3577

Рис.6.1. Принципиальная схема и временные диаграммы преобразователя постоянного тока

Ток нагрузки Iн замыкается через проводящий обратный диод VD0 , вследствие чего Uвых=0.

Ток Iн состоит из участков экспонент нарастания и спада с постоянной времени =( Lф+Lн)/Rн.

При переходе к большим мощностям нагрузки возникает необходимость создания параллельных ветвей, которые работают по многотактному принципу , основанном на параллельном включении m отдельных преобразователей , работающих на общую нагрузку. Периодичность работы каждого преобразователя характеризуется периодом тактов Тт. Последовательность включения их ключей сдвинута на время Тт/m.

6.2. Узлы принудительной (искусственной) коммутации тиристоров

Воснове принципа действия импульсных преобразователей постоянного тока лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение напряжения питания Е к выходной цепи преобразователя.

Втех случаях, когда требуются коммутирующие элементы, отключающая способность которых выходит за пределы существующих возможностей транзисторов и запираемых тиристоров, наиболее целесообразным становится применение однооперационных тиристоров. По своим свойствам тиристор может быть включен в любой момент при положительном напряжении между анодом и катодом, однако, он может быть отключен только путем снижения прохождения через него тока до нуля и приложением обратного напряжения, чтобы он восстановил запирающие свойства.

Вимпульсных преобразователях постоянного тока питание осуществляется постоянным током. Поэтому для запирания тиристора применяют принудительную (искусственную) коммутацию путем подачи на катод импульса напряжения отрицательной полярности с использованием предварительно заряженного конденсатора. Для этой цели основная схема тиристорного преобразователя дополняется элементами коммутации,

образующими коммутационный узел.

Схемы коммутационных узлов (КУ) довольно разнообразны. Принципиально КУ, различающиеся как способами соединения основных элементов, непосредственно участвуюющих в запирании силовых тиристоров, так и способами выполнения цепей для решения поставленных вспомогательных задач, можно разделить на две основные группы

-КУ с параллельной коммутацией;

-КУ с последовательной коммутацией.

6.2.1. Параллельная коммутация

При параллельной коммутации (рис. 6.2) силовой тиристор Тс является отключаемым элементом преобразователя и в исходном состоянии проводит ток нагрузки.

Рис. 6.2. Преобразователь с мягкой коммутацией (последовательная коммутация)

Параллельно тиристору Тс в противоположном направлении присоединен диод D. Коммутирующий конденсатор С в исходном состоянии заряжен полярностью, указанной на схеме без скобок. Это состояние конденсатора получается после того, как при включении тиристора Тк, конденсатор заряжается до напряжения источника Е с полярностью, указанной в скобках. При токе заряда конденсатора равном нулю, тиристор Тк выключится и восстановит запирающие свойства. Затем включается тиристор Тп, который образует замкнутый контур: (+)C - Тс - Тп – Lk - (-)C. В результате происходит резонансный перезаряд конденсатора с обратной полярностью (без скобок). После перезаряда схема готова к режиму искусственной коммутации тиристора Тс. После подачи управляющего импульса на тиристор Тк, в момент времени t0, конденсатор С сначала разряжается через индуктивность Lk и через тиристор Тс в его «обратном» направлении, в то время как этот тиристор ( Тс ) продолжает проводить ток в «прямом» направлении. Эта ситуация продолжается до момента времени t1, когда разрядный ток конденсатора станет равным току нагрузки (рисунок 6.2,б ).

К этому моменту суммарный ток через тиристор Тс становится равным нулю (рис.6.2, б). Далее разрядный ток конденсатора ic становится больше тока нагрузки, следовательно, часть тока ic, превышающая ток нагрузки, переходит в качестве прямой составляющей в диод D. С началом протекания тока через диод D к основному тиристору Тс прикладывается обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде D до момента времени t2. Это обратное напряжение позволяет тиристору Тс отключиться и восстановить свою запирающую способность в прямом направлении.

В этот же момент ток Ic снова становится равным току нагрузки, а напряжение на конденсаторе С имеет уже противоположную полярность (рис. 6.2,б) по сравнению с исходной. Ток нагрузки теперь протекает через коммутирующий конденсатор под действием источника питания Е и через Lk и Тк. По мере заряда конденсатора с полярностью, указанной в скобках, ток нагрузки уменьшается и к моменту времени t3 ток конденсатора и нагрузки становится равным нулю.

С началом заряда конденсатора током нагрузки (момент t2) на тиристоре Тс резко возрастает напряжение в прямом направлении до напряжения на этом конденсаторе (рис. 6.2,в для t=t2). На практике эта большая скорость возрастания напряжения должна быть снижена до допустимых величин для тиристора с помощью присоединенной к нему демпфирующей цепи.

КУ с параллельной коммутацией может быть отнесен к процессам с мягкой коммутацией. Достоинством мягкой коммутации является то, что теоретически для обеспечения данного времени отключения tоткл тиристора Тс требуется вдвое меньшая емкость конденсатора и индуктивность Lk, чем при жесткой коммутации.

6.2.2. Последовательная (жосткая) коммутация

На рис.6.3 коммутирующий конденсатор при подач е 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.

