964 г., № 249. |
|
|||
Редактор/5. А. |
Липман |
|
Техн. редактор О. П. Печёнкина |
||
Сдано в производство 29/VI 1964 г. |
|
Подписано к печати 9/IX 1964 г. |
|||
Т-12856 |
Бумага 81xl08Vsa |
|
Печ. л. 4,92 |
Уч.-изд. л. 5,85 |
|
Тираж 22 000 экз. |
Цена 29 коп. |
|
Заказ 1397 |
Московская типография № 10 Главполигрдфррома Государственного комитета Совета Министров СССР по печати. Шлюзовая наб., 10.
П Р Е Д И С Л О В И Е
Широкое развитие средств автоматизации, осуществляемое в со ответствии с принятой XXII съездом КПСС Программой партии, определило бурное развитие полупроводниковой техники.
Одним из .новых полупроводниковых приборов, освоенных оте чественной промышленностью в последнее время, является тиристор (полупроводниковый управляемый вентиль).
Тиристор является в настоящее время одним из наиболее эффек тивных элементов в технике усиления и преобразования электри ческих сигналов.
Принцип действия, .основные характеристики, а также парамет ры ряда тиристоров, разработанных отечественной промышленно стью, рассмотрены в одной из книг настоящей серии [Л. б] (см. так же [Л. 4, 9, 13, 14]).
Данная работа посвящена вопросам построения усилителей
мощности на тиристорах с выходом |
постоянного |
тока при пита |
нии от источника переменного тока |
(управляемых |
выпрямителей). |
Применение тиристоров в усилительных схемах указанного типа является наиболее эффективным.
В книге рассматриваются основные варианты схем нереверсив ных управляемых выпрямителей и реверсивные схемы с питанием вы прямленным напряжением и емкостным отключением.
Содержание книги далеко не исчерпывает ее названия и ограни чивается в основном анализом стационарных режимов работы сило вой цепи рассматриваемых усилительных схем. Ввиду ограниченного объема книги вопросы применения тиристорных усилителей в схемах электропривода рассматриваются в подготавливаемой к изданию от дельной брошюре.
Авторы приносят глубокую благодарность проф. М. Г. Чиликину и доц. В. А. Лабунцову, сделавшим ряд ценных замечаний при ознакомлении с рукописью.
Авторы
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие |
|
|
|
Глава первая. Нереверсивные у си л и тел и .............................. |
5 |
||
1. |
Однопульсная (однополупериодная) с х е м а ................... |
5 |
|
2. Двухпульсные (двухполупериодные) дифференциальные |
|
||
|
сх ем ы ........................................................................................ |
|
10 |
3. |
Двухпульсные |
(двухполупериодные) мостовые схемы |
19 |
4. |
Трехпульсные |
(трехфазные однополупериодные) схемы |
21 |
5. |
Шестипульсные (трехфазные двухполупериодные) схемы |
28 |
6.Схемы с управлением на стороне переменного тока . . 31
7.Схемы с питанием тиристоров выпрямленным двух-
|
пульсным напряжением......................................................... |
|
36' |
|||
Глава |
вторая. |
Реверсивные усилители с емкостным |
45 |
|||
отключением............................................................................ |
|
|||||
8. |
Общие зам еч ан и я ................................................................. |
от однофазной сети |
45 |
|||
9. |
Схемы |
с |
двухпульсным питанием |
47 |
||
10. Схема |
с |
двухпульсным питанием от трехфазной сети |
63 |
|||
|
без |
нулевого п р о в о д а ..................................... |
0 (режим прерыви |
|||
|
а) |
Работа схемы при т < т к, С = |
64 |
|||
|
|
стого |
тока) .................................................. |
• . • . . |
|
б) Работа схемы при |
и С ^ С К (режим непре |
67 |
||||
|
рывного т о к а ) |
питанием |
от трехфазной сети |
||||
11. Схема |
с |
двухпульсным |
74 |
||||
|
с нулевым проводом............................................................. |
|
0 |
|
|||
|
а) Работа схемы при т < Ч к, С = |
.............................. |
74 |
||||
12. |
б) Работа схемы при т ^ тк, С ^ |
Ск |
трехфазной...........................сети |
79 |
|||
Схема |
с |
трехпульсным |
питанием |
от |
81 |
||
