6. Узлы коммутации однооперационных тиристоров

Различают узлы параллельной и последовательной коммутации. В обоих случаях для выключения тиристора к нему прикладывают обратное напряжение, под действием которого прекращается анодный ток тиристора и восстанавливаются его запирающие свойства. Источником коммутирующего напряжения обычно является конденсатор, предварительно заряженный с нужной полярностью.

При параллельной коммутации конденсатор через замыкающий ключ подключается либо параллельно силовому тиристору (рис.6.1, а), либо параллельно нагрузке (рис. 6.1,б). При подключении конденсатора

Рис. 6.1. Основные способы подключения коммутирующего конденсатора к тиристору

параллельно тиристору напряжение на тиристоре во время коммутации , а напряжение на нагрузке и_а=Е+и_с. При подключении конденсатора параллельно нагрузке анодное напряжение тиристора , а напряжение на нагрузке . В обоих случаях напряжение на нагрузке зависит от напряжения на конденсаторе, которое будет изменяться в зависимости от тока нагрузки.

При последовательной коммутации напряжение коммутирующего конденсатора вводится в цепь последовательно с тиристором, например, если конденсатор включается параллельно дросселю (рис. 6.1, в). Тиристор на интервале коммутации оказывается под обратным напряжением , а напряжение на нагрузке . Контур перезарядка конденсатора не включает нагрузку, поэтому напряжение на нагрузке при последовательной коммутации не зависит от процессов на интервале коммутации, т. е. от условий перезаряда конденсатора.

На рис, 6.2, а приведена схема простейшего тиристорного импульсного преобразователя постоянного напряжения с узлом параллельной коммутации, в котором коммутирующий конденсатор С_к подключается параллельно нагрузке. В коммутирующий узел силового тиристора входит конденсатор С_к, коммутирующий тиристор и цепь для колебательного заряда конденсатора, состоящая из дросселя и диода V. Нужные для коммутации вентиля полярность и величина напряжения на конденсаторе С получаются после включения при тиристора V_c, когда по контуру V_c-V-L_K- С_к происходит заряд конденсатора С_к до напряжения (рис. 6.2). При этом к нагрузке прикладывается напряжение . Кроме тока нагрузки , через тиристор при его включении протекает ток заряда конденсатора (рис. 6.2, а), по форме близкий к полуволне синусоиды (заряд конденсатора имеет колебательный характер): Для выключения тиристора V_c подаем в момент импульс управления на тиристор . При его включении напряжение на нагрузке становится равным напряжению заряженного конденсатора С_к , а к тиристору V_c прикладывается обратное напряжение, равное .

Рис. 6.2. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора при линейном перезаряде конденсатора

Ток через тиристор V_a прекращается, а ток нагрузки замыкается по цепи . Конденсатор перезаряжается током нагрузки, а так как этот ток из-за большой индуктивности хорошо сглажен, то напряжение на конденсаторе и_с и тиристоре изменяется по линейному закону. Тиристор V₀ за время существования обратного напряжения восстанавливает свои запирающие свойства.

После окончания разряда конденсатора при ток становится равным нулю, а ток нагрузки замыкается через шунтирующий диод V₀. Схема готова к формированию следующего импульса напряжения на нагрузке, В момент t₄ поступает импульс управления на тиристор Vc, опять отпирается V₀ и процессы в схеме повторяются.

За длительность импульса на нагрузке принимают время между управляющими импульсами, подаваемыми на силовой тиристор и коммутирующий тиристор (t₂) (рис. 6.2, б). Этот интервал соответствует длительности открытого состояния ключа, т.е. тиристора V_c. Обратное напряжение на тиристоре V_c поддерживается в течение интервала когда конденсатор С разряжается током нагрузки от Uco до Е. Имеем

Или

,

где в зависимости от потерь в зарядном контуре V₀-V-Lk-Ck. За это время t_B тиристор V_c должен восстановить свои управляющие свойства.

На рис. 6.3, а приведена более совершенная практическая схема импульсного преобразователя постоянного напряжения, в которой при коммутации конденсатор подключается параллельно силовому тиристору V_c. В узел коммутации входят коммутирующий конденсатор С_к, коммутирующий тиристор V_K и цепь для колебательного перезаряда конденсатора L_K, VI.

При подаче ЭДС Е конденсатор С_к через V1, L_K и нагрузочную цепь L_KR_н заряжается до напряжения и_с=Е с указанной без скобок полярностью. При на управляющий электрод тиристора V₀ поступает импульс управления . Тиристор V_c отпирается, и напряжение на нагрузке (верхняя диаграмма рис. 6.3., б) .

