Способы регулирования выходного напряжения

1.Способы регулирования выходного напряжения: частотно-, широтно-импульсное и смешанное регулирование.

2. Основные энергетические соотношения.

3. Способы запирания тиристоров.

4.Частотно-импульсные преобразователи постоянного тока (схемы, диаграммы, основы инженерного расчета).

Рекомендуемые материалы

Сущность импульсного управления подводимой к тяговому двигателю постоянного тока энергии наглядно иллюстрируется схемой и диаграммами, представленными соответственно на рис. 3 и 4. Устройство, которое осуществляет периодические отключения и включения цепи нагрузки на напряжение источника, обычно называют ключом К. Последовательно с двигателем М включен дроссель L1 для сглаживания пульсаций тока в этой цепи, а параллельно цени нагрузки  – полупроводниковый диод VD, называемый обратным, через который протекает ток двигателя в те промежутки времени, когда ключ разомкнут. Замыкание и размыкание ключа К производятся с периодом повторения Т_р (рис. 4,а). В течение промежутка t_и ключ замкнут, в остальную часть периода Т_р - t_и – разомкнут. При замкнутом ключе к цепи нагрузки приложено напряжение, равное напряжению источника (u_н=U_1d). Под действием напряжения U_1d в контуре “+” источника питания – ключ К –  индуктивность L1 – двигатель М – “-” источника питания увеличивается ток i_1d= i_м. Поступающая из питающей сети энергия потребляется нагрузкой (двигателем М) и накапливается в индуктивности L1.

После размыкания ключа приток энергии от источника прекращается (i_1d=0). Ток двигателя i_м, поддерживаемый энергией, запасенной в индуктивности L1, замыкается через диод VD. Поскольку в контур не поступает энергия извне, ток i_м убывает.  Величину прикладываемого к двигателю напряжения можно регулировать, изменяя период либо Т_р (т. е. частоту замыкания ключа К), либо интервал t_и (т.е. длительность нахождения ключа в замкнутом состоянии). Иллюстрирующие эти режимы диаграммы представлены на рис. 4б. Первая из них соответствует регулированию напряжения u_м путем изменения периода Т_р (т.е. частоты следования импульсов) при сохранении неизменным интервала t_и и отражает способ частотно-импульсного регулирования. Вторая – широтно-импульсный способ. При комбинированном способе регулирования производится изменение, как частоты, так и продолжительности импульсов.

В схеме импульсного регулирования при рекуперативном торможении двигателем  последовательного  возбуждения  (рис. 5)  использованы  те  же элементы, что и в схеме для режима тяги, но изменено их соединение. Дроссель L1 обеспечивает сглаживание тока в цепи двигателя, а диод VD препятствует протеканию тока из сети в генератор.

На диаграммах рис. 6а и 6б, иллюстрирующих процессы в схеме при использовании частотно- и широтно-импульсного способов регулирования, замкнутому положению ключа К соответствует интервал времени t_и. В интервале Т_р - t_и ключ разомкнут. При замыкании ключа для тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, образуется практически короткозамкнутый контур, в который входит сам генератор G, дроссель L1 и ключ К. Энергия, вырабатываемая генератором, за вычетом энергии, идущей на покрытие потерь в активном сопротивлении контура, накапливается в индуктивности дросселя L1, вследствие чего ток в нём возрастает. Ток i_1d в этом интервале равен нулю. После размыкания ключа напряжение в цепи генератора, равное сумме U_G и напряжения на дросселе L1, возрастает до величины U_1d благодаря энергии, накопленной в индуктивности L1. Замыкавшийся ранее через ключ ток будет поступать в сеть постоянного тока с напряжением U_1d несмотря на то, что E_G < U_1d. Так как передача энергии в сеть постоянного тока связана с убылью энергии, накопленной в дросселе L1, ток i_1d при этом уменьшается.

В соответствии с  законом сохранения энергии существует зависимость, определяемая балансом мощностей, потребляемой от источника и поступающей в нагрузку. Если пренебречь потерями в схеме, т. е. принять к.п.д. , то соотношение между средними за период регулирования значениями напряжений и токов источника питания и двигателя

U_1dI_1d=U_мI_м                                                              (1)

Напряжение U_м на двигателе равно среднему за период значению приложенного к нему напряжения источника u_1d:  

Средний за период регулирования ток I_1d, потребляемый из сети, и ток нагрузки I_м также определяются мгновенными  значениями токов соответственно i_1d и i_м:

В генераторном режиме при сохранении баланса мощности напряжение U_G на зажимах генератора уравновешивается средним за период значением напряжения u_G:

 

При использовании в качестве ключа полупроводникового прибора типа тиристор возникает задача коммутации последнего. Применяемые в настоящее время тиристоры бывают полностью управляемые и не полностью управляемые. Для отпирания последних достаточно подаю сигнал на управляющий электрод, а для запирания – специальное устройство: узел коммутации. По способу коммутации тиристорные ключи выполняются с естественной (выключаются при уменьшении питающего напряжения до 0) и искусственной (за счет применения принудительного запирающего узла на базе конденсатора, дросселя, трансформатора и т.д.). В качестве примера рассмотрим наиболее распространенную емкостную коммутацию тиристорного ключа (см. рис. 7 и 8).

