книги / Электроприводы с полупроводниковым управлением. Тиристорные усилители в схемах электропривода
.pdfПульсы сигнала управления открывают тиристоры Т\ и Гг поочеред но со сдвигом по фазе на 180°.
Рассмотрим работу схемы вначале при отсутствии обратного диода Д0. В этом случае в зависимости от величин а и т ток на грузки может иметь как прерывистый, так и непрерывный характер. Пока интервал проводимости Я=Р—а<180°, схема работает в ре жиме прерывистого тока. Характер изменения переменных для это го случая изображен на рис. 4,а: ток нагрузки в интервалах прово-
Рис. 4. |
Временные |
диаграммы |
для двухпульсных |
диффе |
||||
а — для |
схемы рис. |
ренциальных |
схем. |
обратного |
диода |
|||
3,а |
при |
отсутствии |
||||||
в режиме прерывистого |
тока |
(а > а г); б — то же в |
режиме |
|||||
непрерывного тока (а < а г); в — для схемы |
рис. 3,а |
при |
на |
|||||
личии обратного диода; |
г — для схемы рис. 3,6. |
|
||||||
димости изменяется согласно |
(1), |
(2). Характеристика |
вход — вы |
|||||
ход в режиме прерывистого тока определяется уравнением |
||||||||
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|
и н = IuRa = |
~ |
J edb = |
~ ^ (cos а — cos J), |
(11) |
||||
|
|
а |
|
|
|
|
|
где угол запирания Р определяется так же, как и для однопульсной схемы; соответственно остаются справедливыми кривые на рис. 2 (необходимо лишь удвоить ординаты по оси ин). -При чисто актив ной нагрузке (т=0) Р=180° и характеристика вход — выход прини мает вид:
|
Uu — IuRn = |
О + |
cos *)• |
(12) |
|
При т > п имеет |
место |
следующее |
приближенное |
выражение |
|
для характеристики вход—выход: |
|
|
|
||
Uu = |
/„/?н = |
о р |
|
|
(13) |
-j—■[sin а + (я - a) cos а]. |
По мере уменьшения угла отпирания интервал проводимости уве личивается. При некотором граничном значении а = а г интервал про водимости Я,= 180° и -схема переходит в режим непрерывного тока. Величина аг является только функцией т и может быть определена по кривым р—Р(а, т) на рис. 2, исходя из уравнения аг= Р —180°. С ростом т величина схг монотонно увеличивается от аг = 0° при
11
t» 0 до аг—90° при t oo; соответствующая кривая построена йа
рис. 5,а.
Характер изменения 'переменных -при а < а г приведен на рис. 4,6. Характеристика вход — выход при « < а г, т. е. в режиме непрерыв ного тока, не зависит от величины т и согласно рис. 4,6 опреде
ляется уравнением |
|
и:-fa |
|
|
|
|
1 |
9Р |
|
|
|
и и = |
Г |
cos a, |
(14) |
||
/ H# H= — |
\ Е т sin 0 = “ |
||||
справедливым в пределах 0<Ca <Car- |
|
|
|
||
Когда т > я , |
заметное |
изменение |
выходного |
напряжения |
|
^по сравнению с |
и я |
имеет |
место |
лишь при ос<аг ^ |
«90°. .Поэтому в данном случае практический рабочий диапазон из менения угла отпирания лежит в пределах O<ia<0O°, т. е. a m = = 90°. Это обстоятельство упрощает построение устройства управле ния тиристора (при чисто активной нагрузке 'ат =(Ш0о).
Ф
а — кривая: |
Рис. |
5. |
|
для |
схемы рис. Ъ,а |
|||
1 — характеристика |
вход—выход |
|||||||
при отсутствии -обратного диода |
и |
Т=*0; |
2 — то |
же |
при |
Т=2; |
||
3 — то же |
при т=4; 4 — то же |
при т=8; 5 — то же |
при |
т=оо. |
При |
наличии обратного диода характеристика вход—выход определяется кривой 1 для любого значения т; зависимость тока /о, протекаю щего через обратный диод при определяется кривой 6; б — точная (кривая /) и приближенная (кривая 2) зависимости крат ности kj изменения тока в схеме рис. 3,6 в- функции постоянной
времени нагрузки. Зависимость граничного угла отпирания аг для
двухпульсрой схемы рис. 3,а (кривая 3) и трехпульсной схемы рис. 9,а (кривая 4).
