Полупроводниковый коллектор постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

И 3 в к с т и я

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЛНАМКИИ ПОЛИ!ЕХИИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КШ'ОИА

Том 152 1966

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОЛЛЕКТОР постоянного токл

Э. Ф. ОБЕРГАН, А. Я. СКОРОСПЕШКИН

Рекомендовало семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники

В связи с развитием полупроводниковой техники получили развитие работы по созданию схем бесконтактной коммутации тока в электрических машинах.

В настоящей статье рассматривается разработанный нами полупроводниковый коллектор на тиристорах, позволяющих осуществлять вращение магнитного ноля постоянного тока в электрических машинах.

На рис. 1 представлена принципиальная электрическая схема полупроводникового коллектора постоянного тока.

Обозначения на схеме:

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема полупроводникового коллектора постоянного тока.

Н^ —одна секция обмотки возбуждения;

В — управляемый вентиль;

С — коммутирующий конденсатор;

0\ — отсекающий диод;

О) — выпрямительный диод;

ин — напряжение возбуждения;

С/—напряжение дополнительного источника постоянного тока;

¿н —ток возбуждения в одной параллельной ветви обмотки;

I — ток возбуждения в общей цепи;

г — сопротивление контура КС.

Вращение оси магнитного потока возбуждения в пространстве при неподвижной обмотке возбуждения достигается последовательным перемещением точек подключения Vн к обмотке возбуждения. Это обеспечивается последовательным включением и отключением вентилей, соединенных с диаметрально расположенными выводами обмотки возбуждения и разнополярными щинами напряжения возбуждения.

Поскольку вентильный коллектор представляет собой симметричную кольцевую схему, подробный анализ рабочего процесса переключения и^ с одной пары выводов обмотки возбуждения на другую, смежную пару выводов, произведем по схеме рис. 2,

В момент времени Л = 0. включены вентили В{ и В->. Величина тока, протекающего по обмотке возбуждения, равна:

/ =21

ЛВ О '

(1)

где К — общее сопротивление обмотки возбуждения.

ЦМ, ЦЛз -11—ЛДЛ/

г40 Ч<}

■кн

-кк «-1

и с. 2. Электрическая схема двух работающих ячеек коллектора в период коммутации.

В момент времени ¿2 от управляющего устройства поступает управляющий импульс на вентили Вл и Ви которые при этом открываются. Некоторое время ток 1Н будет протекать через вентили Ви Вл и В4. После гашения вентилей В{ и В- ток 1Н будет протекать через вентили Вл и В4, т. е. точки приложения £/„ к обмотке возбуждения сместятся на угол

н

где п — число выводов обмотки возбуждения.

Широко распространенным способом гашения открытых вентилей является применение внутренних источников коммутирующих э. д. е., в качестве которых используются статические конденсаторы, работающие в режиме перезаряда. Подключение заряженных конденсаторов «С» непосредственно на открытые управляемые вентили приводит практически к мгновенной коммутации, поскольку разрядный контур С—51—В.\ почти полностью лишен индуктивности. Некоторой индуктивностью соединительных проводов и переходов анод—катод у вентилей можно пренебречь-

Вместе с тем, каждый тип управляемого вентиля обладает заданным конструкцией временем восстановления управляющих свойств. Поэтому критерием устойчивости коммутации служит неравенство

'р > ¿Н , (2)

где

¿р — время, в течение которого к вентилю прикладывается обратное напряжение, или время разряда конденсатора;

— время восстановления управляющих свойств вентиля.

Для обеспечения этого неравенства в цепь конденсатора введено сопротивление а также включены отсекающие диоды предотвращающие разряд конденсатора на короткозамкнутую секцию обмотки возбуждения.

Процесс гашения открытого вентиля рассмотрим на примере коммутации тока с вентиля В] на вентиль В >.

До подачи управляющего импульса на вентиль В>, ток 1В проходит через открытый вентиль В¡, диод и поступает в обмотку возбуждения через вывод 1. При этом полярность напряжения на обкладках конденсатора С соответствует полярности падения напряжения на секции И^ обмотки возбуждения.

С момента подачи управляющего импульса на вентиль В, ток /в проходит одновременно через вентили В\ и В-л, диоды 0{ и О^ и поступает в обмотку возбуждения через выводы 1 и 3. Поскольку разность потенциалов между точками 1 и 3 равна нулю, секция оказывается закороченной, и приложенное к конденсатору внешнее напряжение обращается в нуль. Положительно заряженная обкладка конденсатора С при этом соединена с анодом вентиля В и а отрицательная обкладка — с катодом В\. К вентилю В\ оказывается приложенным отрицательное напряжение, под действием которого происходит восстановление его управляющих свойств.