При подключении к источнику питания по цепи “+”источника питания – C – L – “-” источника питания протекает ток i_пит=i_C=i_нагр, заряжающий конденсатор С до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок. После завершения процесса заряда ключ готов к работе.

При отпирании тиристора VS в момент времени t₀ образуется цепь питания нагрузки и через тиристор протекает ток i_пит=i_нагр. Одновременно образуется цепь разряда конденсатора С. Ток конденсатора i_C, протекая по цепи “+”обкладка конденсатора С– тиристор VS – дроссель L – “-” обкладка конденсатора С, сначала разряжает последний до нуля (момент времени t₁), а затем перезаряжает до противоположной полярности (момент времени t₂), указанной на рисунке в скобках.

После перезаряда i_C становится равным 0 и к  тиристору прикладывается напряжение обратной полярности, что приводит к его выключению. Ток нагрузки, ранее протекавший через тиристор, коммутируется в цепь конденсатора С (i_наго=i_C), что приводит сначала к обнулению напряжения на конденсаторе (момент времени t₃), а затем – к заряду до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок (момент времени t₄). Интервал времени от t₀ до t₄ называется временем импульса t_и. После этого ключ готов к повторному циклу.

Приведенная схема обеспечивает постоянство времени проводящего состояния тиристора ключа, т. е. соответствует частотному способу регулирования. Изменения времени проводящего состояния ключа можно добиться путем запрета выключения тиристора после перезаряда коммутирующего конденсатора. Достичь этого можно схемным решением, пример которого приведен на рис. 9.

Согласно схеме после перезаряда коммутирующего конденсатора до противоположной полярности разряд его через цепь нагрузки становится возможным только после того, как произойдет отпирание тиристора VS2 (гасящего). Длительность задержки на включение гасящего тиристора не должна превышать интервала времени Δt=t₅-t₄, называемого временем паузы t_пауз.  На рис. 8 пунктирной линией показано изменение диаграммы напряжения на коммутирующем конденсаторе для некоторого времени задержки t_зад1. Соответственно изменяются диаграммы i_C=f(t) и i_нагр=φ(t).

Приведенная схема обеспечивает изменение времени проводящего состояния тиристора VS1 ключа (ширины импульса) при сохранении периода, т. е. соответствует широтному способу регулирования.

Это же схемное решение ключа позволяет осуществлять и комбинированное регулирование (путем изменения, как ширины импульса t_и, так и периода T_р).

Емкостная коммутация тиристора в частотном ключе, питающем тяговый двигатель, может быть реализована одним из трех схемных решений, представленных на рис. 10…12. На рис. 10 коммутирующий конденсатор включен параллельно нагрузке, на рис. 11 – параллельно цепи L2 – VS, на рис. 12 – параллельно тиристору VS. При построении диаграмм, приведенных на рис. 10,11 и 12 принято, что напряжение на входе преобразователя (на конденсаторе C1) и ток в цепи тягового двигателя остаются неизменными и равными соответственно U_1d и I_м.

В момент t₀ (рис. 10) происходит отпирание тиристора VS. Перед отпиранием напряжение на нем было равно U_1d, ток i_1d=0, конденсатор C2 полностью разряжен, а в цепи тягового двигателя протекает ток, который поддерживается неизменным за счет энергии, накопленной в индуктивности дросселя L3 за тот промежуток времени, пока был открыт тиристор. Ток нагрузки i_м замыкается через диод VD, поэтому i_м= i_VD, а u_м=0. После отпирания тиристора VS образуется цепь: верхняя обкладка конденсатора С1 – дроссель L2 – тиристор VS – дроссель L3 –  тяговый двигатель (М и дроссель L4) – нижняя обкладка конденсатора С1.

Ток i_1d в цепи начинает нарастать и по достижении им величины i_М (момент t₁) ток в обратном диоде прекращается и начинается заряд конденсатора С2 через индуктивность L2 и тиристор VS. Так как конденсатор С2 и индуктивность L2 образуют колебательный контур, то конденсатор к моменту времени t=t₃ заряжается до двойного напряжения. Зарядный ток конденсатора С2, достигнув максимального значения при t=t₂, начинает спадать и к моменту t=t₃ уменьшается до 0.

