ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА
им. С. М. КИРОВА
Том 285 1^75
ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ КОММУТАЦИИ НА АВМ
в. а. БЕИНАРОВИЧ, А. Е. ДЕЕВ, Л. С. УДУТ, в. С. ФАДЕЕВ (Представлена, на>уч>но~техиичесшим семинаром НИИ АЭМ)
Устройства принудительной коммутации тиристоров (УПК) являются основными элементами, определяющими надежность работы, динамические -свойства, энергетические показатели, вес и габариты силовых ти р исторг ы х р ев ере ивн ых ш ир отно - и мп ул ьс н ых п р еобр азов ат е л е й. Из большого числа известных УПК лучшими возможностям«, на наш взгляд, обладает УПК с независимым зарядом коммутирующего конденсатор а и диодно - ин дуктивн ым ебр асыв а ющи м кон туром, схем а замещения которого представлена на рис. 1.
/ " ¿5 М
РИС. 1.
Такие УПК имеют целый ряд достоинств. Заряд и разряд коммутирующего конденсатора в этих УПК осуществляется по отдельным заряд но-раз ради ым контурам независимо от величины тока нагрузки вплоть до холостого хода преобразователя, когда ток нагрузки равен нулю. В таких УПК имеет место автоматическое увеличение коммутирующего .напряжения ис на коммутирующем конденсаторе Ск при возрастании тока нагрузки за счет вольтдобавки, вырабатываемой дросселем ьк, что позволяет существенно повышать кратковременные перегрузки преобразователя. Потери энергии в процессе коммутации уменьшаются, так как энергия конденсатора Ск, .неиспользованная на коммутацию силового тока, возвращается в конденсатор благодаря ¡колебательному процессу в цепи СкЬк и наличию перезарядной цепи СкЬп, минуя источник питания, цепи питания и нагрузку.
В этом УПК от источника питания осуществляется только подза-ряд коммутирующего конденсатора для покрытия потерь энергии в коммутирующем и перезарядном контурах. В рассматриваемом устройстве принудительной коммутации отсутствует возможность срыва
коммутации из-за возникновения сквозного тока через коммутирующий тиристор и зарядную цепь, поскольку в зарядной цепи УПК использован не диод, а тиристор с синхронизацией включения с запаздыванием относительно коммутирующего тиристора, а также применена блокирующая схема, которая запрещает прохождение запускающего импульса на включение коммутирующего тиристора до тех пор, пока коммутирующий конденсатор Ск не зарядится до заранее заданного напряжения. УПК, построенные по схеме рис. 1, позволяют .с помощью импульсного трансформатора осуществить трансформацию коммутирующего напряжения одновременно в несколько потенциально развязанных коммутируемых тиристорных цепей. Еще одним достоинством таких УПК следует считать то, что их титан и е осуществляется от того же источника, что и для питания двигателя, т. е. не требуется отдельный источник питания. Это связано с тем, что в рассматриваемом УПК не используется явление «раскачки» от источника питания с целью повышения коммутирующего напряжения, при котором значительно увеличивается время .подготовки УЛК к работе.
Методика определения оптимальных параметров УПК может быть разработана на основе исследований влияния величины параметров УПК на электромагнитные процессы в схеме, коммутационные свойства, энергетические и динамические показатели УПК-
При работе УПК вследствие переключения вентилей изменяется электрическая схема и электромагнитные процессы удобно рассматривать по интервалам времени, на которых схема не изменяется, а начальные условия определяются конечными значениями величин на предыдущем интервале.
При первоначальном включении УПК происходит заряд коммутирующего конденсатора Ск от источника питания Е через ключ Т2 (рис. 1). Дифференциальные уравнения процесса имеют вид
Е = ис + Ь3^+ 13Г3
<И
Г Щ
(1)
После окончания заряда конденсатора Ск в момент коммутации замыкается ключ Т1, конденсатор Ск разряжается через коммутирующий дроссель Ьк и процесс будет описываться дифференциальными уравнениями
ис = + ,
к' гк
'к — Ск
с11
(2)
При повторном включении ключа Т2 происходит перезаряд конденсатора Ск с одновременным доз ар ядом его от источника питания. Дифференциальные уравнения процесса на этом интервале времени имеют вид
£ - и,
Ь-
и -I
ис-Ч, ^
б!
