о

о

Г

гателя, обычно не допускаются колебания тока, превышающие 207о номинального значения.

Задача 4.5. Для схемы соединения прерывателя постоянного тока, приведенной на рис 4.10, указать расчетные условия для выбора зарядного сопротивления \Ri и выключающего конденсатора С.

Решение. Схема соединения прерывателя постоянного тока, показанная на рис. 4.10, используется в случае, когда нагрузка имеет источник противо-ЭДС, на- , пример зарядное устройство аккумулятора нли электродвигатель. Так, если в схеме, показанной на рис. 4.3, проводимость прерывистая, то выключающий конденсатор заряжается до разности напряжений источника питания и источника противо-ЭДС, поэтому требуется выключающий конденсатор большой емкости. При нагрузке +Ugx\-J такого типа желательно, чтобы за-

ДО \1т1 паке

Рис. 4.10. Схема прерывателя постоянного тока к задаче 4.5.

О

Рис. 4.11. Диаграммы токов и напряжений прерывателя к задаче 4.5.

рядная схема выключающего конденсатора была не зависимой от Нагрузки. В схеме, показанной на рис. 4.10, конденсатор заряжается до полного напряжения питания по цепи Г]-С-i?i (рис. 4.11). Критерии выбора сопротивления i?i следующие:

конденсатор должен получить достаточный заряд за время включенного состояния главного тиристора (<вкл). При включении выключающего тиристора Т2 он перезаряжается, а после вьжлюче-ния тиристора Т2 он должен разрядиться по цепи Ri-До, пока главный тиристор находится в отключенном состоянии (откл). Обозначив меньшее из времен <вкл и /откл через /мин, получим:

?1<мин/5С;

в конце процесса отключения выключающий тиристор должен сам выключаться, что будет иметь место, если ток, протекающий по цепи (/вх--Т2-R\, станет меньше удерживающего тока /т2уд выключающего тиристора. Следовательно, должно быть

При соблюдении этих двух условий получаем:

5С

Рассеиваемая мощность в сопротивлении может быть получена как произведение R\ на квадрат действующего значения тока Iri.

Выключающий конденсатор должен выбираться так, чтобы было обеспечено время восстановления <вос запирающей способности главного тиристора Ti. При включении тиристора Ti конденсатор перезаряжается через нагрузку. Этот процесс описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

о

-ir=i.

-=0;

Начальными условиями являются:

expf-

i\t=o=Ir

Определив зависимость напряжения на конденсаторе от времени, можно найти время, лредоставляемое для восстановления запирающей способности тиристора Ти из условия

uc\ =0.

Значение емкости выключающего конденсатора можно определить, рещив систему трансцендентных уравнений. Из уравнений Z/ftr следует, что С-функция вкл, q

откл, (/вх, (/вх.макс, /т2уД1 R, L

и Uo. Ucoz

Задача 4.6. В мощных пре-рывателях постоянного тока обычно необходимо снижать скорость нарастания прямого тока. Наибо- -лее просто это осуществляется%

О

л

AUcz

1Л

Рис. 4.12. Схема прерывателя постоянного тока к задаче 4.6.

Рис. 4.13. Диаграммы токов и напряжений прерывателя к задаче 4.6. -

введением индуктивности последовательно с выключающим конденсатором (рис. 4.12). Для повышения точности расчетов необходимо также учитывать индуктивность источника питания постоянного тока Lbx и активное сопротивление потерь ? в цепи перезаряда конденсатора.

Определить время восстановления запирающей способности главного тиристора и скорость нарастания прямого тока в выключающем тиристоре. Дано: (/вх=220 В, /ср=100 А, L=oo, Li= =50 мкГч, L2=10 мкГн, Lb,<=20 мкГн, С=50 мкФ, /?i=0,05 Ом; полупроводниковые вентили идеальные.

Решение. Кривые, характеризующие работу схемы, приведены на рис. 4.13. Процесс выключения начинается включением выключающего тиристора 72 в момент to. Благодаря индуктивности L2, включенной в коммутирующую цепь, ток в тиристоре Ti спадает до нуля не мгновенно. Длительность первой коммутации

Изменением напряндашя на конденсаторе AUci во время коммутации тока Ti иа пренебрегают. Затем конденсатор перезаряжается током нагрузки. Время, предоставленное для восстановления запирающей способности главного тиристора,

W = - ч =-1-

Значение AUci находится при помощи линейной аппроксимации синусоидального тока коммутации:

/сп(/,-/о)

Д(/л,=

Так как

С1- 2С

С01 ср

AUr,=

ti-to

Шунтирующий диод До начинает проводить ток в момент ts начала второй коммутации. Ее длительность tr-ts конечна благодаря наличию индуктивности /.Bx4-i2 коммутирующей цепи. К моменту ti напряжение на конденсаторе возрастает иа At7c2. а в конце коммутации напряжение на нем равно:

Uc02=Ubx-\-AUc2-

Это напряжение может быть вычислено по балансу энергии в моменты и ti. Энергия, запасенная в .элементах цепи, в момент ts равна:

а в момент tt она будет: ;

W,4= -Y Сисо2.