Для запирания V_c на управляющий электрод V_K в момент t₂ подается импульс управления i_y._K. Тиристор V_к отпирается, и конденсатор но контуру C_k,-V_c-L_k-V_k. перезаряжается до напряжения, близкого по величине Е, но с обратной полярностью (знаки в скобках). Процесс носит колебательный характер, а ток конденсатора имеет форму полуволны синусоиды с длительностью полупериода .

После перезаряда конденсатора Vc при оказывается под обратным напряжением, в результате чего прямой ток через него прекращается. Конденсатор перезаряжается постоянным током нагрузки, и напряжение на нем линейно убывает. При конденсатор разрядился до нуля. Интервал равен времени приложения к силовому

Рис. 6.3. Схема и временные диаграммы токов и напряжений узла принудительной коммутации тиристора с колебательным перезарядом конденсатора

тиристору обратного напряжения, т. е. это время выключения, предоставляемое тиристору Vс для восстановления управляющих свойств. При конденсатор вновь заряжается до исходного напряжения, равного Е, а напряжение на нагрузке становится равным нулю.

На интервале ток нагрузки протекает через диод V0, а выходное напряжение . Изменяя время задержки импульса управления на коммутирующий тиристор , можно изменять скважность выходного напряжения и его среднее и действующее значения.

Найдем схемное время выключения . Обозначаем начальное напряжение на конденсаторе через , где k₃ —коэффициент заряда конденсатора , и считаем ток нагрузки, которым перезаряжается конденсатор, постоянным:

или ,

откуда

.

При изменении тока нагрузки изменяется, скорость перезаряда конденсатора и поэтому изменяется форма и среднее значение выходного напряжения и_к.

Для уменьшения влияния тока нагрузки на выходное напряжение, т.е. для стабилизации внешней характеристики и времени, предоставляемого для запирания тиристоров, силовой тиристор V₀ шунтируют диодом V2. При этом перезаряд конденсатора на, интервале носит колебательный характер. Ток ic представляет половину синусоиды той же частоты, что и при заряде конденсатора, и протекает по контуру С_к—VI—L_н—V2. Теперь время запирания примерно равно полупериоду собственной частоты контура , а форма выходного напряжения преобразователя приближается к прямоугольной,

7. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Автономные вентильные преобразователи не связаны с мощной электрической сетью переменного тока; в качестве источника энергии автономные преобразователи используют источники постоянного тока. Таким источником может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на автономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока.

Основными типами автономных преобразователей являются импульсные преобразователи постоянного напряжения, у которых на входе и выходе постоянное напряжение, и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный.

При питании от источников постоянного напряжения для регулирования мощности постоянного тока в нагрузке с высоким КПД используются импульсные преобразователи (регуляторы) постоянного напряжения с ключевым режимом работы.

На рис. 7.1,а приведена схема такого преобразователя на идеальном ключе, включенном последовательно с нагрузкой (активная нагрузка). При периодическом замыкании и размыкании ключа Кл напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ЭДС питания Е.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса называется скважностью : . Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения .

Рис. 7.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки

Изменением длительности включенного и выключенного состояния ключа К можно воздействовать на среднее и действующее значения напряжения на нагрузке.

Среднее напряжение на нагрузке

(7.1)

Действующее значение напряжения

(7.2)

Примером активной нагрузки могут служить электрические лампы накаливания и электрические печи сопротивления. Для тех и других существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока, аккумуляторной батареи и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер (например, содержит дроссель для сглаживания выпрямленного напряжения или для ограничения пульсаций тока якоря двигателя постоянного тока), то для того, чтобы при разрыве цепи не было опасных перенапряжений, она шунтируется диодом V₀ (рис. 7.1,6). При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то через источник Е когда ключ замкнут (на интервале энергия запасается в нагрузке), то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут (на интервале Т—t_и часть энергии, запасенной в нагрузке, рассеивается). При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени . При этом среднее и действующее значения напряжения определяются теми же формулами, что и при активной нагрузке.

При активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение тока в нагрузке находится по среднему значению напряжения на нагрузке:

Возможны два способа регулирования выходного напряжения: широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда для изменения среднего значения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа. при постоянном периоде повторения T=const (рис. 7.2,а, б);

частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда изменяют частоту повторения при постоянной длительности импульса ( ,T=var рис. 7.2, а, в).

В обоих случаях воздействуют на , что приводит к изменению среднего и действующего значения напряжения в нагрузке в соответствии с (7.1), (7.2).

Риc. 7.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 7.1, б при различных способах регулирования напряжения

В качестве ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения можно использовать транзисторы, запираемые (двухоперационные) тиристоры и обычные однооперационные тиристоры, снабженные узлами принудительной коммутации, т.е. дополнительными схемными элементами, обеспечивающими выключение тиристоров в заданные моменты времени.