Тиристорные электроприводы постоянного тока

Параллельная токовая коммутация

На рис. 4.6, а представлена схема преобразователя с токовой коммутацией. Основной тиристор VS1 закрывается импульсом

■тока, создаваемым в коммутирующей цепи. Описанный ниже принцип действия такого преобразователя иллюстрируется диа­граммами на рис. 4.6, б.

Конденсатор С заряжается от источника U через резистор R. Основной тиристор VS1 открывается в момент t=t0. Выводы на­грузки оказываются подключенными к источнику питания, И че­рез нее и'тиристор VS1 протекает ток нагрузки.

В момент T~tfj при переходе вспомогательного тиристора VS2 В открытое состояние начинается процесс коммутации VS1. Ре­зонансный ток, который протекает по контуру, содержащему С, VS2 и L, изменяя свое направление в момент fe, закрывает тири­стор VS2 (естественная коммутация) и продолжает протекать по новой цепи, содержащей диод VD2 и еще открытый тиристор VS1. Данный контурный ток ic вычитается из протекающего че­рез VS1 в прямом направлении тока ivsu и в момент U, когда •они становятся равными (ic = ivsi), основной тиристор закрыва­ется. В этот же момент открывается диод VD1, начинающий про­водить ток ic—1Я и поддерживающий закрывающее напряжение обратной полярности на тиристоре VS1.

В момент 4 {С = 1Я и t'vDi=0. В это время обратный диод VD0 Закрыт и ток нагрузки протекает по контуру, содержащему U, С, L, VD2 и нагрузку.

В момент ts на обратном диоде образуется прямое падение на­пряжения и по его контуру начинает протекать ток нагрузки. Колебательный контур, содержащий С и L, теперь включает в себя также источник питания U, VD2 и VD0. Ток этого контура уменьшается до нуля в' Момент U, а напряжение ис растет до значения, превышающего U. На интервале 4—U in = ic + i0, по­этому с уменьшением ic ток через обратный диод i0 растет. С мо­мента U ток нагрузки iB=i0 медленно уменьшается. Напряжение на конденсаторе «с также постепенно падает в процессе его раз­ряда через резистор R.

При t=T вновь открывается основной тиристор VS1, и процесс повторяется.

Данный преобразователь, предложенный японской фирмой Hitachi Electric, был использован в метрополитене Торонто (Кана­да) [4]. Примененная здесь схема коммутации обладает рядом преимуществ. Она обеспечивает надежную коммутацию во всех режимах, когда пиковое значение тока коммутирующего контура превышает ток нагрузки. Полярность заряда конденсатЬра не из­меняется. Тиристор VS2 работает, в режиме естественной комму­тации, закрываясь при уменьшении до нуля проходящего через него тока.

Параметры коммутирующих конденсатора и реактора. Значе­ния емкости коммутирующего конденсатора и индуктивности ре­актора должны удовлетворять следующим условиям:

1) максимальное значение тока коммутирующего контура для обеспечения надежной коммутации должно с определенным коэф­фициентом запаса превышать ток якоря. В соответствии с (4.11) имеем

Ј/(C/Z,)1/2 = Wятвя, (4.18)

Где £3ап>1 — коэффициент запаса; 1ятах — максимальное значе­ние тока якоря;

2) для надежной работы схема должна обеспечить время ^откл. сх, превышающее время отключения тиристора t0TKJI на At:

^откл. сх ~ ^откл

Из диаграммы для тока диода VD1 на рис. 4.6 следует, что

^откл. сх ~ t* 4-

Коэффициент запаса обычно выбирается равным &3ап=2, что­бы амплитуда коммутирующего тока вдвое превышала макси­мальное значение тока нагрузки. При таком значении k3au

£Уоткл, сх = 2л/3, (4.19)

Откуда

'откл. с* = -F- (LC)[5]>2 = /откл + At (4 20)

И

2 IKmax = U(C/Lf2. (4.21) Из (4.20) и (4.21) определяется значение емкости и индуктивности:

L = 3 U{t0TKn + Д0/(4л/ятах); (4.22)

С =;3/ятах(^кл + At)/(NU). (4.23)

Лример 4.3. Для условий примера 4.2 при использовании токовой комму­тации определить параметры коммутирующего реактора и конденсатора. Решение. Из (4.22) определяем индуктивность реактора:

З. ИХМО. Ю- ,9>55,10.1ги=9|55тги| 4Я-100

Из (4.23) определяем емкость:

3-100-40-10-е

С =----------------------- = 38,2- 10-вФ = 38,2 мкФ.