Энергия, переданная от источника постояншого тока во время коммутации.

Уравнение Wti=Wt3~\-WBx, решенное относительно искомого напряжения Uco2, дает следующий результат:

f -Ti-i л/ ~

CW. - вх-г'ср Q

в момеит /5 включение главного тиристора вызывает повторный перезаряд конденсатора. Абсолютная величина напряжения яа конденсаторе после перезаряда (f/coi) будет меньше, чем t/cozi вследствие потерь в активном сопротивлении схемы. Напряжение t/coi конденсатора может быть определено по> формуле

- (/со, = (/со2ечр (~ ) cosI;=7г/со.

Поскольку как правило, мало по сравнению с YLi/C, то

W = 10(, =

fcoi = Ucwexv /?, /С/L. j.

Теперь можно найти искомые значения путем подстановки в полученные формулы данных задачи:

+ 10/-1 10-= 277,5 В;

/ ft ./ 50-10-6 >

= 277,5 exp(--Q.Oby so-iO- J=256,5 B;

-8 -{cp 10-10- -100

fi*o=--- n 256,5 3,9 MKc;

/срТ (<i - o) 100-3,9- in-g Д(/с1=-2C .2-50-10-

С ((/coi - Aci) 50-10-4256.5-3,9) <.oc =----100-= 123

\ fc!ir\ fcp 100

4.3. ПРИМЕРЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Пример 4.1. Определить зав-исимость времени, предоставляемого на восстановление запирающей способности главного тиристора, от скорости двигателя (противо-ЭДС) в схеме прерывателя, показанной на рис. 4.1, если дано: С=20 мкФ, /н=50 А, L=20 мГн, f/Bx=t/co=220 В, 1<.и<оо.

Решение. Из уравнения (4.15) следует:

вос=вос о[1-i*(l-t/*o)j.

где

восо =

L + Ц

Если, вос о

например, 2 Л^+и\).

L=L, т. е. L*=l/2, то

Если L2=oo, т. е. L*=0, то <вос=<вос о-

Характер изменения искомого времени показан на рис. 4.! 4. Пример 4.2. Для условий задачи 4.2 найти максимальные напряжения на вентилях в схеме, показанной на рис. 4.3.

Ответы: Uтшр.макс = итюбр.ткс - 220 В; тапр.макс = = тгобр.макс =т220 В; С/д(,одр а,((, = 440 В; £/доо6р.макс = 220 в.

Пример 4.3. Определить максимально возможную частоту коммутаций схемы прерывателя в задаче 4.2 при условии, что максимальная амплитуда периодического тока равна 150 А.

Ответ: fMaKc=1336 Гц. Пример 4.4. Доказать, что линейная аппроксимация кривой гока, используемая в задаче 4.4, вносит погрешность менее 5%.

Пример 4.5. Определить колебание тока двухпозиционного регулятора тока, если £/вх.макс = =220 В, L=0,1 Гн и fMaKc=50 Гц. Ответ: Д/=11 А.

о

Рис. 4.14.

К решению ра 4.1.

ГЛАВА ПЯТАЯ АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

5.1. ОБЩИЙ ОБЗОР

Автономные инверторы преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с ваданной частотой, амплитудой и выходным напряжением. На практике наиболее часто применяются однофазные и трехфазные инверторы. Частота ограничивается динамическими характеристиками примененных электронных элементов.

Изменения полярности, необходимые для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, осуществляются электронными коммутационными элементами. Наиболее часто для этого используются тиристоры. Чтобы тиристор мог работать в качестве электронного ключа, должно быть обеспечено его выключение в моменты времени, определяемые обусловленной частотой. Энергия, необходимая для выключения тиристоров, обычно запасается в коммутирующих конденсаторах.

Известно много схем автономных инверторов с тиристорами [5, 8, 32, 35, 36]. Из-за ограниченного объема, отведенного для этой главы, авторы не ставят своей задачей их подробное описание. Рассмотрение будет ограничено наиболее часто встречающимися в эксплуатации типами инверторов. Сначала дано краткое описание работы автономных инверторов, затем показано, как хдрактеристики, полученные при помощи ЭВМ, могут использоваться для выбора элементов инверторов. Практическое применение этих принципов расчета будет показано на рещениях задач.

Однофазные автономные инверторы. Основные схемы автономных инверторов показаны на рис. 5.1-5.8. В этих схемах нагрузка может присоединяться либо через трансформатор Тр, либо непосредственно к инвертору (за исключением схем, показанных на рис. 5.4 и 5.5, для работы которых необходим трансформатор). Каждая схема включает коммутирующие конденсаторы Ск, обеспечивающие выключение тиристоров, и коммутирующие индуктивности Lk, обеспечивающие правильную работу цепи выключения. Схема выключения тиристоров может

быть параллельного типа (конденсатор присоединен параллельно выключаемому вентилю, рис. 5.1, 5.4 и 5.5) или последовательного (конденсатор соединен последовательно с коммутирующей индуктивностью, рис. 5.2, 5.3, 5.6 и 5.7).