Семейство характеристик вход—*выход для рассматриваемой схемы при отсутствии обратного диода построено на рис. 5,а.
Максимальное значение обратного напряжения на вентилях не зависит от величины т и равно £/0бр. мак^ 2 Е т- Максимальное зна чение прямого напряжения .в рассматриваемой схеме при чисто ак тивной нагрузке (|т—0) равно £/пр. Макс = £ т, а при Т я достигает
12
Vap.макс=2£гл (поскольку каждый из тиристоров остается откры тым в течение части «своего» отрицательного полупериода). Следо вательно, коэффициенты использования тиристоров в рассматривае мой схеме при т^>я совпадают с аналогичными (величинами для однопульсной схемы с обратным диодом:
kn = k0 = |
ki = 2. |
(15) |
В режиме максимальной отдачи коэффициент |
формы тока, про |
|
текающего через тиристор, при х = |
0 равен & ф=я/2, а при х > п |
равен &ф = V 2 .
Если нагрузка шунтируется обратным диодом До (рис. 3,а), то режим непрерывного тока *и(меет место при любых значениях а < 180°, т>0. Характер изменения переменных в этом случае изображен н-а рис. 4,в. Наличие обратного диода, так же как и в случае однопульсной схемы, приводит к тому, что запирание тиристоров независимо от величины т происходит в момент перехода напряжения питания
через |
нуль и, |
следовательно, |
при |
любом т характеристика вход — |
|
выход определяется |
уравнением (12). Прямое^напряжение на запер |
||||
том |
тиристоре |
при |
наличии |
До |
не превышает Unр. макс=£г»; |
в* остальном режим работы вентилей остается прежним. |
|||||
Таким образом, |
при |
включение обратного диода в 2 раза |
улучшает коэффициент использования тиристоров по прямому напря жению, но одновременно приводит к двукратному увеличению диапа зона управления (ат=1180°).
Когда т -+ оо и пульсациями тока нагрузки можно пренебречь, среднее значение тока, протекающего через обратный диод, согласно рис. 4,б определяется равенством:
|
a |
« |
a |
|
/о = |
I f . |
(16) |
||
dQ = |
= / н.макс 260 (1 C0S °0* |
|||
|
О |
|
|
|
Зависимость / 0//н. макс |
в функции а |
построена на рис. 5,а |
(кри |
вая 6). Наибольшая величина /0 имеет место при <х«75° и не пре вышает 27% от / н. макс. При любом конечном значении г величина/о
будет меньшей, чем это вытекает из (16). |
рассмотренную |
В тех случаях, когда выполняется условие х |
схему можно упростить, заменив один из тиристоров неуправляемым диодам Д, как показано на рис. 3,6 (Л. il9]. |Когда управляемый вен тиль заперт (ja=ie0°), величина тока нагрузки согласно (4) опреде ляется соотношением
'« = 2 3£Г<1+С0вР> |
<17> |
|
или приближенно (х > л) |
|
|
г |
Ет |
( 18) |
|
|
13
Когда управляемый вентиль полностью открыт (а = 0), среднее значение тока нагрузки достигает максимальной величины
|
|
|
/ н.м акс |
~ |
2Ещ |
|
|
|
|
( 18а) |
|
|
|
|
nRa 1 |
|
|
|
|||||
и не зависит от индуктивной составляющей нагрузки. |
(напряже |
||||||||||
ния) |
Таким образом, кратность изменения выходного тока |
||||||||||
равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kI = 1 + |
cos Р |
^ |
4fTn = 1ГТ- |
|
|
|
|||
рис. |
Точная |
и приближенная |
зависимости |
I&J = &J (T ) приведены на |
|||||||
5,6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Характер изменения переменных в схеме для промежуточных |
||||||||||
значений угла отпирания в режиме |
непрерывного |
тока |
изображен |
||||||||
на рис. 4,г. |
В интервале |
О < 0 < а |
управляемый |
вентиль заперт, |
|||||||
а неуправляемый открыт |
за |
счет э. д. с. |
самоиндукции; |
при |
этом |
||||||
к нагрузке приложено отрицательное напряжение |
ин = — е. |
В мо |
|||||||||
мент времени 0 = а ^ристор |
открывается |
внешним |
сигналом, |
в ре |
|||||||
зультате чего неуправляемый вентиль запирается |
и напряжение на |
||||||||||
нагрузке становится положительным ин = |
+ |
е. В конце полупериода |
|||||||||
(0 = |
180°) |
тиристор закрывается |
и |
питание |
нагрузки в интервале |
18О°<С0<36О° осуществляется через неуправляемый диод, при этом иа — е.