13. |
Схема с шестипульсным питанием |
от |
трехфазной сети |
86 |
|||
14. |
Сравнительная оценка схем -с питанием выпрямленным |
89 |
|||||
|
напряжением......................................................................... |
|
|
• |
|||
Литература ............................................................................................ |
|
|
|
|
|
94 |
ГЛАВА ПЕРВАЯ
НЕРЕВЕРСИВНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
1. Однопульсная (однополупериодная) схема
Простейшая схема усилителя, состоящая из одного тиристора Г, включенного последовательно с нагрузкой RH, -и источником -пи тания переменного тока е, приведена на рис. 1,а. Открытие тиристо ра осуществляется путем подачи соответствующего сигнала на управляющий электрод в положительный полупериод напряжения питания. Запирание тиристора происходит в течение отрицательного полупериода, когда так, протекающий через тиристор, уменьшается до .величины тока отключения. Регулирование среднего значения тока нагрузки происходит за -счет изменения длительности вклю ченного состояния тиристора, что в свою очередь обеспечивается из менением момента подачи сигнала управления в течение положитель ного полупериода источника питания.
Рассмотрим основные соотношения, характеризующие работу схемы, полагая, что напряжение питания достаточно велико по срав нению с падением напряжения на открытом тиристоре, а таки отклю; чения, а также прямой и обратной утечки тиристора малы по срав нению с максимальной величиной така нагрузки. Ори этом тиристор можно считать «идеальным», т. е. принять, что прямое падение на пряжения, токи прямой и обратной утечки, а также ток отключения равны нулю.
Рассмотрим вначале ра1богу схемы, когда так называемый «об ратный диод» До, показанный на рис. Л,а пунктиром, отсутствует.
Характер изменения переменных |
для |
этого |
случая |
приведен на |
|
рис. 1Д |
|
|
|
|
|
Напряжение питания принято синусоидальным: |
|
||||
е = Ет sin 0, 0 = |
со£, |
w==2rcf, |
|
||
где f — частота источника питания, |
0 — относительное |
время, изме |
|||
ряемое в радианах или электрических градусах. |
|
||||
В момент времени 0 = а за |
счет |
сигнала |
управления вентиль |
открывается и напряжение на нагрузке мн становится равным э. д. с. источника питания. В момент времени 0 = f ток /а, протекающий
через тиристор (равный в дайнам случае току нагрузки /н), обра щается в пуль и тиристор забирается; напряжение т нагрузке ста-
5
новится равным нулю. Запертое состояние тиристора сохраняется до момента подачи сигнала управления в следующем положительном полупериоде.
В дальнейшем величину а будем называть «углом отпирания», величину Р — «углом запирания» и величину Я=р—а — «интерва-
лом проводимости».
Интервал изменения угла от пирания, обеспечивающий макси мально возможный диапазон из менения среднего значения напря жения (тока) нагрузки, будем на зывать «диапазоном управления» и
Рис. 1. а — однопульсная схема; б — временные диаграммы при
отсутствии обратного диода; |
в — то же при наличии обрат |
ного |
диода. |
обозначать а™. В интервале проводимости справедливо уравнение
(1)
решение которого при начальном условии 0 = <х, /н = О дает закон изменения тока нагрузки
где
<о£н
(3)
относительная постоянная времени нагрузки; у * arctg %.
Интегрируя (1) в пределах интервала проводимости, получаем выражение для среднего значения напряжения и тока нагрузки
Р |
|
|
|
UB — /н#н’= |
= ^ г (cos a — cos Р). |
(4) |
|
Угол запирания (3 в функции |
а и т определяется из уравнения |
||
(2) при /н = 0; соответствующее |
семейство кривых |
приведено |
на |
рис. 2. Таким образам, среднее значение напряжения |
(тока) нагруз- |
Рис. 2. Зависимости выходного напряжения £/н (сплош
ные линии) и угла запирания ft (пунктирные линии) в функции угла зажигания а для однопульсной схемы рис. 1 ,а при отсутствии обратного диода для различных значений постоянной времени нагрузки: Т=0(1), т=1(2),
Т«2(3), т=4(4), Т=8(5), Т= 16(6) и X—оо (7).