+ IV П
'п-Гп
(3)
1,
г ЁЫр
44
о!
Процесс перезаряда заканчивается быстрее, чем процесс дозаряда от источника питания, и когда перезарядный ток уменьшится до нуля, процесс снова описывается дифференциальными уравнениями (1).
Поскольку аналитическое решение уравнений (1), (2), (3) и выбор по результатам решения параметров УПК на основе анализа влияния параметров на коммутационные свойства УПК представляет большие трудности, решение этих уравнений и анализ влияния параметров на коммутационные процессы производятся с помощью АВМ.
При составлении электронной модели УПК были приняты допущения об идеальности вентилей — сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, обратный ток вентиля не учитывается, коммутация вентилей осуществляется мгновенно. Такие допущения являются общепринятыми и облегчают моделирование, не внося значительной погрешности.
Для удобства моделирования представим дифференциальные уравнения П) для зарядного контура в виде системы двух уравнений [1]
U,
l3 3 dt
С P
dt
(4)
Вводя масштабные коэффициенты тока ш,-, напряжения ти и времени т*, получаем из (4) машинные уравнения
dU^
■dV 11
LCM —
m
mu-mrl3
3 mt ■ L;
U
CM
Ш
m, -ffifL,
UMi/dtM
(5)
Структурная схема модели согласно уравнениям (5) представлена на рис. 2 тремя решающими усилителями /, 2, 5. Параметры модели определяются из соотношений
R2I СЦ
Кд 1 С]
m
u • mt - L3 t r mt L3
— 5 Kii v-ii = ——
m
Ro9 С
CL. • m; • m.
22 2
m,
(6)
Дифференциальные уравнения для набора модели коммутирующего и перезарядного контуров имеют вид
U,
г diK . .
+ 'к-Гк;
и - L din Uc п dt
+ in-Г.
(7)
(8)
Вводя масштабные коэффициенты, получаем машинные уравнения
dU
Ml
dtM dUMi
* = U.
m
ffln-nifL
U • к
М1к-г~
пъ-ь,
dt
я - U
mi
CM
M
mu-mt-Ln
U«ln
m,-L,
(9) (10)
т
40080-!-[■
гИС.
Структурная схема модели уравнения (9) представлена на рис. 2 интегрирующим усилителем 3 и инвертором 4. Параметры модели определяются из соотношений
Щ'^к
г Ши-ШЕ _ г __ К1Г)^!л —--~----- , К2о Чг, —
Ш;
1)
Структурная схема модели уравнения (10) на рис. 2 содержит интегрирующий усилитель 7 и инвертор 9, параметры модели определяются из соотношений
1^24* —
шгЬп
т
(12)
Процесс включения коммутирующего тиристора Т1 имитируется нормально закрытыми контактами 4Р, 5Р, а включение зарядного ти-ристрр-а Т2 — нормально открытыми контактами 1Р, 2Р, ЗР переключающего устройства Р. Диоды Д1-Д5 позволяют учитывать нелинейности реальной схемы, связанные с односторонней проводимостью вентилей. Для учета тока нагрузки в модели (рис. 2) служит усилитель 11, а для учета нарастающего во времени тока нагрузки — интегрирующий усилитель 15.
Электронная модель УПК дает возможность исследовать картину переходных процессов в самых различных режимах работы и оценить влияние параметров УПК на его коммутационные и динамические свойства.
В результате исследования влияния изменения параметров зарядной и перезарядной цепи были получены показанные на рис. 3 зависимости относительного амплитудного напряжения ис на коммутирующем
конденсаторе Ск от отношения
при различных, но равных до-
бротностях зарядоого и перезарядного контуров (3 и отсутствии тока нагрузки (1н= 0). Рассмотрев эти зависимости, можно сделать вывод о том, что для устранения «раскачки» коммутирующего напряжения выше 2Е на холостом ходу необходимо выбирать отношение ,
А-Т1
Рис. 3.