Я-100

4.2.3. Последовательная коммутация

На рис. 4.7, а представлена схема преобразователя с последо­вательной коммутацией. Схема содержит четыре тиристора, кото­рые выполняют одновременно роль основных и коммутирующих. Пары тиристоров VS1, VS2 и KS3, VS4 поочередно проводят ток нагрузки.

Представленные на рис. 4.7, б диаграммы иллюстрируют описанный ниже принцип действия электропривода.

В момент t=tО тиристоры VS1 и VS2 открываются. Напряже­ние на конденсаторе к этому моменту было отрицательным (ис = ——U), поскольку FS3 и VS4 были открыты. Напряжение на на-

-

Грузке ия=и—Ис при открытии FS/ и VS2 увеличивается до зна­чения 2 U. Ток нагрузки теперь течет по цепи VS1, С, VS2. Протекая через конденсатор С, он заряжает его, и в момент ti напряжение на нем становится равным - j-U, как показано на рис. 4.7, а. При этом на обратном диоде образуется прямое паде­ние напряжения, и ток якоря переходит от тиристоров VS1 и VS2 к диоду VD0.

С момента t ток нагрузки протекает по цепи обратного диода. При t = T включается вторая пара тиристоров: У S3 и VS4. От­крываясь, эти тиристоры обеспечивают подачу на VS1 и VS2 Обратного напряжения и их коммутацию. Далее процесс повто­ряется.

Выходное напряжение такого преобразователя регулируется путем изменения частоты, поэтому он относится к категории пре­образователей с частотно-импульсной модуляцией. Допустив, что ток нагрузки неизменен по величине, можно найти время откры­
того состояния тиристора по формуле:

/ОЯф = 2<7С//я. (4.24)

Выходное напряжение преобразователя определяется по (4.1): Ия = UtmKp/Т = Ut0TJn = 2 U*CfjI„ (4.25)

Где Fa — частота импульсов преобразователя.

При максимальной частоте импульсов /n=fnmax

Uamax=U - (4-26)

Из (4.25) и (4.26) следует, что

U — 2£/2С/птаж//я, (4.27)

Или

Fnmax = ItJi^JC). (4.28)

Емкость конденсатора рассчитывается для наибольшего тока нагрузки. Из (4.28) она определяется как

С = 1ятахтптах. (4.29)

Рассмотренный преобразователь имеет несколько существен­ных недостатков. Максимальное напряжение на нагрузке равно двукратному напряжению питания; для его ограничения надо применять нагрузочные фильтры. Для мощных приводов при высо­ких частотах могут оказаться существенными коммутационные потери и потери во включенных последовательно с нагрузкой ти­ристорах, снижающие КПД установки. В качестве обратного диода должен использоваться прибор с малым временем восста­новления, поскольку к нему в течение короткого интервала време­ни прикладывается двойное напряжение питания. Большая от­ветственность возлагается на схему управления, которая не дол­жна включать очередную пару тиристоров до окончания процесса коммутации тока в другой. Синхронность действия схемы управле­ния может быть обеспечена с помощью датчиков тока конденса­тора. Через коммутирующий конденсатор проходит полный ток нагрузки с частотой, вдвое превышающей частоту преобразова­теля.

Однако данный преобразователь имеет и свои достоинства. Он моЖет коммутировать любой ток. Для него не требуется дорого­стоящий реактор, являющийся к тому же источником шума. Ча­стота коммутации достигает нескольких тысяч герц, а потому к фильтрам для сглаживания тока якоря не предъявляются высо­кие требования.

Пример 4.4. Рассчитать емкость коммутирующего конденсатора для им­пульсного преобразователя по схеме рис. 4.7, а при максимальной частоте им­пульсов 5 кГц. При расчете использовать данные из примера 4.2.

Решение. Емкость конденсатора находится по (4.29): 100

= 100-10-еФ = 100 мкФ.

2-100-5-103

Поскольку через конденсатор протекает переменный ток, должен быть использован бумажный конденсатор с малыми потерями. При отсутствии кон­денсаторов емкостью 100 мкФ на ток 100 А может быть составлена батарея из 10 параллельно включенных конденсаторов с номиналом в 10 мкФ либо из пяти конденсаторов по 20 мкФ в зависимости от их допустимого тока.