При наличии обратного диода кривые, помеченные ин дексом 1, справедливы для любого значения х.
ки при данном т однозначно определяется углом отпирания а. Ука
занную |
зависимость £/н=£/н(а) |
'[либо / н=/н(а)] |
'будем в |
дальней |
|
шем называть «характеристикой |
вход — выход». Семейство |
характе |
|||
ристик |
вход — выход рассматриваемой схемы |
для различных |
Т |
||
приведено на рис. 2. |
|
|
|
и, |
|
При |
чисто активной нагрузке (|т=0) угол запирания (3=180° |
||||
следовательно, |
|
|
|
|
|
|
Ун = /„/?„= 1 ^ ( 1 + COS а). |
|
|
(5) |
7
(При изменении угла отпираний от а=1806 (режим холостого хода) до <1= 0 (режим максимальной отдачи) -напряжение (ток) на грузки изменяется от нуля до максимального значения
Ет |
(0) |
^н.макс == /н.максун = “ = 0 ,ЬЕс р. |
С увеличением х угол запирания увеличивается, а среднее зна чение напряжения UH соответственно уменьшается (рис. 2). Когда постоянная времени нагрузки достаточно велика по сравнению с полупериодом частоты питания
|
|
т » *, |
(7) |
то угол |
запирания (приближенно равен р«2л —а. При этом уравне |
||
ние (2) |
принимает вид: |
|
|
|
<ж ^ |
(— cos 0 + cos a). |
(2a) |
Интегрируя (2a) в пределах от а до р = 2л— а, получаем сле дующее приближенное соотношение для характеристики вход — выход:
и и = /в/?и Ет[sin а + (тс — а) cos а]. |
(8) |
В режиме максимальной отдачи (а = 0)
ЕЕ
£/н.макс |
/н.ыакс ^ |
|
(9) |
||
Следовательно, при |
«больших» т (7) |
среднее |
значение напря |
||
жения (рока) нагрузки уменьшается примерно обратно |
пропорцио |
||||
нально индуктивности нагрузки. |
|
|
|
||
Условия работы силовой (анодной) цепи тиристора характери |
|||||
зуются максимальными |
значениями прямого £/пр.макс |
и обратного |
|||
£/обр.макс напряжений |
на |
закрытом |
приборе |
и |
наибольшим |
значением средней рассеиваемой мощности Рр. макс. Указанные ве личины не должны превышать соответствующих допустимых зна
чении £/пр. ДО П » £/обр. Д О П » |
ДОП* |
-При определенных допущениях величина средней за период (рас |
|
сеиваемой мощности может |
быть выражена через среднее значе |
ние анодного тока тиристора / а и коэффициент |
формы этого то |
ка £ф следующим образом: |
|
P ^ / a f / . + ^ r . . |
0 °) |
где t/о» Го — параметры кусочно-линейной аппроксимации прямой вольт-ампер ной характеристики открытого тиристора (U0— поро говое напряжение, г0 — дифференциальное сопротивление прямой вольт-ампер ной характеристики). Для схем, рассматриваемых в на стоящей главе, можно приближенно считать, что наибольшее зна чение рассеиваемой мощности имеет место в режиме максимальной ОТДаЧИ усИЛИТеЛЯ, Т. е. При / а= /а. макс.
8
С целью сравнительной оценки условий работы тиристора в раз личных схемах введем коэффициенты использования прибора по току (ki) и по прямому (ки) и обратному (ко) напряжению, определяемые равенствами:
, |
^н.макс |
, |
^н.макс |
, |
^н.макс |
• |
Ri = |
т |
\ кп — п |
; к0 — ~тт |
|||
|
^а.макс |
|
с/пр<макс |
|
С/0бр.макс |
|
Величины kn, k0, ki, а также коэффициент формы k$ определяют выбор тиристора при заданных значениях выходного напряжения и тока усилителя в режиме максимальной отдачи.