Как указывалось выше, в период коммутации потенциалы точек 1 и 3 при прохождении тока I н равны между собой. Однако до* включения вентиля Вл по секции протекает постоянный ток /в

Следовательно, в период коммутации секция за счет энергии,

магнитного поля, запасенной в ней, будет генерировать реактивную мощность, при этом полярность напряжения в точках 1 и 3 будет

обратной полярности падения напряжения на секции Ws при протекании по ней тока £в . Эта реактивная мощность отрицательна по отношению к мощности, развиваемой в обмотке возбуждения током /в . Для исключения пульсаций тока /и в обмотке возбуждения емкость конденсатора С следует выбирать такой величины, чтобы время перезаряда С было равно времени установления тока — >н в секции Ws после запирания вентиля В\. Если при этом ограничивается верхний предел частоты переключения вентилей, то емкость С необходимо выбирать только из условия (2), а для компенсации реактивного сопротивления секций Ws во время коммутации, а также для компенсации реактивной мощности обмотки возбуждения, вызванной пульсацией тока возбуждения, целесообразно использовать рекомендации, которые дает теория вентильных инвенторов.

Если все выводы обмотки возбуждения соединить с многофазным выпрямителем, то реактивная мощность коммутирующих секций и реактивная мощность обмотки возбуждения преобразуются в дополнительный источник постоянного тока, который можно подключить к основному источнику постоянного тока — источнику возбуждения. Таким образом, реактивная мощность обмотки возбуждения становится активной и возвращается в цепь источника питания схемы. Описанный режим работы изображен графически на рис 3- В момент времени (тг —ср) энергия из цепи возбуждения передастся в обмотку возбуждения, а в момент времени ? энергия, запасенная в реактивных элементах обмотки возбуждения, передается в дополнительную цепь постоянного тока U ^ . Следовательно, работа схемы может происхо-

7Г

дить при любом cos ф от 1 до 0, а при обмотка возбуждения

переходит в генераторный режим и передача энергии в этом случае происходит от источника U к источнику £/в .

Рис. 3. Кривые энергетических соотношений в цепях постоянного тока

У в и ил .

Если

Рв — среднее значение мощности, потребляемой от источника

и* ,

Рд — среднее значение мощности, отдаваемой от обмотки возбуждения в цепь U д .

S — кажущаяся мощность нагрузки то, считая, что ток 1Н и напряжение V в в обмотке возбуждения изменяются во времени по синусоидальному закону (рассматривая

(3)

(4)

(5)

12 С 1

Р'в = 1и '~Г1Рв dt=cos? + —(sin? ~ <?cos?}. (7)

2r/v

p\ = I^J- J4 dt| = ^Csincp — cpcos-f). (8)

о

Как видно из полученных выражений, мощность, отдаваемая обмоткой возбуждения в дополнительную цепь постоянного тока, зависит от величины cos?. При этом цепи источников постоянного тока неуравновешенны, и степень неуравновешенности зависит также от cos ср. Если источник постоянного тока Un не обладает обратной проводимостью, то минимальный cos ср обмотки возбуждения должен быть больше некоторой критической величины, при которой ток источника UH будет спадать до нуля.

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА КОММУТАЦИИ

При анализе сделаем следующие допущения:

1. Коммутация тока с открытого вентиля на вентиль, открываемый запускающим импульсом, происходит мгновенно.

2. Внутреннее сопротивление источников постоянного тока 1УВ и Uравно нулю.

Анализ процесса коммутации произведем, рассматривая два интервала времени в зависимости от комбинации включенных вентилей:

а) интервал времени я, когда проводят ток вентили В{\ D \ Bti D3; в2; D2; Вх, D,;

б) интервал времени когда проводят ток вентили D3; В Dv

первую гармоническую), можно записать [4¡]:

Рв Яд п/ __р' _ _*

Г в - 5 • д ~ S ' ' ¿B = jT2 /в sin(>¿—<p) ,

^в = /Т£/в • sino>¿,

Рв = h Ub [eos? — COS(ü>¿ - <p)] ,

I

а) Интервал времени а. До подачи управляющего импульса на вентиль Вл, ток / в в обмотке возбуждения равен

'в -"Л '

где Л — омическое сопротивление обмогки возбуждения. Это равенство говорит о том, что в конце интервала переходный процесс заканчивается установившимся значением тока Iв ■

После подачи управляющего импульса на вентиль Вл в момент времени ¿(0) ток /в , протекавший по вентилю В), начинает протекать также по вентилю Вч. При этом, считая проводимости вентилей одинаковыми, ток /в распределится между ними поровну.

Величина тока 1Н при этом изменится вследствие изменения омического сопротивления обмотки возбуждения на величину

Я-ЛЯ "Я

где Д/?= 2 г$ —сопротивление двух короткозамкнутых секций обмотки возбуждения, и будет равна

_ t

Л« = 7в + д/во(1 - е V)- (9)

где

I- 21ц г"

Л/? А Н)

А'во^г/ -пГЪ" ^Т г (10>

— постоянная времени обмотки возбуждения с двумя кореткозамкнутыми секциями.

- --- (11)

Одновременно с этим процессом будет происходить процесс разряда конденсатора С по контуру С—ВА—Вл—г и процесс спадания тока в секции до нуля- Пренебрегая сопротивлениями откры-

тых вентилей В\ и*£з> можем записать значение напряжения на обкладках конденсатора в процессе разряда

__ *

ис = ив е (12)

где

Ц& — падение напряжения на сопротивлении секции И^ да подачи управляющего импульса на вентиль В:,;

т2--г С — постоянная времени контура. (13)

Ток в секции \Х/5 будет уменьшаться по показательному закону. Поскольку в рассматриваемый интервал времени а вентиль В\ открыт, то секция IV5 оказывается замкнутой накоротко через

цепь дополнительного источника ид . Значение тока при этом будет

{

1'в =1в (14)

где

/в

/в = — величина тока в параллельной ветви обмотки воз-

буждения до начала коммутации;

секции М/'5 обмотки возбуж-I

Для исключения влияния реактивной э. д. с. секции I, участвующей в процессе коммутации, на общую цепь обмотки возбуждения целесообразно, чтобы к концу интервала времени о. ток в секции упал до 0. Согласно приведенному закону изменения тока .¿'в , он будет равен ну^но через бесконечно большое время. Практике

чески при значениях —г- = 0,01-г 0,005 можно считать процесс рас-

сеивания реактивной энергии короткозамкнутой секции IV 5 законченным.

Следовательно, для соблюдения условия

¡'в (а) =о

необходимо, чтобы время рассеивания энергии секции IV 8 было не больше времени восстановления управляющих свойств вентиля Вь т. е. целесообразно соблюдение неравенства

— >5. (15)

Выполнение этого условия зависит от качества выбранных управляемых вентилей. В случае невозможности соблюдения этого неравенства, компенсацию влияния реактивной энергии коммутирующей секции осуществляет дополнительный источник. £/д .

Если же указанное условие соблюдено, то расчет конденсатора С производится только из условия обеспечения надежной коммутации.

б) Интервал времени В. Отсчет интервала времени р начинается с момента восстановления управляющих свойств вентиля В3 и прекращения протекания по

7" г

нему тока . С этого момента весь ток I в проходит через вентиль

Разветвляясь на две параллельные ветви обмотки возбуждения, /р

ток будет проходить через секцию , которую считаем обесточенной к началу интервала времени В и через цепь г—С— Ток через секцию будет равен

^ -2-(1 Х] ), (16)

ток через цепь г — С

'в -

*'с := ~2~ е (17)

Общий ток в параллельной ветви не должен изменять своего значения и равен

т^ = — — постоянная времени 5 дения,

^ г • п

= +''с = 4 ( « ' (18)

откуда

е ^ , (19)

Т^х,. (20)

»Следовательно, из условия непрерывности тока 1В величину конденсатора необходимо брать равной

г С- п ,

С-ТГт ■ (21)

Величина емкости конденсатора из условия надежной коммутации может быть определена, если зададимся

= 2(в , (22)

тогда

21»

--Р "2 = р '2

и*

Разряд можно считать законченным при

-^=5, (23)

- о

откуда

^ 5

2 ¿в

С = -р.— . (24)

5г

При необходимости обеспечения максимального для выбранного типа вентилей верхнего предела частоты переключения, емкость конденсатора С выбирается согласно равенству (24)-

При необходимости обеспечения минимальных пульсаций тока 1В , емкость конденсатора С выбирается из условия (21).

ВЫВОДЫ

Разработанная схема полупроводникового коллектора позволяет осуществить электрическую машину постоянного или переменного тока, в которой ось магнитного поля возбуждения, созданного постоянным током, может вращаться в пространстве в широком диапазоне скоростей или же поворачиваться на определенный угол по заданному закону.

Количество выводов обмотки определяется заданным допустимым процентом искажения формы магнитного поля при вращении и максимальным значением частоты вращения поля (частоты переключения полупроводниковых ячеек).

При этом

/у МП

/п — частота вращения поля;

/упр — частота импульсов управления (переключения ячеек) ; п — число выводов обмотки.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. А. Булгаков. Оси (»вы динамики управляемых вентильных схем. АН СССР,

1964.

2. Ф. И. Б у т а е в, Е. Л. Э т т и н г е р. Вентильный электропривод. ГЭИ, 1961.

3. А. С. Васильев, А. Е. С л у х а ц к и й. Электронные и ионные инверторы

высокой частоты. ГЭИ, 1951.

4. Д. А. Завал и ш и и, И. Ф. Ш у к а л о в. Вентильные преобразователи частоты

для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей. Вестник электропромышленности, № (5, 1901.

5. И. И. К а н т е р. Теория раГюты многофазных несамоуправляемых инверторов

с конденсаторной коммутацией. Электричество, № 3, 1951.

6. М. П. К о с т е н к о. Коллекторный генератор неременного тока с регулировани-

ем частоты независимо от скорости вращения. Электричество, № 2, 1948.