4. Импульсные преобразователи постоянного тока

Импульсные преобразователи постоянного тока служат для плавного изменения среднего значения напряжения в цепях постоянного тока. С помощью импульсных преобразователей можно ограничивать пусковые токи, обеспечивать плавное трогание и изменение частоты вращения электродвигателей. Импульсные преобразователи применяются вместо пусковых и регулировочных резисторов, в которых потери электроэнергии составляют 20-30 % от общего энергопотребления электроподвижным составом. Входные импульсные преобразователи применяют для изменения напряжения на входе автономных инверторов высокоскоростных электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. С помощью импульсных преобразователей нагрузка периодически подключается к источнику постоянного напряжения. В качестве ключа, который периодически подключает нагрузку к источнику, можно применять силовые транзисторы, запираемые тиристоры. Если применяют однооперационные обычные тиристоры, то их переводят в непроводящее состояние схемой принудительной коммутации. Частоту следования импульсов напряжения на выходе преобразователя обычно выбирают, исходя из обеспечения требуемой пульсации тока в нагрузке. При частоте 200-400 Гц непрерывный ток в нагрузке достигается за счет индуктивности нагрузки, а если индуктивности нагрузки недостаточно, то устанавливают дополнительный дроссель. Среднее значение импульсного напряжения на выходе преобразователей можно изменять путем применения широтно-импульсного регулирования (ШИР) за счет изменения длительности импульсов или частотно-импульсного регулирования (ЧИР) за счет изменения частоты следования импульсов. Частота следования импульсов и частота коммутации при использовании ШИР остается постоянной во время регулирования, а контур принудительной коммутации настроен на одну частоту и надежно запирает главный тиристор на всем диапазоне регулирования. Поэтому ШИР получило большее применение на практике. Электрически схемы импульсных преобразователей в основном отличаются способом принудительного запирания главного тиристора. Разработано большое количество схем с одноступенчатой и двухступенчатой коммутациями, с параллельной и последовательной коммутирующими ЭДС, с зависимой и независимой структурами цепей заряда и разряда коммутирующего конденсатора.

1. Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока

Широтно-импульсное регулирование среднего значения импульсного напряжения в цепях постоянного тока можно выполнять с помощью широтно-импульсного преобразователя (ШИП) на основе однооперационных (обычных) тиристоров. Рассмотрим принцип действия ШИП с одноступенчатой коммутацией, параллельной коммутирующей ЭДС и независимой структурой цепей коммутирующего конденсатора (рис. 4.1).

Нагрузкой преобразователя, на которой необходимо плавно изменять среднее значение импульсного напряжения U_Н, является электродвигатель последовательного возбуждения. Для уменьшения пульсаций тока в схеме применяется сглаживающий реактор L_H, а для уменьшения пульсаций магнитного потока обмотка возбуждения зашунтирована резистором R₁. Параллельно реактору и электродвигателю включен обратный диод VD2, который уменьшает пульсации тока в нагрузке и ее индуктивное сопротивление. Функцию ключа, который периодически подключает нагрузку к источнику постоянного напряжения U, выполняет главный тиристор VS1. Для запирания главного тиристора применяются коммутирующий конденсатор С, коммутирующий дроссель L, вспомогательный тиристор VS2 и диод VD1.

Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема ШИП

Системой управления ШИП импульс управления подается на вспомогательный тиристор VS2. Конденсатор С заряжается от источника U через открытый тиристор VS2 и сопротивление нагрузки. При U_C = U (полярность напряжения показана на рисунке без скобок) I_C = 0, и тиристор VS2 запирается. Частота следования импульсов управления главным тиристором VS1 задается системой управления ШИП. При отпирании VS1 напряжение на входе ШИП U прикладывается к нагрузке и одновременно собирается колебательный контур принудительной коммутации. Конденсатор С разряжается через открытый VS1 на дроссель L через диод VD1. С возникновением тока разряда конденсатора i_C появляется ЭДС самоиндукции e_L в коммутирующем дросселе:

. (4.1)

Зависимости мгновенных значений u_C и I_C от времени можно получить, решая систему уравнений (4.2):

(4.2)

С учетом начальных условий при t=0, u_C = U решение системы имеет вид

(4.3)

где собственная частота колебательного контура;

– амплитуда тока в колебательном контуре.

