Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Силовая Электроника, № 5’2009 Источники питания Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема для моделирования и расчета основных характеристик ТКП стве импульсного регулятора используется тиристорно-конденсаторный мост (на рис. 1а–г мост отмечен пунктирными линиями), с помощью которого осуществляется дозированная передача энергии в нагрузку. Схемы (рис. 1а, б) с источником постоянного тока на входе рассмотрены в работах [1–3]. Не останавливаясь подробно на принципах работы этих преобразователей, отметим лишь, что они позволяют реализовать ШИР включением в эти схемы индуктивного реактора с помощью тиристоров V k5 и V k6 . Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением времени задержки отпирания этих тиристоров по отношению к моменту отпирания тиристоров дозирующего моста V k1 , V k3 и V k2 , V k4 . На рис. 1в, г, д показаны варианты схем ТКП, в которых помимо ЧИР также осуществляется и ШИР [6, 7]. В этих схемах также можно осуществить режим рекуперации при накоплении энергии в реакторе L k , например, как это показано на рис. 1в (с помощью диода V 02 ). На рис. 2 приведена эквивалентная электрическая схема для моделирования и расчета основных характеристик ТКП. В эквивалентной электрической схеме В1 и В2 — открытая пара вентилей катодной и анодной групп входного выпрямителя. Тиристоры дозирующего моста заменены Рис. 3. Временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в схемах ТКП вентилем V k , а тиристоры V k5 и V k6 заменены ключом К1, который включается и отключается в нужные моменты времени регулирования t p . Изменением времени t p осуществляется регулирование длительности импульса выходного напряжения, т. е. среднего значения выходного напряжения. Параметры сети учтены активной сопротивлением r Э индуктивностью L Э . Проведем упрощенный анализ, причем оценим характеристики преобразователя, считая, что ток нагрузки идеально сглажен (i H = I H ) и схема питается от источника постоянного напряжения Е. Хорошо сглаженный ток нагрузки характерен для многих электротехнических процессов, например в электродуговых сварочных установках, лазерных установках и др. Предположение о постоянстве напряжения на входе приемлемо, так как на выходе трехфазного выпрямителя изменение выпрямленного напряжения в межкоммутационных интервалах незначительно. С учетом сделанных допущений с помощью системы Orcad 9.2 для схем (рис. 1г, д) были получены временные диаграммы анализа (рис. 3). Процессы перезаряда и разряда дозирующего конденсатора также показаны на фазовой плоскости (рис. 4). Нумерация точек на фазовой плоскости совпадает с индексами моментов времени на диаграммах. Рассмотрим один полупериод работы преобразователя, используя эквивалентную схему (рис. 2), временные диаграммы (рис. 3) и фазовый портрет (рис. 4). Пусть до момента t 0 ток нагрузки I H замыкался через обратные диоды VD 01 ,VD 02 . На конденсаторах установлены начальные напряжения: u Д (t 0 ) = |u k (t 0 )|≥Е (точка 1, рис. 4). При отпирании тиристоров V К1 , V К3 (либо V К2 и V К4 ) ток нагрузки переходит с нулевого кон- Рис. 4. Фазовый портрет процесса перезаряда дозирующего конденсатора при допущении, что ток нагрузки идеально сглажен Рис. 5. Кривые зависимости максимального напряжения на демпфирующем конденсаторе от параметров а (емкость демпфирующего конденсатора) и ρ * (индуктивность питающей сети): 1 — ρ * = 0,62; 2 — ρ * = 0,51; 3 — ρ * = 0,43; 4 — ρ * = 0,32; 5 — ρ * = 0,21 www.power-e.ru 83
Силовая Электроника, № 5’2009 Источники питания тура на контур V 02 –C Д –С К –V K –нагрузка–V 02 . Диоды выпрямительного моста заперты, так как начальное напряжение на демпфирующем конденсаторе превышает величину линейного напряжения питающей сети (переход с точки 1 к точке 2, рис. 4). На первом коммутационном интервале напряжения на обоих конденсаторах изменяются линейно. В момент времени t 1 напряжение на демпфирующем конденсаторе сравнивается с напряжением Е. Начиная с этого момента в работу вступают диоды выпрямительного моста, и ток нагрузки начинает плавно переходить в контур: E–L Э –В 1 –С К –V К –нагрузка–В 2 –E. На этом коммутационном интервале напряжение и токи в схеме описываются дифференциальным уравнением, результат решения которого дает напряжение на демпфирующем конденсаторе: u Д (t 2 ) = Е – I H ρ 1 , ρ 1 = √L Э /C Д . а Рис. 6. Характеристики преобразователей: а) регулировочные; б) внешние, при f * = f/f 0 = 0,8 (f — рабочая частота преобразователя) б В момент времени t 2 обратный диод V 02 запирается, демпфирующий конденсатор отключается, и напряжение на нем остается неизменным. Коммутирующий конденсатор продолжает линейно перезаряжаться, и в момент времени t 3 (t 3 = t p — время регулирования) напряжение на нем достигает значения U Ск (t 3 ) = U p (U p — напряжение регулирования, которое определяется временем регулирования). С этого момента подаются импульсы отпирания на тиристоры V k5 и V k6 , в результате чего один из них отпирается (в эквивалентной схеме ключ К1 запирается). Коммутирующий конденсатор С к помимо тока нагрузки начинает перезаряжаться током вентиля i Vk5 (либо i Vk6 ) по контуру L к –C к . На фазовом портрете это соответствует участку 2→3→4. В момент t 4 ток через тиристор V k5 становится равным нулю, и этот тиристор запирается (ключ К1 отпирается). Конденсатор С к продолжает перезаряжаться полным током нагрузки (это соответствует перемещению точки 4→5) до момента t 5 , когда U к (t 5 ) = U Д (t 2 ) = I H ρ 1 . В результате открывается обратный диод VD 01 , и оба конденсатора оказываются соединенными параллельно. В течение интервала t 5 –t 6 напряжение на обоих конденсаторах продолжает линейно расти (на фазовой плоскости этому процессу соответствует перемещение 5→6). В момент времени t 6 напряжение на конденсаторах достигает значения источника питания (линейного напряжения сети), и ток нагрузки плавно переходит с контура потребления на нулевой контур VD 01 –VD 02 , причем тиристор V K в момент t 7 запирается, так как на нем прикладывается обратное напряжение. А напряжение на конденсаторе остается неизменным и равным U Ск (t 7 ) = U СД (t 7 )≈ ≈Е + I H ρ Э , ρ Э = √L Э /(С к +C Д ). В момент времени t 7 коммутационные процессы заканчиваются. В этом промежутке дозарядка коммутирующего конденсатора на фазовой плоскости описывается дугой окружности с центром в точке (Е,0). В следующий полупериод рабочей частоты включается очередная пара коммутирующих тиристоров дозатора, и электромагнитные процессы в схеме повторяются. Анализ эквивалентной схемы с учетом указанных межкоммутационных интервалов позволяет, при условии [5,6] а б в г д е Рис. 7. Результаты анализа моделирования электромагнитных процессов в ТКП: а) временные диаграммы выходного напряжения; б) диаграммы напряжений на демпфирующем и дозирующем конденсаторах соответственно (пунктирными линиями показано напряжение на демпфирующем конденсаторе); в) диаграмма тока индуктивно-активной нагрузки; г) диаграмма тока через индуктивный реактор ускоренного перезаряда; д) диаграмма тока на выходе выпрямительного моста; е) регулировочная характеристика преобразователя в режиме ШИР 84 www.power-e.ru
- Page 1: Силовая Электроник
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2009<br />
Источники питания<br />
тура на контур V 02 –C Д –С К –V K –нагрузка–V 02 .<br />
Диоды <strong>в</strong>ыпрямительного моста заперты, так<br />
как начальное напряжение на демпфирующем<br />
конденсаторе пре<strong>в</strong>ышает <strong>в</strong>еличину линейного<br />
напряжения питающей сети (переход с точки<br />
1 к точке 2, рис. 4). На пер<strong>в</strong>ом коммутационном<br />
интер<strong>в</strong>але напряжения на обоих конденсаторах<br />
изменяются линейно. В момент<br />
<strong>в</strong>ремени t 1 напряжение на демпфирующем<br />
конденсаторе сра<strong>в</strong>ни<strong>в</strong>ается с напряжением<br />
Е. Начиная с этого момента <strong>в</strong> работу <strong>в</strong>ступают<br />
диоды <strong>в</strong>ыпрямительного моста, и ток нагрузки<br />
начинает пла<strong>в</strong>но переходить <strong>в</strong> контур:<br />
E–L Э –В 1 –С К –V К –нагрузка–В 2 –E. На этом коммутационном<br />
интер<strong>в</strong>але напряжение и токи<br />
<strong>в</strong> схеме описы<strong>в</strong>аются дифференциальным<br />
ура<strong>в</strong>нением, результат решения которого дает<br />
напряжение на демпфирующем конденсаторе:<br />
u Д (t 2 ) = Е – I H ρ 1 , ρ 1 = √L Э /C Д .<br />
а<br />
Рис. 6. Характеристики преобразо<strong>в</strong>ателей: а) регулиро<strong>в</strong>очные;<br />
