Переходный процесс в широтно-импульсном преобразователе постоянного напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382.2

ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС В ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Н.М. Сапрунова г. Челябинск, ЮУрГУ

Определены условия работы тиристоров для первого периода работы в схеме тиристорного преобразователя постоянного напряжения.

Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения, выполненные на тиристорах, применяются для электроэрозионной обработки материалов [1]. Исследование вольт-временных характеристик эрозионного промежутка приведено в работах Лившица А.Л. и др. авторов [2]. В них показано, что в первом приближении эрозионный промежуток можно представить противо-ЭДС £э, если длительность импульса тока через него больше, чем 3 т, где т - постоянная времени эрозионного промежутка.

Схема исследуемого генератора импульсов приведена на рис. 1, где К!>1 - рабочий тиристор; К52 - коммутирующий тиристор; - токоограничивающее сопротивление; £э ~ противо-ЭДС нагрузки; Яш - шунтирующее сопротивление, замыкающее контур тока при отсутствии электрического разряда в промежутке.

В задачу исследования входит определение следующих показателей работы генератора импульсов: 1) времени, предоставляемого на восстановление управляемости тиристоров и 1/Б2; 2) максимального напряжения на конденсаторе С, тиристорах и диоде УО.

Рис. 1. Схема тиристорного генератора импульсов

При анализе схемы приняты следующие допущения: 1) тиристоры - идеальные ключи; 2) индуктивность намагничивания Ьт трансформатора постоянная, а индуктивностью рассеяния можно пренебречь; 3) схема питается от источника ЭДС.

Допустим, что в первый период работы генератора не произошло разряда в эрозионном промежутке и нагрузка носит активный характер. Период работы разбит на несколько участков (рис. 2).

Рис. 2. Временные диаграммы работы

Соответственно принятым допущениям схема замещения для первого участка работы при включении тиристора УБі приведена на рис. 3, где Яд - сопротивление диода и соединительных проводов. Контур диода и конденсатора для интервала времени А/, приведен к первичной обмотке трансформатора через коэффициент трансформации

к = ц>х1м>2: С' = с/к2, Яа -Кд-к2, ї2 = і2 /к, и'с-ис- к.

(1)

Преобразовательная техника

rs.

Рис. 3. Схема замещения для первого участка работы

На первом участке работы Д?х конденсатор заряжается до некоторого начального напряжения ис\, полярность которого обозначена на рис. 3 без скобок. Наличие в схеме индуктивности и емкости создает условия для протекания либо апериодического, либо колебательного процессов. В дальнейшем индексам «а» обозначаются величины для апериодического процесса, индексом «к» - для колебательного.

На основании решения операторных уравнений для первого участка работы находится ток:

р2-е{р)

Г2=-

R-i^p2 +а'-p + df j где R = Rö +RH +Rm, Ri =RH+Rut,

а =

К

(2)

(3)

Lm^d^R Іи-С'-Д

Заряд конденсатора заканчивается в момент прохождения через ноль зарядного тока емкости. Напряжение на обкладках конденсатора ис{() нарастает от нуля до значения, определяемого временем заряда, и блокируется диодом КО. Из условия ¿2 (?) = О находятся времена заряда конденсатора Д?іаи Д?ік:

1 . 2 V

AtUl = — arcsin b

А f,

1 к

-arcsin

ю

2ю'

4(ю')2 +4(а')2

(4)

(5)

\ 4 ^ 4

Значения Д/1а и Д^к позволяют определить напряжение на конденсаторе в конце первого участка:

^са\ 2

хехр

kc'R

а

------arcsm

2 b'

2 Ь'

(7)

Uck\

Е

<ехр

kc'R^(a'f -4(a'f

2ю'

-arcsin

2ю'

(8)

Искомые величины времени заряда и напряжения на конденсаторе удобно выразить в относительных единицах, причем, в первом приближении считать ^ > R¿ . Постоянные времени и время восстановления рассматриваются относительно периода следования импульсов Т:

-т0,----т,

^т _ ^

R'ÖT ~ р,Т~ 8

^ ^ и ' гр J ' II/ т и 1 т в (^)

Время заряда и начальное напряжение на конденсаторе определяются из выражений:

(10)

2

J>- 4

А

&Чк _ 2

•arcsin. 1 -

Т т,

■ arcsm

Uca і Л

—— = — ехр Е к

UCk\ А —ехр Е к

1 • і 4

===== -arcsin. 1 —

4 V А

1-

1

• arcsm

1-1

(П)

(12)

(13)

где А = ■

к

С момента времени í1 начинается второй участок работы. В схеме рис. 3 остаются два элемента: индуктивность Ьт и нагрузка Rн, процессы в которых определяются постоянной времени тн= LJRl^ и начальным значением тока намагничивания. Значение тока нагрузки находится из выражения:

R.,

1-ехр

Ч VH J

"И.

гт(?і)-ЄХр

. (14)

У

При условии, что длительность импульса тока нагрузки подчиняется неравенству /и> т„, в нагрузке устанавливается значение тока /0=£/і?н-

В момент времени f2 происходит включение тиристора У52. Напряжение на конденсаторе не изменилось: ис2 = исі. Начинается третий участок работы. Схема замещения для него приведена на рис. 4. Начинается выключение тиристора УБ], сопровождаемое протеканием обратного тока в контуре С-УБі-УБі. Зная уменьшение напряжения ис2 на конденсаторе за счет протекания обратного

Сапрунова HM.

