Однофазный преобразователь на тиристорах.

На рис. IV.20 показан однофазный преобразователь энергии, который содержит два переключателя тока (рис. IV. 17), измеритель тока (рис. IV. 19) и схему формирования, характеризующую данный вид преобразователя.

На рис. IV.21 показана схема формирования непрерывно переключающегося преобразователя энергии, которая содержит два одинаковых усилителя на транзисторах Характерной особенностью этой схемы является то, что первые каскады усилителей на транзисторах образуют триггер. Следовательно, один из транзисторов всегда открыт и на соответствующую пару тиристоров или всегда подаются сигналы управления или со вторичных обмоток трансформаторов управления

Рис. IV.20. Однофазный преобразователь энергии на тиристорах

Рис. IV.21. Схема формирования преобразователя без зоны нечувствительности

Резисторы выбираются таким образом, что изменение состояния триггера происходит тогда, когда величина тока достигает значения, соответствующего заданному отклонению тока нагрузки. Схема на рис. IV.21 обеспечивает непрерывное попеременное включение пар тиристоров при любых значениях сигнала на входе преобразователя.

Выражение для частоты переключений тиристоров преобразователя получается в результате решения дифференциальных уравнений, составляемых для периодов времени нарастания и спада тока в нагрузке [19]. С достаточной для практических расчетов точностью решения уравнений получают при следующих допущениях: напряжение на нагрузке не меняется за время периода переключения; отсутствует падение напряжения на выходном омическом сопротивлении и на силовых элементах преобразователя. При этих допущениях частота переключений тиристоров определяется по формуле

где — суммарная индуктивность в цепи нагрузки;

— мгновенное значение напряжения на нагрузке.

При получим формулу начальной частоты переключений

На рис. IV.22 показана схема формирования преобразователя второго вида — преобразователя с зоной нечувствительности по входному сигналу. Она состоит из двух одинаковых, несвязанных друг с другом усилителей на транзисторах Усилители имеют зону нечувствительности, т. е. импульсы управления для любой из пар тиристоров появляются только тогда, когда ток достигнет некоторой заданной величины. Величина зоны нечувствительности (порога срабатывания) усилителя зависит от величины сопротивления резистора и соответствует величине тока в нагрузке При большем порога срабатывания, преобразователь работает так же, как и непрерывно переключающийся, а частота его переключений определяется выражением (IV.35).

Рис. IV.22. Схема формирования преобразователя с зоной нечувствительности

В том случае, когда вопросы уменьшения потерь энергии в приводе играют первостепенную роль, необходимо уменьшать число переключений силовых элементов УН.

Понизить частоту переключений элементов в УН можно за счет понижения скоростей нарастания и спада тока нагрузки, исключая в определенных случаях из контуров формирования этого тока напряжение источника питания [12], [19], [27].

Для решения поставленной задачи удобно использовать преобразователь, изображенный на рис. IV.20, схема формирования которого имеет зону нечувствительности и обеспечивает подачу импульсов управления на тиристоры в соответствии с двумя программами. Одна программа содержит команды подать импульсы управления соответственно на тиристоры в Сокращенно обозначим эту программу как в соответствии с очередностью подачи импульсов управления на тиристоры. Тогда вторая программа может быть обозначена как Эти программы обеспечивают как низкие частоты переключений, так и равномерную загрузку силовых элементов преобразователя. Получение импульсов управления в соответствии с названными программами можно вести как и в рассмот ренных выше преобразователях, измеряя отклонения тока нагрузки от заданного значения с помощью двух уставок тока, величины которых равны Смену одной программы команд на другую можно производить, измеряя отклонения тока нагрузки от заданного значения с помощью двух других уставок тока, величины которых равны причем раза больше

На рис. IV.23 показана схема формирования преобразователя с зоной нечувствительности и с программным управлением тиристорами. Схема содержит четыре одинаковых усилителя, каждый из которых предназначен для формирования импульсов управления только для одного тиристора. Два усилителя управляют тиристорами а два других тиристорами Каждый усилитель имеет порог срабатывания, определяемый током, задаваемым в базу первого транзистора усилителя с помощью резисторов Напряжение на резистор подается всегда, а на резистор в зависимости от состояния триггеров Для каждой пары усилителей имеется свой триггер

