Исследование коммутационного процесса в обмотке электрической машины, снабженной полупроводниковым коллектором Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВРХТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 145

1966

ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В ОБМОТКЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ, СНАБЖЕННОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ КОЛЛЕКТОРОМ

Э. Ф. ОБЕРГАН, А. И. СКОРОСПЕШКИН

(Рекомендовано семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Одной из разновидностей коммутирующих устройств в электрических машинах с полупроводниковой коммутацией тока в обмотках является полупроводниковый коллектор, выполненный па тиристорах.

При построении схемы полупроводникового коллектора с питанием от источника постоянного тока для коммутации тока с одного тиристора на другой применяются коммутирующие конденсаторы, которые обусловливают специфичность процесса коммутации тока также в секциях обмотки.

В настоящей статье рассматривается зависимость перенапряжения па коммутируемой секции от параметров обмотки и величины коммутирующего конденсатора.

На рис. 1 представлена одна секция МР обмотки электрической машины и часть полупроводникового коллектора, участвующая в коммутации тока в этой секции в произвольно взятый момент времени.

0 + И пит

¿0 I*

Рис. 1. Электрическая схема ячейки полупроводникового коллектора, связанной секцией обмотки.

Введя обозначения:

и — время замкнутого состояния секции №^

— время разомкнутого состояния секции Шрассмотрим процесс коммутации последовательно в каждом интервале времени.

В начальный момент времени ¿3 = 0 обмотка подключена к шине «+» источника питания в точке а через открытый тиристор 61 и

ДИОД Дх.

При этом по параллельной ветви обмотки, включающей в себя секцию и обладающей параметрами /?0, 10, протекает ток /0, а напряжение на обкладках конденсатора С равно падению напряжения на секции

и* = (1)

где г? — омическое сопротивление секции Ш3.

Падением напряжения на диоде 0} пренебрегаем. При подаче управляющего импульса на тиристор В2 ток в секции №з изменяется по закону

-„.Л

т\ (2)

где в секции в интервал времени tъ,

п— число пар выводов обмотки,

хо =■ — — постоянная времени параллельной ветви обмотки,

Я0 и 10 ~ активное сопротивление и индуктивность параллельной ветви обмотки.

Одновременно с уменьшением тока в секции происходит процесс коммутации тока с тиристора В, на тиристор В2. Этот процесс обусловлен разрядом конденсатора С по контуру С—Вх—В2.

С момента запирания тиристора Вх начинается интервал времени ¿р. По окончании переходных процессов при ¿р = со обмотка оказывается подключенной к шине „ + " источника питания в точке Ь через открытый тиристор В2 и диод Д>.

Поскольку для обеспечения надежного запирания тиристора Вх время разряда конденсатора С должно быть несколько большим времени восстановления управляющих свойств тиристора Вь то в момент запирания последнего напряжение на обкладках конденсатора будет иметь некоторое отличное от нуля значение.

Ток (¿3) в секции в общем случае может быть также отличен от нуля в момент запирания тиристоров Ви т. е. в начале интервала времени ¿р.

Однако с целью упрощения математических выкладок с достаточной для практических целей точностью примем в качестве начальных условий интервала времени ¿Р значения ис=0 и = 0.

Тогда значения и в интервале времени tp могут

быть определены по формулам:

(3)

¿V (¿р) = С--^в!-_ . (4)

В этих формулах

и (¿р) — полные сопротивления в переходном режиме части параллельной ветви обмотки без коммутируемой секции и контура, связанного с секцией №

и

г0 =--установившееся значение постоянного тока в части

&о ~~

параллельной ветви обмотки без коммутируемой секции

13*. 195

При подстановке (4) в (3) можем найти отношение напряжения на конденсаторе С в интервале времени ¿р к напряжению питания обмотки.