(Поскольку выполняется условие непрерывности тока, то незави
симо от величины индуктивности среднее значение напряжения |
(то |
||||
ка) нагрузки (будет равно: |
|
|
|
|
|
|
360 |
ос |
|
|
|
= |
\ e \ M |
- | м < / в ] = ^ р (1 + co sa). |
(20) |
||
|
а |
0 |
|
|
|
При z > п |
режим непрерывного тока |
наступает |
при угле |
отпи |
|
рания, "близком к 180°. Следовательно, |
при > п |
характеристика |
|||
вход — выход |
рассматриваемой схемы практически |
ничем не |
отли |
чается от аналогичной характеристики усилителя с двумя управляе мыми вентилями и обратным диодом. (Коэффициенты использования тиристора в данной схеме имеют те же величины, что и для схемы рис. 3,а без обратного диода.
При наличии трехфазной сети с нейтралью можно построить бестрансформаторную двухпульсную схему по рис. 3,в. Если то один из вентилей может быть неуправляемым.
Когда управляемый вентиль закрыт, ток нагрузки имеет мини мальную величину и определяется согласно (17), (18), где величи на Ет равна амплитудному значению фазного напряжения сети£фт .
Режим максимальной отдачи наступает, когда угол |
отпирания |
|
а= 0 |
относительно линейного напряжения еаъ. Временные диаграммы |
|
для |
этого случая приведены на рис. 6,а. В интервале |
О°<0 <180° |
14
напряжение на нагрузке равно |
ия— еа, |
в |
интервале 180°<9 <860° |
||
иа= еь; в результате получаем: |
|
|
|
|
|
11 |
Г |
п |
^ |
^ Е ф т |
. |
^ и .м а к с — ^н .м аксД н — |
|
Л |
|
||
Из (18) и (21) вытекает, что кратность изменения тока |
нагрузки |
||||
равна: |
|
|
|
|
|
kj = |
2yT fT H |
|
|
(22) |
т. е. примерно на 15/о меньше, чем для схемы рис. 3,6.
Характер изменения переменных для промежуточных значений угла отпирания при условии Непрерывности тока нагрузки изображен на рис. 6,6. В интервале О<^0<^а управляемый вентиль закрыт,
|
|
|
а) |
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
Рис. 6. |
Временное диаграммы для схемы |
|
|
|||||||
|
|
|
|
рис. |
3,0. |
|
|
|
|
|
|
|
а — при а=0°; б — при 0°<а<180°. |
|
|
|
|
||||||
а неуправляемый открыт (за счет |
э. д. |
с. |
самоиндукции), |
напря |
|||||||
жение на нагрузке равно ип = еь- |
В момент 0 = а сигнал управления |
||||||||||
открывает тиристор; |
диод Д |
при |
этом |
запирается, |
поскольку при |
||||||
0 = а еаъ^> 0, |
и к нагрузке прикладывается |
фазное |
напряжение еа. |
||||||||
При 0 = 180° линейное |
напряжение еаъ изменяет |
знак, |
в результате |
||||||||
чего происходит закрывание |
Т и открывание Д , |
и к |
нагрузке при |
||||||||
кладывается |
фазное |
напряжение |
еь. Указанное |
состояние |
сохра |
15
няется до конца периода еаЬ. В результате характеристика вход— выход определяется равенством:
360°
Un *= IURVL— 2л ^ |
€ь^ |
+ |
jj* е ъйЪ J ^ |
^ 2л Ш^ ^ cos а)* |
|
О |
а |
|
180е |
|
(23) |
|
|
|
|
|
|
Коэффициенты |
использования |
тиристора |
в |
рассматриваемой |
|