равное 15—20 при добротности контуров Q = 15—20. Величина индуктивности зарядного дросселя должна выбираться из условия, чтобы за время, равное периоду коммутации, колебательный заряд коммутирующего конденсатора Ск от источника питания Е полностью завершился.
Без учета потерь в коммутирующем контуре связь между параметрами LK и Ск, обеспечивающая принудительную коммутацию силового тиристора, при постоянных значениях максимального напряжения на конденсаторе Uc max, максимального тока нагрузки Imax и времени восстановления запирающих свойств тиристора tB с достаточной для практических расчетов точностью может быть записана в следующем ви-де [2]:
п t 2
^г гпяу ltt (13)
LK
2СК
Uc
max
Е -
^пчах' ^в
ск
На рис. 4 показана зависимость между параметрами Ьк и Ск, построенная по уравнению (13) при определенных значениях других величин. Из рис. 4 видно, что параметры ЬКСК, обеспечивающие коммутацию, можно варьировать в широких пределах. Однако выбор параметров коммутирующего контура требуется производить с учетом пе-
/л, пкгн
500 500 400 ЬОО 200-100
о
i
fyna* * 7006
_ Iта г 41 WO ¿2 t£oecr'-25Ww
I i ! 1
i V i i \; i \j 1 1
! -1
10 15 20 25 30 Рис. 4.
С>г, тф
репрузочной способности преобразователя, то есть обеспечения необходимого автоматического возрастания коммутирующего напряжения при увеличении тока нагрузки. Для этого на АВМ были рассчитаны и исследованы зависимости отношения амплитуды напряжения Uc на коммутирующем конденсаторе Ск к напряжению источника питания Е в функции относительного значения тока нагрузки при различных соотношениях , определяемых выражением (13) рис. 4. Вид таких зависимостей показан на рис. 5 сплошными линиями. На этом же рис. 5 пунктирными линиями для тех же соотношений показаны за-
виси мост и величины коммутирующего напряжения, требующегося для
Us
с
0,2 0 и 0,6 0,8
а
[так
О,Z 0,4 0,6 0,8 1 ё
¡max
Ln _ С/к
25
! I max = 10Off
—i------,---
i £ -- ггой
0,2 0,V о,6 0,3 1,0 irwx 0,2 0,6 0,8 1,0 I max 5 ' г
Рис. 5.
выключения разных значений тока нагрузки, рассчитанные по формуле (14), полученной из (13)
2LKCK
Up =
Е + -'
н V\
I
(14)
Ск
tB2
Из рис. 5 видно, что с увеличением отношения возрастает
к
коммутирующее напряжение на конденсаторе Ск за счет вольт о добавки от тока напрузки. При исследованиях было определено, что оптимальное
соотношение равно 26. При меньших значениях отношения
вольтодобавка от тока нагрузки .мала и устройство принудительной коммутации не обеспечивает выключение заданного максимального тока
нагрузки. При отношениях — больше 26 наблюдается избыточное
увеличение напряжения коммутации, что ведет к необходимости применения конденсаторов и тиристоров с повышенным рабочим напряжением и обуславливает рост коммутационных потерь.
Электронная модель устройства принудительной коммутации позволяет исследовать динамические свойства УПК. Для этого в модель вводится с помощью усилителя 15 нарастающий во времени ток нагрузки и определяется при этом скорость нарастания коммутирующего напряжения на конденсаторе Ск. Таким образом, можно определить допустимую скорость нарастания тока нагрузки, при которой не будет происходить срыва коммутации.
Моделирование УПК дает возможность оценить влияние параметров на коммутационные свойства УПК и определить допустимые скорости нарастания тока нагрузки.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. И. С т у л ь н и к о в, Е. В. К о л ч е в. Моделирование полупроводниковых преобразователей. Киев, «Техника», 1971.
У2. В. А. Бейнарович, JI. С. Удут, B.C. Фадеев, Н: Г. Волков. К расчету параметров узла принудительной коммутации. Доклады VII научно-технической конференции. Статические преобразователи в электроприводе и автоматике. Томск, изд-во ТГУ, 1971.