Тиристорные электроприводы постоянного тока

Параллельная емкостная коммутация

Схема, представленная на рис. 4.5, одной из первых получила широкое распространение. В качестве силового ключа использу­ется тиристор VS1. Его цепь коммутации состоит из вспомогатель­ного тиристора VS2, диода VD, реактора L и конденсатора С..

В начале процесса конденсатор С заряжается с указанной на рис. 4.5 полярностью одним из следующих способов:

1) замыканием и размыканием ключа Q, зарядка происходит по цепи, содержащей источник питания U, конденсатор С и за­рядный резистор R;

2) включением вспомогательного тиристора VS2, при котором образуется цепь, содержащая источник U, конденсатор С, тири­стор VS2 и нагрузку.

На рис. 4.5, б представлены диаграммы напряжений и токов

T2 t3

Рис. 4.5. Преобразователь с параллельной емкостной коммутацией:

А — схема преобразователя; б— диаграммы токов и напряжений на элементах

В схеме. Основной тиристор VS1 включается в момент U. Ток течет по двум контурам. Через нагрузку, подключенную к сети, и тиристор VS1 протекает ток нагрузки гя, коммутирующий ток протекает по цепи С, VS1, L и VD. Полярность напряжения на конденсаторе С в момент t изменяется на противоположную и поддерживается закрытым диодом VD.

Чтобы закрыть тиристор VS1, в момент t2 включается вспомо­гательный тиристор VS2. При этом конденсатор С оказывается подключенным к VS1 и напряжением обратной полярности закры­вает его. При отключении VS1 ток нагрузки протекает от источ­ника U по цепи, содержащей конденсатор С и - тиристор VS2. Последний закрывается в момент t3, когда ток в цепи конденсатора

Спадает до нуля. Это происходит в момент выравнивания напря­жений источника питания U и конденсатора. При этом полярность напряжения на обратном диоде VD0 становится прямой и через него начинает протекать ток нагрузки. В момент t = T основной тиристор VS1 включается снова, и процесс повторяется.

Данная схема коммутации проста и широко применяется, в ней осуществляется естественная коммутация вспомогательного тиристора VS2, однако схема имеет определенные недостатки. Для нее требуется цепь запуска, содержащая ключ Q и резистор R, показанные на рис. 4.5, либо специальное логическое устройст­во, обеспечивающее первоочередное включение тиристора VS2. Существенным недостатком является то, что в моменты комму­тации напряжение на нагрузке вдвое превышает напряжение пи­тающей сети.

Коммутирующий конденсатор С. Емкость коммутирующего конденсатора С рассчитывается из условия обеспечения им при разряде необходимого времени отключения схемы (восстановле­ния запирающих свойств тиристора VS1) t0ТКл, сх- За это время напряжение на конденсаторе изменяется от значения —U до ну­ля. При неизменном токе нагрузки, равном 1ятах, закон сохране­ния заряда для цепи, содержащей конденсатор и нагрузку, имеет вид

TOC o "1-3" h z CU = /я max ^0ткл, сх> (4.6)

Откуда определяется необходимая емкость:

С = ^ятах ^ОТКЛ, сх^- (4-7)

Для обеспечения надежной коммутации время восстановления должно превышать время отключения тиристора на At:

^ОТКЛ. ОХ = ^ОТКЛ ~f~ (4-8)

Таким образом, выражение (4.7) может быть переписано в виде

С==/ятаж(^откл + А0/^. (4-9)

Коммутирующий реактор L. Индуктивность коммутирующего реактора L выбирается с учетом следующих противоречащих друг другу требований:

Ограничения максимального значения емкостного тока ic, протекающего через тиристор VS1 в момент его включения;

Уменьшения интервала времени прохождения тока ic через конденсатор, за который последний перезаряжается до напряже­ния, обеспечивающего надежную коммутацию VS1.

Ток конденсатора ic при открытом VS1 протекает по LC-Koh- туру. Его значение определяется выражением

Ic = U (C/L)1/2 sin (4.10)

Где QK= (l/LC)I/2 = 2n/TK — собственная частота контура комму­тации; TK — 2(ti—To) — период колебаний тока контура коммута­ции.

Максимальное значение тока Ic составляет

IcmaX-U{ClL)xl2 = Ul{QKL). (4. И)

Выбор максимального допустимого тока ICmax производится с учетом протекания через открытый тиристор VS1 как тока на­грузки, так и тока коммутирующего конденсатора Ic■ Для облег­чения режима работы тиристора разумно выбрать ток ICmax та­ким, чтобы он не превышал максимальный ток нагрузки 1ятах

U(C/L)l/2< 1ятах, (4.12)

Тогда индуктивность реактора должна составлять

L > C{UjIKJmxf. (4.13)

Как видно из (4.11), чем меньше индуктивность L, тем боль­ше скачок тока через тиристор VS1 при его включении. Кроме того, с увеличением индуктивности растет время T—To перезаряда конденсатора, определяющее минимальное напряжение нагрузки и в конечном счете диапазон регулирования напряжения. Наи­меньшее значение напряжения на выходе определяется следую­щим образом:

U . = и (4.14)

Где Т — период импульсов преобразователя.

Значение Unmin определяется желаемым диапазоном изменения напряжения нагрузки. Например, ставя целью получить мини­мальное напряжение, не превышающее 10 % питающего напря­жения U, будем иметь

{h-QiT< 0,1, (4.15)

Или в соответствии с (4.10)

NyZc7T<0,l, (4.16)

Откуда определяется верхний предел индуктивности по данному крите­рию:

L< 0,01 Т*/(л*С). (4.17)

Пример 4.2. Для управления электромобилем используется импульсный преобразователь по схеме рис. 4.5, а. Напряжение питающей батареи 100 В, пусковой ток 100 А, время выключения тиристора 20 мкс, частота импульсов преобразователя 400 Гц. Требуется рассчитать коммутирующие емкости и индуктивности.

Решение. Для обеспечения надежной коммутации примем Д^=^0тнл = = 20 мкс. Тогда по (4.9) может быть найдена емкость:

С = 100-40-Ю-о/100 = 40- 10-вф =40мкФ.

Из (4.13) может быть найден нижний предел индуктивности реактора: L >40-10-« (100/100)2 = 40-10-» Гн = 40 мкГи.

Частоте импульсов 400 Гц соответствует период Т= 1// = 2,5-10"3 с. Тогда по (4.17) определяется верхнее значение индуктивности:

0,01 (2,5-10~3)2

L<----------- . =158,5-10-« Гн:= 158,5 мкГн.

«г2 40-10—6

Таким образом, коммутирующий реактор может" иметь индуктивность в диапазоне 40 мкГн</,,<158 мкГн. Разумным в такой ситуации представляется выбор индуктивности 40 мкГн, при которой нижний предел напряжения выхо­да. составляет 5 % напряжения питания, обеспечивая максимальный диапазон регулирования.