Переходный процесс в широтно-импульсном преобразователе постоянного напряжения

тока тиристора, можно определить напряжение конденсатора после выключения тиристора Изменение напряжения определяется по изменению заряда на обкладках конденсатора.

1 Рис. 4. Схема замещения на третьем участке работы

При протекании прямого тока в слоях рип тиристора накапливается некоторый заряд <Зпр. Величина накопленного заряда является функцией прямого тока, и скорости изменения прямого тока в момент времени перед коммутацией. Заряд восстановления тиристора Оа определяется по методике, приведенной в [3].

Вычисляется ампер-секундный интеграл за последние 6 мкс проводимости прямого тока: ~б Л" гт" зависимости

Qnp -la ■6-10_оАс Ö

Q

■np

di

По

определяется

np

%. При-

чем, при —>100 А/

F dt /мкс

кривая относительного

значения обратного заряда стремится к двукратному насыщению. Изменение напряжения на конденсаторе равно Аис=Ов/С. Расчеты, проведенные для значений /а=(10...200) А и соответствующих им значений коммутирующих емкостей, показали, что изменение напряжения на конденсаторе невелико по сравнению с начальным значением: 8%£/с(>>Д£/с>0,5%£/со. Это позволяет принять значение напряжения на конденсаторе в момент времени и таким же, как для момента времени и.

С момента ц начинается четвертый участок работы - процесс перезаряда конденсатора. Схема замещения приведена на рис. 5.

Для нее найдены значения напряжений на конденсаторе [/са (0 и (Уск (().

Промежуток времени, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшается от начального начального значения до нуля, определяет время, предоставляемое на восстановление управляемости тиристора :

2

"вa

Ti,

4_

В

г arcsm

1-

В

1+чі

г/,:

в

-і

1 Д

В{ Е

(15)

1вк

Тх,

г arcsm

В

-1

•їх

1 + -

2 + -

Ur-

В

ііД

ВІ Е

(16)

В случае колебательного процесса перезаряда конденсатора на интервале времени Л/3 величина напряжения на нем превышает Е. Тогда после прекращения тока через тиристор VS2 конденсатор разряжается по цепи £-^н-Тр-К53, пока напряжение на нем не достигнет значения Е. Начальное напряжение конденсатора U0o для следующего периода работы равно Е, так как в токе нагрузки должна быть пауза. Для работы на эрозионный промежуток желательно иметь апериодический процесс при работе VS2, чтобы отсутствовало обратное напряжение на эрозионном промежутке.

Наибольшее обратное напряжение t/Tl0 к тиристору VSi прикладывается в момент t2, следовательно, оно равно Uci. Наибольшее прямое напряжение £/т1, равное Е, прикладывается при апериодическом процессе с момента г4 до начала второго периода работы, в колебательном процессе напряжение UTі* - в момент времени tm3:

и,

Пк

1 +

и,

с 0

1-ехр

m3 ' 2т J

cos

‘m3

л/4-B-l 2т 3Т

+

4аВ~\ ““ 2т3Т JJ Е ' V45-1 У 4 R -1

Чл

Е

1+^ |х

хехр

2т J

‘»З 1.5ІП?™3

2х3Т

(17)

П реобразовательная техника

ШтЪ - arcsin[l +

a^E + UcO + imiRà) a2(E + UcO)

2ш cR

4ш

-(E+Uco)

}(E + Uco)~(E + Uc0y

где a =

2(0 Lm+RR’C

CLmR

E+UCQ-im3Rd

&cR

(18)

><* =

До

,со = Jd

a

T

A2t,

(19)

lm3 '

E + Uco Rd ^ 2lQLmd

R Lm R

\

sinœf

ш

'expj | +

2(E + UcO + IoLma)~ IoRdf a .

н—і------------------- ------- coscot-------smcof x

R І 2ш

(20)

xexp| --t

Наименьшее прямое напряжение, равное С/с1, прикладывается к тиристору УБ2 после заряда конденсатора. С точки зрения времени, представляемого на восстановление управляемости, тиристор У32 находится в лучших условиях, чем тиристор . В течение интервала времени Л(4 напряжение анод-катод тиристора УБ2 равно нулю, а после начала второго периода становится отрицательным. Наибольшее значение обратного напряжения оп-

ределено в конце интервала Ai3: UT2D = UC5.

Зажигание дугового разряда на эрозионном промежутке происходит в начале одного из периодов работы, в том числе, может произойти в первом периоде. Тогда в схемах рис. 1, 3, 4, 5 действует разность ЭДС (Е-Еэ) и выражения, полученные для активной нагрузки, справедливы для нагрузки в виде противо-ЭДС.

Выводы

1. Условия работы тиристора VSi тяжелее, чем тиристора VS2.

2. Время, предоставляемое на восстановление запирающих свойств тиристора VSh необходимо определять для первого периода работы, связанного с первоначальным включением FSj.

Литература

1. Бронштейн, Л.И. Исследование и разработка источников питания для электроэрозион-ных станков на базе тиристорных прерывателей постоянного тока: дис. ... к.т.н. / Л.И. Бронштейн. -Львов, 1974. -35 с.

2. Электроимпульсная обработка металлов / А.Л. Лившиц, А. Т. Кравец, И.С. Рогачев, А.Б. Со-сненко. -М. : Машиностроение, 1967. -295 с.

3. Кремниевые управляемые вентили-тиристоры. Технический справочник / под ред. В.А. Ла-бунцова. - М.: Энергия, 1964. -360 с.

Сапрунова Надежда Михайловна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» ЮУрГУ, окончила ЧПИ в 1962 г. по специальности «Автоматика и телемеханика».