Аналитическое представление электромагнитных и энергетических характеристик широтно-импульсных преобразователей

Регулировочные характеристики ШИП были рассмотрены выше. Энергетические и электромагнитные характеристики ШИП рассчитываются на основании анализа электромагнитных процессов.

Для симметричного способа управления при обобщенной нагрузке на коммутационных интервалах имеем:

Т< t<

где для одноплечевые схем и для мостовых схем, = 0, 1, 2, 3, ........ целые числа.

Разделим все слагаемые уравнений на и обозначим , тогда эти уравнения можно представить в относительных единицах:

1 = ,

-1 = ,

где - относительный ток нагрузки, - относительная э.д.с. нагрузки, - постоянная времени нагрузки.

Для несимметричного и поочередного способов управления вышеприведенные уравнения запишутся в виде:

1 = ,

0 = ,

Среднее относительное напряжение на выходе ШИП определяется и уравнений:

- при симметричном способе управления (двухполярном напряжении на нагрузке).

- при несимметричном управлении (однополярном напряжении на нагрузке),

Ток нагрузки содержит среднюю составляющую и пульсирующую составляющую . Средний ток обусловлен средним значением напряжения на нагрузке и величиной эдс:

при двухполярном напряжении на выходе ШИП,

при однополярном напряжении.

Величина пульсирующей составляющей находится из решения системы уравнений , обобщенное выражение этой составляющей имеет вид:

Средние и эффективные токи в нагрузке, в силовых транзисторах, диодах и в источнике питания могут быть определены по упрощенным выражениям, если принять, что мгновенный ток нагрузки изменяется по закону:

при nT<t<(1+n) ,

при (1+n) .

При найденных токах мощность в нагрузке, мощность, потребляемая из источника питания и потери в силовых полупроводниковых элементах ШИП, находятся по уравнениям:

Узлы принудительной конденсаторной коммутации

Тиристоров.

В ИППН на однооперационных тиристорах перевод тиристора из закрытого состояния в открытое с целью формирования на выходе преобразователя импульсов напряжения осуществляется подачей на его управляющий электрод отпирающего импульса от системы управления. Для создания паузы i_п в кривой выходного напряжения по окончании времени i_и тиристор нужно запереть. Для осуществления операции запирания ток тиристора необходимо уменьшить до нуля, после чего к тиристору в течение некоторого времени приложить обратное напряжение. Указанные условия, требуемые для запирания тиристоров, в таких преобразователях, как управляемые выпрямители и зависимые инверторы, создаются воздействием переменного напряжения питающей сети при отпирании другого тиристора преобразователя. Процесс запирания тиристоров под действием питающей сети переменного тока называется естественной коммутацией. В преобразователях, которые рассматриваются в этой главе, питание осуществляется постоянным током, в связи, с чем запирание тиристоров здесь возможно лишь путем принудительной подачи на прибор импульса напряжения отрицательной полярности использованием предварительно заряженного конденсатора. Такую коммутацию принято называть принудительной (искусственной). Такая коммутация применяется не только в ИППН, но и в автономных инверторах. Таким образом, схемы ИППН должны быть дополнены узлами принудительной коммутации.Схемы коммутационных узлов различны и они различаются как способами соединения элементов, непосредственно участвующих в запирании тиристоров преобразователя, так и способами выполнения цепей, предназначенных для решения вспомогательных задач. На ри. 7.9. приведены в упрощенном виде наиболее распространенные схемы КУ, применяемые в тиристорных преобразователях. На схеме: Т_с – силовой тиристор, Д_о – обратный диод, Z_н – нагрузка. В коммутационный узел входят: коммутирующий дроссель L_д, коммутирующий конденсатор С_к, предварительно заряженный до U(0) с полярностью, указанной на схемах, коммутирующий тиристор Т_к, предназначенный для управления моментом запирания силового тиристора. Рассмотрим процессы, протекающие в схемах при запирании силового тиристора, который следует после подачи управляющего импульса на отпирание тиристора Т_к. На схеме рис.3.10.а. процесс коммутации обуславливается образованием колебательного контура, в который входят включенные встречно-параллельно тиристор Т_с и диод Д, конденсатор С_к и открытый тиристор Т_к . В момент времени t₁ с отпиранием тиристора Т_к в контуре начинается колебательный процесс перезаряда конденсатора, в котором ток i_с имеет вид полусинусоиды. Направление тока i_с указано на схеме. На интервале t₁- t₂ (рис.7.9.) ток i_с протекает через открытый тиристор Т_с навстречу току i_н . _с На этом интервале под действием возрастающего тока i_с происходит уменьшение тока тиристора. В момент времени t₂ i_с= i_н и ток силового тиристора равен нулю. С этого времени возрастающий по синусоидальному закону ток i_с протекает через диод Д. Цепь протекания тока i_н при этом создается диодом Д, ток которого равен разности i_с- i_н. Во время протекания тока через диод Д на силовом тиристоре действует обратное напряжение, требуемое для восстановления его запирающих свойств.Оно составляет 0,8-1,2 В, падение напряжения на диоде Д. Время протекания тока через диод Д характеризуется интервалом i₂- i₃ на котором i_с> i_н . Указанный интервал определяет время i_п.в , предоставляемое коммутирующим узлом для восстановления запирающих свойств тиристора. Условие, необходимое для запирания тиристора, следует считать выполненным, если время i_п.в будет меньше времени восстановления запирающих свойств (время выключения) прибора i_в т.е. i_п.в > i_в. Отметим еще одну особенность приведенной схемы. На этапе протекания коммутационного процесса запирание силового тиристора элементы КУ создают связь нагрузки с источником питания, и нагрузка продолжает потреблять энергию от источника питания до окончания этого процесса. Причина заключается с том, что на этапе коммутации элементы КУ подключаются параллельно силовому тиристору. Возможен вариант, когда элементы КУ подключаются параллельно нагрузке. Такие узлы называются узлами параллельной коммутации.