Рис. 5.2. Однофазный мостовой инвертор со схемой выключения тиристоров последовательного типа и одним конденсатором.

Рис. 5.1. Однофазный мостовой инвертор со схемой выключения тиристоров параллельного типа.

В схему инвертора обычно входят обратные диоды, которые обеспечивают работу инвертора без нагрузки или при индуктивной нагрузке, создавая путь для обратного потока энергии от инвертора к источнику постоянного тока.

Рис. 5.3. Однофазный мостовой инвертор со схемой выключения тиристоров последовательного типа и четырьмя конденсаторами.

Общей особенностью схем, показанных на рис. 5.1- 5.7, является то, что при перезаряде конденсатора (во время процесса коммутации) накапливается энергия в коммутирующей цепи. Эта дополнительная энергия при отсутствии обратных диодов вызывает повышение на-174

пряжения на коммутирующем конденсаторе после каждой коммутации. Обратные диоды препятствуют повышению напряжения на коммутирующих конденсаторах сверх какого-то определенного уровня, определяемого параметрами схемы. Однако если не предусмотрено до-

S If, Js

Рис. 5.4. Однофазный инвертор со схемой выключения тиристоров параллельного типа.

Рис. 5.5. Однофазный инвертор со схемой выключения тиристоров параллельного типа и двумя конденсаторами.

статочное затухание, то поступление энергии во время коммутаций вызовет непрерывный рост тока, циркулирующего в цепи, состоящей из проводящего тиристора, обратного диода и коммутирующей индуктивности. В инверторах низкой частоты (до 100 Гц) падение напряжения на полупроводниковых вентилях обеспечивает достаточное затухание. Во всех остальных случаях затухание может быть обеспечено резисторами, вклю-

Рис. 5.6. Однофазный инвертор со схемой выключения тиристоров последовательного типа С двумя источниками питания и одним конденсатором.

Рис. 5.7. Однофазный инвертор со схемой выключения тиристоров последовательного типа с двумя источниками питания и двумя конденсаторами.

ченными последовательно с обратными диодами. В схемах с присоединением нагрузки через трансформатор затухание может быть обеспечено без увеличения потерь в инверторе присоединением обратных диодов к отпайкам трансформаторов. Можно также ввести в цепи циркулирующих токов такие напряжения соответствующей полярности, которые смогут эффективно компенсировать рост циркулирующего тока, при этом часть энергии воз-

Рис. 5.8. Однофазный инвертор с раздельным выключением тиристоров.

вращается в нагрузку или в источник питания, что дополнительно улучщает КПД инвертора.

В некоторых схемах коммутирующая резонансная цепь щунтирует источник постоянного тока, что снимает вопрос о накоплении энергии в коммутирующей цепи. Для примера см. рис. 5.8.

Трехфазные автономные инверторы. В трехфазных инверторах полярности фазных напряжений на стороне переменного тока должны циклически изменяться. Эта задача может быть рещена, например, при помощи трех однофазных инверторов, работающих со взаимными сдвигами по фазе на 120°; могут быть составлены и трехфазные схемы.

В трехфазных схемах тиристоры, используемые в качестве коммутационных элементов^ обычно устанавливаются в плечах трехфазного моста. Различия отдельных решений в основном относятся к схемам выключения тиристоров.

Рис. 5.9. Трехфазный инвертор со схемой выключения тиристоров параллельного типа.

л 5 5

Ск ЧЫН'А'

На рис. 5.9 представлен трехфазный инвертор с параллельной схемой выключения тиристоров, на рис. 5.10 -с последовательной схемой выключения.

Схемы инверторов можно сгруппировать также в зависимости от того, используется ли всего один конденсатор, или по одному конденсатору на фазу, или по одному конденсатору

на плечо. Последний случай представляет собой трехфазный эквивалент схемы, показанной на рис. 5.8.

Эта классификация неполная: в зависимости от специфических требований на практике могут широко использоваться и некоторые другие решения; представленные здесь схемы иногда могут использоваться также с некоторыми дополнительными элементами. Например иногда конденсаторы отделяются от нагрузки при помощи диодов, чтобы предотвратить их разряд через нагрузку (диоды показаны на рис. 5.9 пунктиром).

Основные принципы расчета. Расчет инвертора включает выбор тиристоров по номинальному току и напряжению, расчет трансформатора, если он используется, - и выбор обратных диодов. Кроме того, необходимо решить вопрос о защите инвертора и системе управления.

В настоящей главе рассмотрены вопросы, относящиеся к выбору номинальных токов силовых полупроводниковых элементов в инверторах различных типов, расчету

и \jz hh UI л4: Y. =Y. Ф¥ч 5$

д

Рис. 5.10. Трехфазный инвертор со схемой выключения тиристоров последовательного типа.