схеме при z > п равны: |
|
|
|
|
|
|
ka = k0 = |
ki = 2, ^ ф = |/“2 . |
(24) |
Если трехфазная сеть не имеет нулевой точки (или нулевой про- <вод недоступен), то нагрузка может быть подключена к третьей фа зе, как показано на рис. 3,г. При этом характеристика вход — вы ход по-прежнему определяется уравнением (23), хотя форма напря жения на нагрузке изменяется [Л. 26]. Кратность изменения тока нагрузки для рассматриваемой схемы равна:
|
!Тш = ^ . |
(25) |
Амплитуда первой |
гармоники напряжения |
на нагрузке равна |
£/Mim = 1,5£фт ; та же |
величина для схемы рис. |
3,8 f/Him = 0,5£фт. |
Таким образом, схема с нулевым проводом (рис. 3,в) обеспечивает в 3 раза меньшую величину пульсаций и в / 3 раз болыиук/ крат
ность изменения выходного напряжения по сравнению со |
схемой |
|
рис. 3,г. В остальном показатели обеих схем совпадают. |
|
|
Следует отметить, |
что однопульсная схема с обратным вентилем |
|
(рис. 1 ,а) при питании |
ее линейным напряжением £ лт = |
|/3£ф т |
имеет характеристику вход—выход (5), совпадающую с (23). Однако преимуществом схемы рис. 3,8 является меньшая величина пульса ций выходного напряжения (для схемы рис. 1,я .амплитуда первой
гармоники £/н1т = 0,5£лт, т. е. вУ"3 раз превышает аналогичную величину для схемы рис. 3,в). Кроме того, схема рис. 3,8 обеспе чивает более равномерную загрузку фаз по сравнению с однопульсной схемой.
Для всех рассмотренных в настоящем параграфе вариантов схем в режиме непрерывного тока при z > 1 передаточная функция опре деляется соотношением
W (p) = АМ Р ) |
k |
(26) |
|
1+ .РГ ’ |
|||
А“ (Р) |
|
где Т = Тн — постоянная времени нагрузки;
,din
k = -----крутизна характеристики вход—выход.
В «режиме прерывистого тока длительность переходного процес са не превышает полупериода частоты питания независимо от вели чины Тж.
16
Диапазон управления для всех рассмотренных ехем равен а т = = 180°. Исключение составляет схема рис. 3,а без обратного диода, для которой при т ^ я величина а т »90°.
Необходимо отметить следующее принципиальное отличие схемы по рис. 3,а без обратного диода от других вариантов схем. В ука занной схеме при ее работе на активно-индуктивную нагрузку вы ходное напряжение при 90°<а<1в0° согласно (|14) принимает отри цательное значение. При этом ток нагрузки будет уменьшаться под действием противо-э. д. с. (инверторный режим работы схемы). В результате возникает .возможность форсировки переходного про цесса уменьшения тока нагрузки.
Рассмотрим |
процесс уменьшения тока |
нагрузки |
в схеме |
по |
|
рис. 3,а без обратного диода, |
возникающий |
после изменения угла |
|||
отпирания от некоторого значения 0° <; оц < |
аг до 180° > а2 > |
90°. |
|||
Для упрощения |
ограничимся |
рассмотрением |
случая, |
когда |
|
и, следовательно, аг~90°, а навое стационарное значение тока на грузки, соответствующее углу отпирания а2, близко к нулю.