Поскольку независимо от величины т максимальные значения прямого И обратного напряжений равны £/пр.макс = '£/0бр.макс —Ещ, то согласно (|9) коэффициенты использования тиристора по напря жению также уменьшаются с ростом т:
L |
f_ |
^н.макс _ |
^н.макс |
_ 1 |
. |
«н = |
Ко = |
тт |
TJ |
~ |
|
|
|
О'пр.макс |
О'обр.макс |
|
Таким образом,'в тех случаях, когда постоянная времени -нагруз ки относительно велика, применение рассмотренной схемы становится не целесообразным.
Существенное повышение эффективности однопульсной схемы при активно-индуктивной нагрузке достигается за счет подключе
ния параллельно нагрузке обратного диода Д 0 (рис. >1,а). |
|
Диод До «отсекает» отрицательную полуволну напряжения пи |
|
тания (т. е. всегда (3=180°) и |
в результате характеристика -вход — |
выход определяется уравнением |
(5) независимо от величины т. «В те |
чение той части периода, когда управляемый вентиль заперт, ток нагрузки замыкается через диод До. Если прямое падение напряже ния на диоде равно нулю, то ток нагрузки сохраняет непрерывность при любых значениях а<180°, т>0.
В 'режиме максимальной отдачи средние значения напряжения и
тока нагрузки независимо от величины т определяются согласно |
(6), |
||||||||
а среднее значение тока, потребляемого от |
источника |
питания |
/ с, |
||||||
тока, протекающего |
через |
управляемый вентиль / а, а |
также тока, |
||||||
протекающего |
через |
обратный диод |
/ о |
при |
т^> л |
приближенно |
|||
равно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициенты использования по напряжению при наличии об |
|||||||||
ратного диода |
независимо от величины |
z |
становятся равными k0= |
||||||
= kn = 1 /я; |
коэффициент |
использования |
по |
току и |
коэффициент |
||||
формы тока |
ia при z > тс равны: &* = 2, k$ = |
V 2 . |
|
|
|||||
Таким образом, включение обратного диода при т > п приводит |
|||||||||
к увеличению |
выходного |
напряжения |
(тока) |
усилителя и коэффи |
циентов использования по напряжению в z/n раз, а коэффициента использования тиристора по току в 2 раза; выходная мощность уси лителя увеличивается в (х/те)2 раз.
Если выходной величиной считать среднее значение тока на грузки, то передаточная функция рассматриваемой схемы при на личии обратного диода и %> я будет соответствовать инерционному
9
звену первого порядка с постоянной времени, равной постоянной времени нагрузки:
Н7/ N |
ДМ/>) |
1 |
|
k |
’ |
W (P)~ |
Ья(р) |
+рТв |
|||
где |
|
|
|
|
|
, д /я _ |
Em sin a |
e |
|
LH |
|
k==l h ~ |
2nR* |
|
’ |
Tn==R ^ ' |
Если обратный диод отсутствует, то длительность переходного
.процесса при «скачке» сигнала управления не 'превышает периода частоты питания независимо от-величины Гн, т. е. при отсутствии Д0 однопульсную схему 'можно считать практически безынерционной.
Основными недостатками однопульсной схемы являются: за грузка источника питания постоянной составляющей тока, относи тельно низкие значения коэффициентов использования по напряже нию, а также относительно высокий уровень переменной составляю щей выходного напряжения. Указанные недостатки полностью или частично устраняются при переходе к многопульсным схемам вы прямления.
2. Двухпульсные (двухполупериодные) дифференциальные схемы
Наиболее распространенный вариант двухпульсной схемы, со стоящей из двух тиристоров Т\у Т2 и дифференциального трансфор матора (или автотрансформатора) Тр, изображен на рис. 3,а. Им-
Рис. 3. Двухпульсные дифференциальные схемы.
10