и

1 . ур)-г2 (¿р)

(5)

Определив по схеме (рис. 1) выражения для сопротивлений 1Х (£р) и и после ряда преобразований с (5), получим:

--1--(в)

и

(п-1)

1 - е

+ 1

п — \ тя

+ ЯгС-

п~ 1 1

п

Взяв производную от (6) и приравняв ее числитель нулю, най-дем время, по истечении которого отношение будет максимально,

Числитель производной

(п- 1)

1

— -п-е

р -,

п 1 -— .е

п — 1

п- 1

Яг С

п - 1 1

п

0.

Анализ уравнения (6) показывает, что время tpм, по истечении которого отношение -^-достигает максимума, имеет порядок 10~7-:-10~4 сек.

При таком значении 1рл1

t

р м

п- 1

тогда

откуда

п

{п-\)~

я

ря

п

1,

1.С-1

(7)

п

п

р м

о,

¿р М — -

П

II

2(л- 1)

(8)

Подставляя значение tpм из (9) в (6) и принимая во внимание условие (7), получим

1 - - ■ - ' (9)

\ ^ / тзх

Я

ТО

V С п-

2(п-\)

Зависимость

'Чл и

/(С) при различных п и произвольно выб

ранных 10 = 0,2 гн, /?0 = 2 ома показана на рис. 2.

Пользуясь уравнением (9), можно при любых параметрах и числе выводов обмотки определить значение емкости конденсатора, обеспечивающее допустимые для выбранных элементов полупроводникового коллектора и конструкции обмотки перенапряжения на коммутируемой секции.

Следует помнить в то же время, что поскольку этот же конденсатор является коммутирующим для тиристоров, значение емкости его,

£ Рис, 2. График зависимости перенапряжения на коммутирующем конденсаторе С от величины его ем-

кости.

рассчитанное по (9), должно удовлетворять также условию

¿разр ^ ¿в, (Ю)

где ¿разр — время разряда конденсатора С по контуру

с — В1 — в2,

¿в — время восстановления управляющих свойств тиристора, являющееся паспортным параметром тиристора. Выполнение этого условия проверяется расчетом, для чего необходимо предварительно определить по (6) начальное напряжение на конденсаторе иСн в момент времени ¿3 = 0. При этом величина времени ¿р, подставляемая в (6), равна

t -А-*

1 р — ^ 1 в >

где /--частота управляющих импульсов, подаваемых на полупроводниковый коллектор.

ис

Задавшись отношением- напряжения на конденсаторе в момент

и си.

запирания тиристора Вх к начальному напряжению и зная прямое и обратное сопротивления гбпр и гв0бр тиристоров В2 и В1 в открытом состоянии, можно определить значение емкости конденсатора С, обеспечивающее выполнение условия (10) «

¿разр — пр ~Г У в обр) ' С 1п

и сн

откуда

С>--- . (11)

1п —— • (г в пр + г в обр)

и СН.

Если, к примеру, к концу времени ¿Е, т. е. к моменту запирания

тиристора Ви обратное напряжение, приложенное к нему, должно быть не меньше 1% от иСц, то

■1п —= 1п 0,01 - - 2,3.

и.

В этом случае

СН

с>

2,3 (Го Пр |-Гв обр )

В каждом конкретном случае для выбранных схемы обмотки и типа элементов полупроводникового коллектора величины емкости конденсатора С определяются по уравнению (9) и неравенству (11) и выбирается большее значение.

Выводы

Приведенные в настоящей статье аналитические зависимости, характеризующие процесс коммутации тока в обмотке электрической машины, снабженной полупроводниковым коллектором, показывают зависимость перенапряжения на коммутируемых секциях обмотки от параметров обмотки и элементов полупроводникового коллектора.

Полученные расчетные формулы позволяют при проектировании электрических машин с полупроводниковой коммутацией тока в обмот-

198

хах обеспечивать оптимальные условия коммутации путем согласования параметров электрической машины с параметрами элементов полупроводникового коллектора.

ЛИТЕРАТУРА

(.III. И. Л у т и д з е. Полупроводниковая коммутация электрических машин. Сб. Режимы работы электросистем и регулирование синхронных машин, Издательство «Наука», 1964.

2. Ш. И. Лутидзе. Управления и схемы электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. Известия АН СССР, № 6, 1964.