В момент времени t=t₃ ток i_VS становится равным i_M, напряжение u_C2 достигает максимальной величины. После этого емкость С2 начинает разряжаться на цепь нагрузки, а ток i_VS уменьшается, достигая 0 в  момент времени t=t₄. К тиристору VS при этом прикладывается обратное напряжение, равное разности u_C – U_1d. В интервале времени t₄–t₆ конденсатор  С2 разряжается на тяговый двигатель, причем ток остается неизменным и равным i_M благодаря дросселю L3. В интервале от t₄ до t₅, представляющем собой схемное время t_сх, к тиристору VS приложено обратное напряжение и он запирается. Поэтому время выключения тиристора t_выкл не должно превышать схемное при любых сочетания величин питающего напряжения и тока мотора.

После завершения разряда конденсатора С2 (момент времени t=t₆) ток нагрузки i_М начинает циркулировать через обратный диод по цепи дроссель L3 – якорь двигателя М – обмотка возбуждения L4 – диод VD. При этом ток поддерживается энергией, накопленной в дросселе L3. При отпирании тиристора VS в момент t₇ процессы в схеме

повторяются с периодом T_p= t₇-t₀.

Процессы в схеме рис. 11  протекают в основном аналогично. Перед отпиранием тиристора VS ток нагрузки замыкается через обратный диод VD, а емкость С2 заряжена до напряжения U_1d. В момент времени t₀  производится отпирание тиристора VS и через дроссель L, тиристора VS и нагрузочный контур начинает протекать ток i_VS, который состоит из тока питающей сети и тока разряда емкости С1. Напряжение на емкости С2 при этом остается неизменным.

После того как ток i_VS достигает величины I_м (момент времени t₁), ток i_VD прекращается и начинается разряд емкости С2 на дроссель L и тиристор VS. Это вызывает увеличение напряжения u_нагр. Поскольку разряд конденсатора С2 носит колебательный характер, то напряжение u_C сначала снижается до нуля (момент времени t₂), а затем становится отрицательным. Вследствие этого ток i_VS, достигнув некоторого максимального значения, в момент t₄  становится равным нулю. Оказавшийся под отрицательным напряжением тиристор VS запирается.

В дальнейшем благодаря индуктивности L3 происходит заряд емкости С2 током мотора I_м . Заряд емкости прекращается в момент t₆, когда напряжение u_нагр достигнет величины U_1d. В интервале времени от t₁ до t₆ ток i_1d, потребляемый преобразователем, равен току I_м. Напряжение u_нагр в цепи нагрузки остается таким же, как и в схеме рис. 10. Начиная с момента времени t₆ и  до момента времени t₇ ток нагрузки I_м благодаря энергии, накопленной в дросселе L3, циркулирует в контуре L3 – M –L4 –VD – L3.

Особенность процессов в схеме рис. 12  заключается в том, что после отпирания тиристора VS его ток возрастает скачкообразно, а ток i_VD становится равным нулю. На диаграммах рис. 12 моменты t₀ и t₁ совпадают. Одновременно скачком прикладывается обратное напряжение к диоду VD. Далее через тиристор VS и дроссель L2 происходит колебательный разряд конденсатора С2, при котором напряжение на нём изменяет полярность. Благодаря этому  ток i_VS,  представляющий собой сумму разрядного тока конденсатора С2 и тока I_м, в момент времени t₄ становится равным нулю и к тиристору VS прикладывается напряжение обратной полярности. Так как после момента времени t₄ происходит заряд конденсатора С2 неизменным током I_м , напряжение на дросселе L2 равно нулю, поэтому напряжение u_нагр определяется разностью U_1d - u_C.

В момент времени t₆ напряжение на конденсаторе С2 достигает величины U_1d, однако заряд его в отличие от схем рис.10 и 11 не прекращается. Благодаря энергии, накопленной в дросселе L2, напряжение u_C возрастает до некоторого максимального значения. Затем конденсатор С2 начинает разряжаться на источник питания, вследствие чего ток i_1d изменяет направление. Начиная с момента времени t₇, когда вновь отпирается тиристор VS, процессы в схеме повторяются. Для ликвидации колебаний, происходящих в интервале времени от t₆ до t₇, предусматривают диоды.

Во всех рассмотренных схемах момент времени t₄, когда ток i_VS становится равным нулю, определяется параметрами колебательного контура С2 – L2, напряжением U_1d и током I_м. Ускорить или задержать запирание тиристора VS воздействием извне практически не представляется возможным, т. е. схемы относятся к группе систем с неуправляемым запиранием вентилей.

Для всех трех схем напряжение U_м на тяговом двигателе можно найти, воспользовавшись формулой (2), в соответствии с которой оно определяется как частное от деления площади, ограниченной кривой напряжения u_нагр и осью абсцисс, на период Т_р (см. рис. 10 - 12). Таким образом, выходное напряжение преобразователя зависит не только от частоты включения тиристора, но и от формы кривой напряжения u_нагр, на которую существенно влияет режим работы преобразователя. Например, с уменьшением тока нагрузки I_м разряд конденсатора С2 в схеме рис. 10  и  заряд ее в схемах рис. 11  и 12  в интервале от t₄ до t₆ будет происходить медленнее, из-за чего наклон прямолинейного участка кривой u_нагр уменьшается и продолжительность интервала t₄-t₆ возрастает. В то же время в интервале t₁ - t₄ форма кривой u_нагр остается неизменной.

Отключение двигателей производится прекращением подачи отпирающих импульсов на тиристоры преобразователя, после чего преобразователь может быть отключен от питающего источника без разрыва тока. Благодаря этому отпадает необходимость устанавливать на электроподвижном составе коммутирующие аппараты с дугогашением. Прекращением подачи отпирающих импульсов осуществляется также быстродействующая защита преобразователей и тяговых двигателей.

Основой для проведения инженерных расчётов преобразователей являются диаграммы мгновенных значений токов и напряжений на элементах схем. Для всех рассмотренных схем расчёт сводится к выбору элементной базы (тиристоров, диодов, дросселей, конденсаторов) из перечня серийно выпускаемых, которые выдерживают прикладываемые к ним напряжения и протекающие через них токи во всём диапазоне рабочих частот преобразователей.

При выборе типа силового полупроводникового прибора (СПП) преобразователя необходимо определить величину максимально допустимого тока нагрузки, не вызывающего повышения температуры перехода выше допустимого значения.

Расчет температуры перехода производится по известным значениям потерь и теплового сопротивления и заключается в следующем. Реально действующие в СПП импульсы потерь энергии произвольной формы (см. рис. 13) заменяются на эквивалентные импульсы прямоугольной формы с амплитудой, равной по величине максимальной величине реального импульса, при сохранении длительности периода регулирования Т_р. Полученная в результате преобразования последовательность импульсов отображает условный режим работы СПП, который может сводиться к кратковременному, повторно-кратковременному или длительному. Для каждого из этих режимов получены интегральные выражения, позволяющие с инженерной точностью рассчитать максимально допустимую величину тока нагрузки I_нагр, протекающего через прибор. В частности, для повторно-кратковременного режима работы тиристора расчетная формула

                                  (5)

где U_VS - пороговое напряжение тиристора, r_VS – дифференциальное сопротивление тиристора, [T_доп]- допустимая температура p-n-перехода, T_a - температура окружающей среды, T_p - период регулирования, t_и - время импульса, R_T – переходное сопротивление p-n-переход тиристора – окружающая среда.

Тиристор выбирается по рассчитанному значению тока. Класс тиристора определяется по максимальному значению приложенного к нему напряжения прямого напряжения в закрытом состоянии с учетом того, что рабочее напряжение на нем определяется как

U_раб=k_запU_кл=(0,7…0,8)U_кл.                                         (6)

Информация в лекции "Коммуникативные барьеры" поможет Вам.

Аналогично рассчитываются параметры диодов и симисторов.

Одним из основных условий нормальной работы тиристора является обеспечение ограничений по скорости нарастания токов di/dt и напряжений du/dt и времени его выключения t_выкл. Последнее, как упоминалось ранее, приводится в справочных данных на тиристор. Как правило, это время обеспечивается схемным решением цепей аппарата и принимается на 10…20% большим по сравнению с паспортным. В преобразователях с узлами принудительной емкостной коммутации тиристоров схемное время t_сх определяется периодом разряда конденсатора от первоначальной величины напряжения до 0 (см., например,  на  рис. 10 временной интервал t₄ – t₅. Поэтому в расчетах необходимо принимать t_сх=(1,1…1,2) t_выкл.

Схемное время в преобразователях с принудительной емкостной коммутацией определяется при прочих равных условиях величиной емкости конденсатора, которая достаточно просто может быть определена, например, для варианта схемного решения, приведенного на рис. 10, при допущении постоянства величины тока нагрузки как

C=I_нагр t_сх /U_пит.                                                                                     (7)

Величина индуктивности L дросселя контура коммутации может быть определена из условия ограничения амплитуды разрядного тока i_C конденсатора значением I_Cмакс=I_нагр-I_VS . Тогда

 .                                                                           (8)