После достижения током i_C амплитудного значения I_m он начинает снижаться, а знак производной от тока изменяется, поэтому полярность ЭДС самоиндукции e_L в дросселе изменяется на противоположную. Под действием ЭДС самоиндукции e_L конденсатор С перезаряжается (полярность напряжения на конденсаторе после перезаряда указана в скобках). Диодом VD1 прекращается дальнейший ход колебательного процесса. Длительность процесса перезаряда конденсатора t_П равна длительности полупериода колебательного процесса в контуре, то есть ω·t_П = π. Таким образом, длительность перезаряда конденсатора можно рассчитать по формуле

. (4.4)

В действительности колебательный контур имеет активное сопротивление, поэтому напряжение на конденсаторе за время t_П будет меньше начального значения U. У ШИП, которые применяются на практике, коэффициент затухания колебательного контура коммутации составляет k_З = 0,7 – 0,8.

Для изменения ширины импульса напряжения на выходе ШИП момент подачи импульса управления на вспомогательный тиристор VS2 задается с помощью системы управления преобразователем. Тиристор VS2 отпирается, и на главный тиристор VS1 прикладывается напряжение с конденсатора С в обратном направлении. Ток в тиристоре VS1 снижается и становится меньше тока удержания. Тиристор VS1 запирается, а напряжение на нагрузке повышается до величины U + k_З·U, так как последовательно с источником постоянного напряжения U включено напряжение заряженного конденсатора С. После отпирания тиристора VS2 начинается процесс заряда конденсатора от источника постоянного напряжения U, а ток нагрузки I_H в это время протекает через конденсатор и тиристор VS2, минуя тиристор VS1. Ток заряда конденсатора равен

.

Скорость изменения напряжения на конденсаторе равна

. (4.5)

До тех пор, пока напряжение на конденсаторе не снизится от k_З·U до нуля, к тиристору VS1 будет прикладываться напряжение в обратном направлении. С учетом (4.5) можно определить время t_C , в течение которого к главному тиристору будет прикладываться обратное напряжение после его запирания:

. (4.6)

Время t_C называют схемным временем.

После окончания заряда конденсатора напряжение на нагрузке уменьшается до нуля. За счет накопленной энергии магнитного поля через обратный диод VD2 протекает ток нагрузки под действием ЭДС самоиндукции.

Коммутационным интервалом t_К называется время, в течение которого напряжение на конденсаторе изменяется от k_З·U до U, то есть изменится на величину ΔU_C = k_З·U + U. Коммутационный интервал можно рассчитать по формуле

. (4.7)

С подачей импульса управления на тиристор VS1 ток нагрузки протекает снова от источника постоянного напряжения U через главный тиристор VS1 и цикл работы преобразователя повторяется. Продолжительность цикла равна Т.

Среднее значение напряжения на нагрузке равно

, (4.8)

где t_СУ – интервал времени между импульсами управления тиристоров VS1 и VS2.

Для исключения срыва коммутации в импульсном преобразователе (для надежного запирания главного тиристора) на вспомогательный тиристор VS2 нужно подавать системой управления импульс управления не раньше окончания колебательного процесса перезаряда конденсатора t_П, то есть t_СУ≥t_П. С учетом данного ограничения можно рассчитать минимальное среднее значение импульсного напряжения на нагрузке:

, (4.9)

где – минимальный коэффициент заполнения импульсного напряжения на нагрузке.

Главный тиристор VS1 нужно отпирать после окончания заряда коммутирующего конденсатора С, поэтому максимальное среднее значение напряжения на нагрузке U_Hmax ограничивается данным условием. U_Hmax будет обеспечиваться отпиранием тиристора VS1 в момент окончания коммутационного интервала t_K, то есть когда t_СУ = T - t_K.

. (4.10)

Максимальный коэффициент заполнения импульсов напряжения на выходе преобразователя равен

. (4.11)