Схема искусственной коммутации с дроссельным зарядом коммутирующей емкости

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 153

1965

СХЕМА ИСКУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИИ С ДРОССЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ КОММУТИРУЮЩЕЙ

ЕМКОСТИ

А. И. ЗАЙЦЕВ, Б. А. ЛАПИН

Для выключения тиристоров, работающих в цепях постоянного тока, наибольшее распространение получили схемы конденсаторной коммутации. Условием эффективной работы таких схем в широком диапазоне изменения нагрузок на тиристорный преобразователь является независимость интервала времени, представляемого тиристору для восстановления управляющих свойств, от тока нагрузки. В схемах с емкостным отключением для выполнения этого условия необходимо, чтобы величина коммутирующего импульса увеличивалась при возрастании тока нагрузки (см. рис. 4). С этой целью в импульсном модуляторе, приведенном на рис. 1, последовательно с нагрузкой включен дроссель Др. служащий для отбора мощности из цепи нагрузки в схему коммутации.

Рис. 1

Особенностью работы такой схемы является то, что минимальное напряжение на емкости, соответствующее малым нагрузкам, равно напряжению источника питания. При увеличении нагрузки к этому напряжению прибавляется вольтодобавка, пропорциональная току нагрузки. Следует отметить, что эта вольтодобавка прибавляется к напряжению конденсатора с запаздыванием в пределах одного периода коммутации. Поэтому такую схему отключения можно использовать при работе тиристорного преобразователя на нагрузку индуктивного характера, в которой ток достигает установившегося значения за несколько периодов коммутации.

Возможной областью применения тиристорных преобразователей с этой схемой коммутации является регулирование' возбуждения электрических машин, управление приводами электрокар, тяговыми двигателями электровозов, в регулируемых инверторах и др.

Процесс коммутации в схеме рис. 1 может быть разбит на четыре этапа. В течение первого этапа, который начинается после включения тиристора Тг, происходит резонансный перезаряд коммутирующей емкости по цепи С^ТгЬ (интервал 12 — 13 па рис. 2),

!дг Ь

Второй этап характеризуется увеличением тока в цепи в обратном направлении (через Д1) от 0 до 1н (интервал и—(4). На такую же величину соответственно уменьшается анодный ток 1з тиристора 1'ь При 1а = 0 тиристор закрывается и под действием напряжения Ь'з смещается в обратном направлении (рис. 2, граф. 3).

В течение интервала времени 15, соответствующего третьему этапу работы схемы, емкость С1 разряжается через нагрузку. По условию нагрузка имеет индуктивный „характер, поэтому в течение промежутка времени и—15 ток через конденсатор можно считать неизменным по величине и принять линейный закон из-, менения напряжения ис; для восстановления управляю-.

СНУ

Рис, з

Время, предоставляемое тиристору Т1 щйх свойств, отмечено на граф. 3 через А1.

Четвертый этап работы схемы ([5—16) начинается тогда, когда конденсатор С1 зарядится в первоначальном направлении до напряжения источника питания Е. С этого момента происходит уменьшение тока, в цепи С1 Ь Д1 Ьдр от I = 1н до 0, сопровождающееся соответствующим увеличением тока через шунтирующий диод Д2, который служит для создания режима непрерывного тока в нагрузке. В течение этого этапа происходит переход всей энергии, запасенной индуктивностями 1л и Ьдр., в коммутирующую емкость. Конечное напряжение, до которого заряжается емкость к концу четвертого этапа, является начальным напряжением для первого этапа следующего цикла коммутации.

Это напряжение можно найти с помощью схемы замещения для четвертого этапа коммутации, которую можно составить на основании схемы рис. 1, учитывая, что с момента 15 напряжение на диоде Дг становится равным, нулю. (рис. 3).

Решив дифференциальное уравнение

(12ЦС , гА Шс 1 ..1

с!12 (1^ + Ьдр) описывающее схему

1(0)— 1и, можно найти амплитудное напряжение на конденсаторе:

(Ц

Ьдр)С

и

(1-1 -!- Ьдр)С

рис. 3, при начальных условиях ис (0)=Е,

и-

Ь Д4

и

•др

с,

где к4 = е

Ь4, Т4 — коэффициент затухания и период собственных колебаний контура на рис. 3.