В исходном стационарном режиме среднее значение тока на грузки согласно (14) равно:
. 2Ет
/B1 = ^ 7 C0Sai-
Когда угол отпирания становится равным а2>90°, среднее зна чение выходного напряжения с задержкой, не превышающей полупериода частоты питания, принимает отрицательное значение
с/н2 = |
2 Е т |
-------- COS a2. |
В результате среднее значение тока начинает уменьшаться по экспоненциальному закону с постоянной времени нагрузки:
эт^н/н =cos a2 + (cos с*! —cos a2) e
Указанный закон изменения сохраняется до тех пор, пока в не который момент времени t= t0 не наступает режим прерывистого то ка. Согласно принятому выше допущению (т^>я) величину тока нагрузки при t=to (можно считать равной нулю. Следовательно, дли тельность переходного процесса уменьшения тока нагрузки опреде ляется равенством:
|
|
|
to |
|
о = |
cos a2 + |
(cos oCj — COS a2) 0 Гн, |
|
|
откуда |
|
|
|
|
t - T \ n ( \ |
-C0S^ V |
о0 о * * < я о 0 |
(27) |
|
u - 1 |
- in \ l |
cos a, J |
’ 90® |
|
2—1397 |
|
|
|
17 |
Семейство кривых t0ITa в функции |
cos ах= / Н1/ / Н<макс |
и |
а2 |
||||
построено на |
рис. 7. |
Для обеспечения |
максимальной форсировки |
||||
угол |
ос2 должен быть близок к 180°* (со«а2^ — 1); при этом |
|
|
||||
|
|
|
fo=7Hln(l + cos ai). |
|
|
|
|
•В наиболее «тяжелом» случае, когда |
ai = 0 |
(режим (максималь |
|||||
ной |
отдачи) |
время |
отключения /о—0,7 7V, при |
(уменьшении |
ai |
ве |
|
личина to снижается. |
|
|
|
|
|
Рис. 7. Зависимость относительного време ни отключения в функции начального тока и угла отпирания <*2.
Таким образом, усилитель по рис. 3,а без обратного диода по зволяет обеспечить .весьма эффективную форсировку процесса умень шения тока .в индуктивной нагрузке.
Пример практического использования фороировочной способ ности «усилителя по схеме рис. 3,а приведен в § 16.
При наличии обратного диода выходное напряжение усилите ля не может принимать отрицательного значения (инверторный ре жим работы или режим прерывистого тока невозможен); в резуль тате схема теряет способность форсировки процесса отключения тока
виндуктивной нагрузке. Длительность указанного переходного про
*При отключении тока управления инверторный режим не воз никает. Если входной сигнал снимается полностью, то один из тири сторов закрывается, а второй остается открытым за счет э. д. с. само,
индукции. При этом напряжение на нагрузке становится равным ну лю и форсировка не обеспечивается.
18
цеСса, как обычно, можно считать |
равной |
4=|(3—4)?н |
независимо |
|||
от |
начального значения тока. Вышесказанное полностью |
справедли |
||||
во |
и для двухпульсных схем с |
одним |
управляемым |
вентилем |
||
(рис. 3,6—г); с |
точки зрения динамики при т ^ я эти |
схемы экви |
||||
валентны схеме |
по рис. 13,а обратным диодом. |
|
|
3. Двухпульсные (двухполупериодные) мостовые схемы
Возможные варианты однофазных |
мостовых схем приведены |
на рис. 8. Статические характеристики |
вход— выход при активно- |
индуктивной нагрузке, а также динамические свойства схемы с че тырьмя управляемыми вентилями (рис. 8,а) полностью совпадают с аналогичной характеристикой и свойствами дифференциальной схе мы по рис. 3,а без обратного диода. В частности, схема по рис. 8,а
б)
Рис. 8. Двухпульсные мостовые схемы.
обладает указанной выше форсировочной способностью. Недостат ком схемы является ее относительная сложность, обусловленная на личием четырех тиристоров. Поэтому в тех случаях, когда форси ровка процесса уменьшения тока в индуктивной нагрузке не требует ся, целесообразно использовать мостовые схемы по рис. 8,6 или в, которые не могут работать в инверторном режиме и, следовательно, не обеспечивают указанной форсировки, но зато выполняются только на двух тиристорах, что существенно упрощает систему управления.
-В схемах рис. 8,6 и в импульсы сигнала управления открывают тиристоры Тх ,и Т2 поочередно со сдвигом по фазе на 180°. При этом форма кривой напряжения на нагрузке повторяет аналогичную кривую (рис. 4,в) для дифференциальной схемы с обратным диодом, изображенной на рис. 3,а.
В результате характеристика вход—выход определяется уравне
нием (12) |
независимо |
от |
величины т. При |
изменении угла отпира |
||||||||
ния а от |
180° |
до 0° |
среднее |
значение |
выходного напряжения |
(тока) |
||||||
изменяется от |
нуля |
до |
£/н.макс ==/н.максйн = |
2 |
£ т . Режим не |
|||||||
~ |
||||||||||||
прерывного тока |
в мостовых |
схемах |
(рис. |
8,6* и в) |
при |
идеальных |
||||||
вентилях |
имеет |
место |
при |
любых |
значениях |
т > |
0 |
и а |
180°. |
|||
2* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19 |
Коэффициент использования тиристоров райнЫ: |
|
|||
кц ==: kо = |
71 > ki = |
2. |
|
|
Коэффициент формы тока, протекающего через вентили в ре |
||||
жиме максимальной отдачи |
(а == 0), равен |
кф = я/2 при чисто |
ак |
|
тивной нагрузке (^ = 0) и |
&ф = |
уг2 при |
активно-индуктивной |
на |
грузке и |
|
|
|
|
Наи1большее распространение получила мостовая схема с объ единенными катодами .(рис. 8,6). Ее преимущество по сравнению со схемой на рис. 8,в заключается в более простой схемной реализации устройства управления, поскольку катоды управляемых вентилей имеют» общую точку. Однако следует иметь в виду, что при актив но-индуктивной нагрузке и отсутствии обратного диода До схема на рис. 8,6 становится практически неработоспособной. Допустим, что усилитель работал в режиме максимальной отдачи и в некото рый момент времени, например в положительный полупериод источ ника питания, когда Т\ открыт, а Т2 закрыт, сигнал управления сни мается. В следующий отрицательный полупериод тиристор Т2 оста нется закрытым (поскольку сигнал управления равен нулю), однако, поскольку дополнительный путь для замыкания тока нагрузки от сутствует, запирания Т\ не произойдет. Тиристор Т\ остается откры тым за счет э. д. с. самоиндукции нагрузки. В результате после от ключения сигнала управления в схеме возникает режим работы, при котором в течение отрицательного полупериода источника литания ток нагрузки замыкается по цепи Д2—Т\ (диод Д\ при этом заперт) и напряжение на нагрузке равно нулю, а в течение положительного •полупериода — по цепи Д\—е—Тj '(диод Д2 при этом заперт) и на
пряжение на нагрузке равно |
= ^ |
|
|
|
|
|
||
Схема становится эквивалентной однопульсной с обратным |
дио |
|||||||
дом (рис. 1 ,я), а среднее |
значение напряжения |
на нагрузке |
ста- |
|||||
|
Ет |
|
|
|
переходного |
|||
новится равным £/н = |
==0,5(/н.макс. По окончании |
|||||||
процесса, который происходит с постоянной времени |
Тъу |
ток |
на- |
|||||
грузки принимает |
стационарное значение |
/ н = |
£ |
= 0 ,5 /н . м а к с . |
||||
|
||||||||
Таким образом, схема может обеспечить лишь |
двукратное |
измене |
||||||
ние тока нагрузки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
■Для того чтобы обеспечить полный диапазон изменения выход |
||||||||
ного напряжения |
(тока) |
в |
соответствии с |
уравнением |
(12 ), доста |
точно зашунтировать нагрузку обратным диодом До, как показано на рис. 8,6 пунктиром. При этом индуктивность нагрузки «разря жается» через обратный диод и не препятствует запиранию тири сторов (при снятии сигнала управления напряжение на нагрузке «сразу» становится равным нулю).
В схеме, приведенной на рис. 8,в, необходимость в обратном диоде отпадает, поскольку роль До выполняют последовательно включенные диоды Дь Д2 (|при запирании вентилей Т\, Т2 индуктив
ность нагрузки «разряжается» по цепи Д\—Д 2). Недостатком |
схемы |
по рис. 8,5 является необходимость гальваничеокой развязки |
цепей |
20