б) <strong>в</strong>нешние, при f * = f/f 0 = 0,8 (f — рабочая частота преобразо<strong>в</strong>ателя)<br />
б<br />
В момент <strong>в</strong>ремени t 2 обратный диод V 02 запирается,<br />
демпфирующий конденсатор отключается,<br />
и напряжение на нем остается неизменным.<br />
Коммутирующий конденсатор продолжает<br />
линейно перезаряжаться, и <strong>в</strong> момент <strong>в</strong>ремени<br />
t 3 (t 3 = t p — <strong>в</strong>ремя регулиро<strong>в</strong>ания) напряжение<br />
на нем достигает значения U Ск (t 3 ) = U p (U p — напряжение<br />
регулиро<strong>в</strong>ания, которое определяется<br />
<strong>в</strong>ременем регулиро<strong>в</strong>ания). С этого момента подаются<br />
импульсы отпирания на тиристоры V k5<br />
и V k6 , <strong>в</strong> результате чего один из них отпирается<br />
(<strong>в</strong> эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентной схеме ключ К1 запирается).<br />
Коммутирующий конденсатор С к помимо тока<br />
нагрузки начинает перезаряжаться током <strong>в</strong>ентиля<br />
i Vk5 (либо i Vk6 ) по контуру L к –C к . На фазо<strong>в</strong>ом<br />
портрете это соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует участку 2→3→4.<br />
В момент t 4 ток через тиристор V k5 стано<strong>в</strong>ится<br />
ра<strong>в</strong>ным нулю, и этот тиристор запирается (ключ<br />
К1 отпирается). Конденсатор С к продолжает перезаряжаться<br />
полным током нагрузки (это соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует<br />
перемещению точки 4→5) до момента<br />
t 5 , когда U к (t 5 ) = U Д (t 2 ) = I H ρ 1 . В результате откры<strong>в</strong>ается<br />
обратный диод VD 01 , и оба конденсатора<br />
оказы<strong>в</strong>аются соединенными параллельно.<br />
В течение интер<strong>в</strong>ала t 5 –t 6 напряжение на обоих<br />
конденсаторах продолжает линейно расти (на<br />
фазо<strong>в</strong>ой плоскости этому процессу соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ует<br />
перемещение 5→6). В момент <strong>в</strong>ремени t 6 напряжение<br />
на конденсаторах достигает значения<br />
источника питания (линейного напряжения<br />
сети), и ток нагрузки пла<strong>в</strong>но переходит с контура<br />
потребления на нуле<strong>в</strong>ой контур VD 01 –VD 02 ,<br />
причем тиристор V K <strong>в</strong> момент t 7 запирается,<br />
так как на нем приклады<strong>в</strong>ается обратное напряжение.<br />
А напряжение на конденсаторе остается<br />
неизменным и ра<strong>в</strong>ным U Ск (t 7 ) = U СД (t 7 )≈<br />
≈Е + I H ρ Э , ρ Э = √L Э /(С к +C Д ). В момент <strong>в</strong>ремени<br />
t 7 коммутационные процессы заканчи<strong>в</strong>аются.<br />
В этом промежутке дозарядка коммутирующего<br />
конденсатора на фазо<strong>в</strong>ой плоскости описы<strong>в</strong>ается<br />
дугой окружности с центром <strong>в</strong> точке (Е,0).<br />
В следующий полупериод рабочей частоты<br />
<strong>в</strong>ключается очередная пара коммутирующих<br />
тиристоро<strong>в</strong> дозатора, и электромагнитные процессы<br />
<strong>в</strong> схеме по<strong>в</strong>торяются.<br />
Анализ эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентной схемы с учетом указанных<br />
межкоммутационных интер<strong>в</strong>ало<strong>в</strong> поз<strong>в</strong>оляет,<br />
при усло<strong>в</strong>ии [5,6]<br />
а<br />
б<br />
<strong>в</strong><br />
г<br />
д<br />
е<br />
Рис. 7. Результаты анализа моделиро<strong>в</strong>ания электромагнитных процессо<strong>в</strong> <strong>в</strong> ТКП: а) <strong>в</strong>ременные<br />
диаграммы <strong>в</strong>ыходного напряжения; б) диаграммы напряжений на демпфирующем и дозирующем<br />
конденсаторах соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>енно (пунктирными линиями показано напряжение на демпфирующем<br />
конденсаторе); <strong>в</strong>) диаграмма тока индукти<strong>в</strong>но-акти<strong>в</strong>ной нагрузки; г) диаграмма тока через<br />
индукти<strong>в</strong>ный реактор ускоренного перезаряда; д) диаграмма тока на <strong>в</strong>ыходе <strong>в</strong>ыпрямительного моста;<br />
е) регулиро<strong>в</strong>очная характеристика преобразо<strong>в</strong>ателя <strong>в</strong> режиме ШИР<br />
84 www.power-e.ru
Change language