Рис. 7.9.а. Схема паралельной коммутации. б. Схема последовательной коммутации

В схеме рис.7.9.б коммутирующий конденсатор при отпирании тиристора Т_к подключается через диод Д₀ к тиристору Д_с. Под действием тока конденсатора С_к ток ранее открытого тиристора Т_с быстро спадает до нуля и к тиристору прикладывается обратное напряжение. При этом ток активно-индуктивной нагрузки i_н замыкается через открытый обратный диод Д₀. С отпиранием тиристора Д_к в схеме создается колебательный контур L_k - C_k , в котором происходит процесс перезаряда коммутирующего конденсатора. В контуре коммутации входит источник питания Е. В колебательном контуре процесс перезаряда конденсатора начинается от его начального напряжения U(0). При этом на силовом тиристоре с помощью конденсатора поддерживается обратное напряжение u_b , необходимое для запирания тиристора. Время действия обратного напряжения i_п.в определяется интервалом, в течении которого изменяющееся в процессе перезаряда напряжение на конденсаторе достигает некоторого уровня напряжения U_у , являющегося параметром схемы. В схеме рис.3.10..б., конденсатор С_к в процессе перезаряда подключается параллельно тиристору Т_с через проводящие тиристор Т_к и диод Д₀, в связи с чем обратное напряжение на силовом тиристоре здесь действует до момента перехода через нуль напряжения на конденсаторе (U_у=0) . В схеме рис.7.9.б. элементы КУ подключены последовательно с силовым тиристором и нагрузкой, в связи с чем на этапе коммутации нагрузка в этих схемах отделена от источника питания и конденсатора закрытым силовым тиристором и не получает от него энергию. В соответствии с указанным, схема КУ, рис.7.9..б, относится к узлам последовательной коммутации.

Узел коммутации для GTO тиристоров имеет вид приведенный на рис.7.9.в.

Рис.7.9.в. Узел коммутации для GTO тиристора

Рассмотрим несколько конкретных вариантов схем ИППН.

Поиск по сайту: