Простая схема импульсного питания преобразователя электромагнитной энергии в кинетическую Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЕ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 265 1973

ПРОСТАЯ СХЕМА ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ

В КИНЕТИЧЕСКУЮ

В. В. ИВАШИН, И. М. ЧУРКИН

(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Импульсные магнитные поля находят широкое применение как в 1

технике физического эксперимента, где их получением занимается большой круг инженеров, так и при создании установок, где электромагнитная энергия импульсами преобразуется в кинетическую энергию движения — электромолотки, молоты, быстродействующие электромагнитные приводы коммутирующей аппаратуры и т. д.

В последнее время наряду с электромагнитными получают все более широкое развитие и применение индукционно-динамичеокие и электродинамические системы. В та,ких системах объем, занимаемый магнитным полем, формируется с помощью намагничивающих сил обмоток, которые могут выполняться в виде короткозамкнутых пластин из проводящего материала, колец и т.д. Такие системы позволяют использовать магнитные поля, напряженность которых значительно выше насыщения ферромагнетиков, что определяет время преобразования энергии, измеряемое величиной порядка (0,5ч-10) • 10~3 сек.

Широкое применение в схемах питания таких преобразователей находят конденсаторные батареи, способные развивать мощности, необходимые при создании магнитного поля преобразователя. Эти мощности в десятки раз превосходят мощности питающей сети.

Типичная, широко применяемая схема импульсного питания, например индукционно-динамичеокого преобразователя, приведена на рис. 1. Основной накопитель энергии — емкость Сн заряжается от источника питания, 'например выпрямителя, через ограничивающий зарядный дроссель Ь3. При поджиге коммутирующего прибора Т1 конденсатор Сн разряжается на обмотку Ьн и закорачивается диодом Д при возникновении на нем положительного напряжения. Замыкание тока

Рис. 1. Типичная схема питания импульсного индукционно-динамического преобразователя с закорачиванием.

12В

в нагрузке накоротко при его максимальном значении исключает перезаряд емкости Сн до напряжения обратной полярности и обеспечивает в нагрузке улучшение условий преобразования энергии в кинетическую [Г, "2].

В подобных схемах величина передаваемой от конденсатора Си в нагрузку энергии может регулироваться в основном путем изменения напряжения на емкости, что требует управляемого выпрямителя. Возможно искусственное запирание тиристора Т1 с помощью схем, широко ¡применяемых при широтно-импульсном регулировании напряжения [3], но все они требуют обязательного использования управляемых коммутирующих приборов.

На рис. 2 показана схема, которая была нами исследована и применена для питания мощного индукционно-динамического преобразователя энергии. Схема позволяет в широких пределах регулировать момент запирания тиристора Т1 без дополнительных управляемых приборов, что значительно увеличивает надежность схем питания и управления.

В ряде случаев регулирование момента запирания тиристора требуется для улучшения процесса энергопреобразования. При отпирании тиристора Т1 емкость Сн начинает разряжаться на нагружу Ьн. Через индуктивность Ьк происходит колебательный заряд коммутирующей ем,кости Ск. Параметры Ьк и Ск выбраны так, что напряжение ик на емкости Ск (рис. 2) в некоторый момент ^ становится больше напряжения Пен частично разрядившейся емкости Сн (рис. 3). Диод Д2 в момент времени 1к открывается, и дроссель насыщения Д Н начинает пе-ремагничиватьоя пqд действием разницы напряжений на емкостях Ск и Сн. К моменту он насыщается, его индуктивность уменьшается, и током разряда емкости Ск тиристор Т1 обесточивается и запирается. При разряде емкости Ск до нуля она закорачивается диодом Дь Одно-полярный режим работы конденсаторов Сн и Ск по напряжению позволяет применять энергоемкие импульсные или электролитические конденсаторы. Моменты открытия диода Д1 и запирание тиристора Т* в широком диапазоне могут регулироваться изменением величин индуктивности Ьк или емкости Ск.

При расчете схемы необходимо определить величины индуктивности Ьк, емкости Ск и потокосдепления дросселя Д Н, обеспечивающих заданный момент запирания тиристора при известных величинах емкости Си, максимального напряжения на ее зажимах ит, а также нелинейной активно-индуктивной нагрузки Ьп. Решение задачи в общем виде сопряжено со значительными трудностями, так как точный закон

Рис. 2. Схема питания с частичным разрядом емкости

Анализ схемы и выбор ее параметров

9 Заказ 8

129

к

ф

77

Рис. 3. Схема замещения цепи заряда (а) и кривые токов и напряжений в схеме нитания (б)

изменения параметров активно-индуктивной нагрузки, определяемый нелинейным характером энергопреобразования, обычно неизвестен. Сравнительно простое и во многих практических случаях достаточно точное решение эта задача имеет при аппроксимации напряжения на емкости Сн .косинусоидальной функцией

где о •— собственная частота ¡контура СПЬН.

Такое допущение справедливо по той причине, что переходящая из емкости Сн в контур ЬКСК энергия значительно меньше полной энергии накопительного конденсатора Сн, а индуктивность Ьн за время заряда емкости Ск изменяется мало, не более, чем на 5ч-10%.■ Заряд емкости Ск обычно хорошо удовлетворяет условию колебательности, поэтому дополнительно можно пренебречь активными сопротивлениями этого .контура и уравнение процесса заряда будет иметь вид

где Ulk и uCk — падения напряжения на индуктивности LK и емко-

¡Параметры коммутирующего контура для заданной частоты со0 выбираются из условия обеспечения разности напряжения AUK и приемлемых значений емкости и индуктивности.

Из принципа работы схемы следует, что энергия емкости Ск полезно используется в процессе преобразования, а энергия индуктивности LK рассеивается в виде тепла, поэтому предпочтение следует отдавать большим значениям емкости. Из (2) можно определить напряжение на емкости Ск и ток ее заряда

исн = Um cos (О t,

(i)

Ulk + UCK = Um cos cot,

(2)

сти CK.

0)

Uck = Um 0 , (COS (Dq t - cosut),

Ш —~ vJU r*

9 О

OV'o

«СК = Um ■ а 0 к 2 (to sin ш t - co0sino)0t)? (4)

СО

AUK--^-ImsincoiK, (5)

где ca0 — -частота ¡контура LKCK.

На рис. 3 лаказан характер изменения напряжения иск при различных, значениях ©0. Из совместного решения (1) и (3) можно получить уравнение, связывающее частоту со0 и момент tK:

cos со tK — n cos co0 tK 0 ,

Ш0 ''

где n = —~ .

G)

При известном tK из него нетрудно определить соответствующее. ему значение со0 и затем выбрать параметры LK и Ск.

Характерной величиной, необходимой для определения ^ параметров дросселя насыщения, является момент времени t2, когда'напряжение на коммутирующей емкости становится больше мгновенного' значения. на емкости Сн на величину AUK, необходимую для надежного обеспечения тиристора Тх и его запирания.

t,

Ск

где tBOccT — время .восстановления управляющих свойств тиристора/. Дик можно выразить как

AUK - uCK - исн. (6)

С учетом выражений (1) и (3) из (6) получим

со 2

:ДОк = Um —2—11—^(cosco0t2 — cos со t2) — Umcoso)t2 5У (7)

(.0 ~—■ СО q k

откуда для любых значений со, о>0 и AUK нетрудно определить t2. В общем 'виде время t2 при заданной величине п определяется решением тригонометрического уравнения: ' ;

n2COS w0t2 — COS 0)t2 = ■ (1 — na).

um

Необходимая для нормальной работы схемы питания величина пото-косцепления дросселя определяется величиной заштрихованной на рис. 3 площади, заключенной между линией исн и линиями иск, построенными из условия обеспечения момента коммутации при угле <otK.

и

* = I [UcK(t)-UCH(t)]dt= Um

(sin CDQ t2 — sin ш0 tK) -

tK

и

* (sin (0 t2 — sin ш tK)

0)

m

со

- (sincot2 — sin со tK). (8)

Наибольшее потокосцепление дроссель насыщения имеет при угле коммутации 0,5 я. Учитывая, что в области углов G)tK~0,5n косцнусои-дальную функцию изменения напряжения исн можно заменить прямой

"сн = - Umcot, ; (10)

максимальное значение потокосцепления дросселя можно определять по формуле: 1 \ :

у = Ацгк ГП1>

2Um(0 • (11)

9* ■ II 431

Условие =0,5 я соответствует схемному решению, когда Ск~^оо, Ск—^оо, что практически можно получить путем параллельного присоединения к нагрузке цепочки из дросселя насыщения и диода. Коммутация тока тиристора Т1 в этом случае осуществляется путем разряда на него перезарядившейся до напряжения минус Лик емкости Сн. При л не обеспечивается одно.полярный режим работы по напря-

7Г

жению -конденсатора Сн. Такой режим обеспечивается при о> 1;к< —р .