Напряжение являете я начальным при резонансном перезаряде конденсатора на первом этапе следующего цикла коммутации. За счет потерь к контуре Сл после перезаряда емкости оно уменьшится до величины, равной

и2 = к, Е -г к41„

V

др

С,

где к | — е ^

bj Ti — коэффициент затухания и период собственных колебаний контура Ci Li.

Это напряжение является начальным для второго этапа (интервал t3—14). Его длительность t/ зависит от тока нагрузки и определяется следующим уравнением:

— bot'

1н = U,

с

sirnV

Напряжение на конденсаторе в конце второго этапа равно

Т Г Т ' t)-» t

Ua -- lue costüjt •

Возможный диапазон изменения времени 1/ в равенствах (3), (4) Т, ,,

равен — . учитывая, что для цепей с малым затуханием изменение

—Ь4' т

величины е " в-промежутке времени от 1' = 0 до [^-—-незначитель-

но, сомножитель

bot'

в выражениях (3) и. (4) можно считать по-

- ЪЛ'

стоянным и равным к2 = е

Тогда из уравнений (3) и (4) можно найти напряжение на конденсаторе в конце второго этапа:

U, - koU-

I

1н V Li

(к2)2 Ш2 / С4

1н1 >1н2 ^ IИЗ

Третий этап работы схемы коммутации характеризуется смещением тиристора в обратном направлении,и линейным разрядом коммутирующей емкости. Форма напряжения на катоде тиристора Т1 приведена на рис. 4. Как следует из этого рисунка, продолжительность смещения тиристора в обратном направлении^ равна:

t

At

и.

•С,

Рис. 4

Подставляя в (6) значение U3 из (5) и (2), получим: At == ]/

р \ 2

К, К2 7^) С,2 + 2К4 (

L, + L,p

С,2

> + [к,КоК,)2 (L( -f Lip) С, — LjCj j

+ ->

Как следует из выражения (7), при увеличении тока нагрузки время Ät, предоставляемое тиристору для восстановления управляющих свойств, стремится к постоянной величине:

Atc = lim At - V (К!к2к4)2 (Lt ~г Ь;ф) С, - Ь4СД

1„->СО

При выполнении условия >1восст. схема коммутации с дроссельным зарядом коммутирующей емкости будет обеспечивать отключение тиристора Т1 при любом токе нагрузки.

Следует отметить, что при расчете схемы по условию А1С>1В0СС1. в случае большой величины 1восст. конденсатор будет заряжаться до больших напряжений, что не всегда приемлимо. В этом случае определение параметров схемы О Ьдр можно произведи, задавшись величиной напряжения и тока в уравнение (1) и величиной Н в выражении (7). В качестве третьего условия можно взять период собственных колебаний контура Си

Для иллюстрации качества работы описанной схемы искусственной коммутации па рис. 5 приведены расчетная и экспериментальная зависимости Д^ЦГн). По кривым видно, что при возрастании тока на-

кО

30 -20 /О -

&{

ю

Эксперимент

Расчет

го so

Рис. 5.

so &

грузки величина ^ уменьшается очень медленно. Гораздо быстрее уменьшается величина этого интервала в обычной схеме коммутации с той же величиной коммутирующей емкости (пунктирная кривая).

Применение дроссельного заряда позволяет значительно уменьшить величину коммутирующего конденсатора. Благодаря этому уменьшается нижний порог регулирования напряжения на нагрузке, что в конечном счете увеличивает диапазон регулирования.

Выводы

I. В схеме искусственной коммутации с дроссельным зарядом коммутирующего конденсатора повышается надежность отключения за счет автоматической стабилизации в функции тока нагрузки интервала времени, предоставляемого тиристору для восстановления управляющих свойств.

2. Дроссельный заряд коммутирущего конденсатора позволяет значительно уменьшить величину его емкости и увеличить за счет этого диапазон регулирования тиристорного преобразователя.

3. Применение дроссельного заряда коммутирующей емкости принципиально позволяет создавать схемы коммутации, способные отключать силовой тиристор при любом токе нагрузки.

4. Экспериментальное сравнение различных схем искусственной коммутации показало, что разработанная схема по надежности коммутации и перегрузочной способности превосходит схемы, описанные в литературе.