Рис.6.3. Преобразователь с последовательной (жесткой) коммутацией

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 активноиндуктивной нагрузки замыкается через открытый нулевой диод VD0.

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, необходи-

мое 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).

Всхеме , 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.

Всоответствии с указанным, схема, представленная на рис. 6.3, относится к узлам последовательной коммутации. Одновременно подобные КУ относятся к узлам жесткой коммутации. В отличии от узлов мягкой коммутации , прямое напряжение на VS1 падает более медленно ( скоростью перезаряда конденсатора ).

6.2.3. Коммутационные характеристики узлов принудительной коммутации

Врассматриваемых КУ время, предоставляемое силовому тиристору для восстановления запирающих свойств, не является величиной постоянной. При неизменных значениях Lk и Ck время, предоставляемое силовому тиристору для восстановления запирающих свойств, зависит от напряжения питания и тока нагрузки. Эта зависимость определяет коммутационную характеристику, используемую для расчета КУ.

При определении коммутационных характеристик узлов параллельной коммутации необходимо исходить из временной зависимости тока коммутирующего конденсатора Ic(t), а в случае последовательной коммутации – напряжения на нем Uc(t).

Врассматриваемых схемах перезаряд коммутирующего конденсатора на этапе запирания силового тиристора осуществляется в колебательном контуре, создаваемом элементами Lk и Ck.

Всвязи с этим, указанные зависимости целесообразно представить

Рис.6.4. Контур перезаряда конденсатора

В обобщенную схему замещения входят основные элементы контура коммутации (Lk и Ck) с начальными значениями тока IL(0) и напряжения U(0), коммутирующий тиристор VSk, а также источник напряжения Ек цепи перезаряда коммутирующего конденсатора (Ек = 0 для параллельного КУ и Ек = -Е для последовательного КУ).

При пренебрежении активными сопротивлениями соединительных проводов, а также потерями в элементах контура Lk и Ck и в тиристоре VSk справедливо выражение

Ic max - амплитуда тока конденсатора в контуре коммутации. Введем обозначение, характеризующее относительное значение на-

чального напряжения в контуре коммутации.

Длительность действия обратного напряжения на силовом тиристоре

tп.в. или в угловых единицахUo Ek= 0 tп.в., определяется в схемах парал-

6.5

лельной коммутации интерваломE , в течение которого Iс > Iн (рис. 6.2,б,в).

При значительных величинах индуктивности в цепи нагрузки ток нагрузки Iн на коммутационном интервале не успевает заметно измениться, его принимают равным току нагрузки I(0)=Iн=Uн / Rн.

Время в угловых единицах, предоставляемое силовому тиристору для восстановления запирающих свойств, находится из соотношения как разность ( рис. 6.2 ,б )

Введем обозначение

I (0) Zc ,

E

где λ- коэффициент нагрузки коммутационного узла.

Тогда

Коммутационные характеристики узлов параллельной коммутации представлены графически на рис. 6.5. Они показывают зависимость угла от коэффициента нагрузки при постоянных значениях . Повышение начального напряжения на конденсаторе U(0) приводит к увеличению тока Ic max (пунктирная кривая на рис. 6.5,б) и возрастанию угла . При

этом коммутационная способность КУ повышается.

Коммутационные характеристики КУ с последовательной коммутацией предусматривают учет элементов, по которым течет ток нагрузки, и определяются аналогично КУ с параллельной коммутацией.

Рис. 6.5. Коммутационные характеристики узлов параллельной коммутации

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Построение регулируемых преобразователей переменного напряжения основывается на использовании полупроводникового коммутатора, функцию которого чаще всего выполняют два включенных встречнопараллельно тиристора в цепи с питающим переменным напряжением и нагрузкой. В таких устройствах применяют фазовый, ступенчатый, фазоступенчатый, широтно-импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения.

Рис. 7.1. Схема преобразователя переменного напряжения (а)

иее варианты: с диодами, шунтирующими тиристорами

вобратном направлении (б), и общим тиристором (в)

7.1.Фазовые методы регулирования переменного напряжения

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем измене-

ния длительности открытого состояния одного из включенных встречнопараллельно тиристоров (рис.7.1,а) в течение полупериода частоты сети. Фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления (рис. 7.2,а), с опережающим углом управления (рис. 7.2,в) либо с тем и другим (двустороннее фазовое регулирование, рис. 7.2,г). Диаграммы напряжений и токов, показанные на рис. 7.2 для однофазных преобразователей переменного напряжения, соответствуют чисто активной нагрузке. Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. Отличие обусловливается схемой соединения тиристоров в этих преобразователях, вследствие чего участки синусоид переменного напряжения, составляющие кривую выходного напряжения в управляемых выпрямителях, являются однополярными.

Рис. 7.2. Временные диаграммы при фазовом методе регулировании

При способе регулирования, соответствующем рис. 7.2,а, запирание тиристоров осуществляется после достижения точек , 2 , З ,... (рис. 7.2,б) за счет изменения полярности переменного напряжения питания по окончании каждого полупериода (естественная коммутация). При способе регулирования, соответствующем рис. 7.2, в, г, запирание тиристоров необходимо производить до окончания текущей полуволны напряжения питания. Это возможно только за счет принудительной коммутации тиристора. Задачу решают введением в схему узлов принудительной коммута-