Величина дросселя насыщения с уменьшением угла оз1к также уменьшается.

Бели к моменту 1к индуктивность нагрузки за счет энерголреобра-зования существенно изменилась по сравнению с ее начальным значением, то аппроксимация напряжения исн по (1) будет давать значительную ошибку. В этом случае потокосцепление дросселя можно определить до средним значениям таков через емкости Сн и Ск, определенных с учетом изменения индуктивности Ьи или из осциллограмм тока в цепи, ¡полученных в реальной установке или на аналоговой вычислительной машине.

Из принципа работы схемы следует, что после запирания тиристора Т[ в цепь нагрузки оказывается включенной вместо емкости Сн емкость СК<ССН, которая быстро разряжается и закорачивается диодом Дь Энергия, запасенная в емкости Ск, после запирания тиристора Т1 передается в магнитное поле и может полезно использоваться при энергодреобразовании. Энергия, запасенная в индуктивности Ьк, после насыщения дросселя Д. Н. выделяется на активных сопротивлениях обмоток индуктивности Ьк и дросселя.

Для лучшего использования матнитопровода дросселя насыщения его можно подмагничивать током нагрузки, током заряда емкости или током от внешнего источника.

Схема импульсного получения магнитного поля была испытана в режиме работы на индуктивную нагрузку с постоянной и переменной индуктивностью с параметрами: ит = 400 вольт, Сн^ЗО-Ю"3 ф,

¿/г Чс*

С

7

&ик ±

Рис. 4. Осциллограммы процессов в схеме питания при угле коммутации 40° (а) и 80° (б) периода основ-кого контура

Ск = 2-10~3 ф. Длительность импульса тока в нагрузке составляла (10-М5) • 10~3 сек. Вес дросселя насыщения не превышал 3 кг. Амплитуда тока в обмотке LH при постоянной индуктивности 1000 а, а при переменной — 720 а.

Нагрузка выполнена в виде индуктора индукционно-динамическо-го преобразователя энергии, вес бойка которого равен 100 кг, а общий вес с индуктором 400 кг. На осциллограммах рис. 4, а, б показаны кривые изменения напряжений на накопительном и коммутирующем конденсаторах и тока нагрузки при угле коммутации ~40° (а) и 85° (б) частоты контура к». Схема позволила регулировать в широких пределах энергию, .передаваемую из накопительного конденсатора в нагрузку. Максимальная скорость бойка 1,44 .и!сек на осциллограмме рис. 4, а и 2,7 м/сек на осциллограмме рис. 4, б. Коэффициент преобразования энергии емкости Сн в кинетическую (к. п. д.) ,при различных режимах работы имеет значение (25^-30) %.

Выводы

1. Схема работает на электролитических конденсаторах и позволяет без применения дополнительных управляемых коммутирующих приборов коммутировать ток нагрузки при частичном разряде накопительной емкости. Изменение угла коммутации cotK позволяет простым путем и в широких пределах регулировать величину энергии, вводимую в нагрузку, и таким образом изменять мощность электромеханического .преобразователя.

2. Стоимость и размеры вспомогательных элементов цепи искусственной коммутации — индуктивности LK, емкости С„ и дросселя ДН — составляют незначительную часть от стоимости и размеров основной емкости Ск даже при длительности импульса тока до 20-10-3 сек. При более длительных импульсах тока возможность схемы ограничивается величиной коммутирующего дросселя Д Н

3. Применение схемы возможно в любых системах электромеханического преобразователя электромагнитных, электродинамических, ин-дукционно-динамических и т. п.), когда по обмоткам необходимо пропускать импульсные токи.

4. Проведенный анализ работы схемы и полученные формулы позволяют правильно определить все основные параметры элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Smart D. L. Ргос. Lnstr. Electical Engs., А-106, suppl N 2, 1959. 'I

2. Rogens. Proc Lnstr. Electrical Engs., vol 116, N 1, 1969.

3. И. Н. К р а й ц б е р г, Э. В. Ш и к у т ь. Импульсные методы регулирования цепей постоянного тока с помощью тиристоров. М., «Энергия», 1969.

4. В. В.. Ивашин, Э. Г. Фурман. Экспериментальное исследование потерь в конденсаторах типа ИМ-3/100. Труды НИИ ЯФ, вып. 1, М., Атомиздат, 1971.