Рис. IV.23. Схема формирования для программного управления тиристорами преобразователя

В любой паре усилителей или всегда один из них имеет малый порог срабатывания, определяемый током через резистор а другой — большой порог, определяемый токами через резисторы

В процессе работы преобразователя состояния триггеров меняются, т. е. меняются и пороги срабатывания усилителей. Для осуществления автоматического поочередного изменения порогов срабатывания в схеме предусмотрено два управляющих устройства — по одному устройству на каждую пару усилителей Каждое управляющее устройство состоит из двух запоминающих элементов, по одному элементу на каждый из усилителей. Запоминающие элементы выполнены на магнитных сердечниках и запоминают срабатывание соответствующего усилителя. Опрос запоминающих элементов, относящихся, например, к паре усилителей происходит в моменты срабатываний любого из усилителей другой пары После опроса запоминающих элементов изменяется состояние соответствующего триггера что и приводит к изменению

порогов срабатывания у соответствующей пары усилителей. В установившемся режиме работы срабатывают поочередно усилители из пар по одному усилителю из пары. При смене режима работы нагрузки обязательно срабатывают друг за другом два усилителя какой-нибудь из названных пар. На рис. IV.24 показан график изменения тока в нагрузке преобразователя для случая, когда ток нагрузки формируется с помощью тиристоров и . С момента времени до принят двигательный режим работы нагрузки. С момента времени до генераторный режим, и далее после снова двигательный. Вдоль оси проставлены цифры, указывающие тиристоры, на которые подавались импульсы управления в соответствующие моменты времени.

Рис. IV.24. Изменение тока на выходе преобразователя при постоянном сигнале на входе

Видно, что в двигательном режиме работы нагрузки реализуется программа команд в генераторном — а при смене программ импульсы управления формировали подряд усилители какой-либо из пар или

Рассмотренная схема формирования не только позволяет понизить частоты переключений силовых элементов преобразователя, но и повысить надежность его работы: если, например, по достижении током первого порога срабатывания одного из усилителей одной пары по какой-либо случайной причине не произошло включения (выключения) требуемого тиристора, то, продолжая нарастать, ток достигнет второго порога срабатывания другого усилителя этой же пары и произведет включение (выключение) соответствующего тиристора, способного также прервать нарастание (спад) тока нагрузки

На рис. IV.25 показаны регулировочные характеристики преобразователей — ток на выходе в зависимости от тока на входе: 1 — характеристика преобразователя без зоны нечувствительности; 2 — с зоной нечувствительности (она же — характеристика преобразователя с программным управлением).

Запишем выражение для частоты переключений преобразователя с программным управлением, полученное при тех же допущениях, что и выражение (IV.35):

На рис. IV.26 показаны графики изменения частот переключений, построенные в относительных единицах, для случая: когда ток в нагрузке превышает величину график 1 — для преобразователей первого и второго видов, а график 2 — для преобразователя второго вида с программным переключением тиристоров.

Рис. IV.25. Зависимость тока на выходе преобразователя от сигнала на входе

Рис. IV.26. Кривые изменения частот переключений преобразователей

При проектировании преобразователя необходимо знать среднюю частоту переключений тока в нагрузке за период синусоидального изменения тока на выходе преобразователя.

Выражение для средней частоты переключений преобразователей первого и второго видов

а для преобразователя с программным переключением

где — амплитуда напряжения на нагрузке.

Рис. IV.27. Изменение тока на выходе преобразователя с зоной нечувствительности

Рис. IV.28. Изменение тока на выходе преобразователя с программным управлением

Из выражения (IV.38) максимальное значение средней частоты оказывается равным частоте , а из выражения (IV.33) — равным

На рис. IV.27 показана форма тока на выходе преобразователя, изображенного на рис. IV.20, со схемой формирования, приведенной

на рис. IV.22. На рис. IV.28 показана форма тока на выходе преобразователя (рис. IV.20) со схемой формирования (рис. IV.23). На входы преобразователей подавались одинаковые синусоидальные сигналы; Частоты изменений выходных токов преобразователей 20 Гц, амплитуды 50 А. Были измерены частоты переключений и собственные потери мощности преобразователей при постоянном токе в нагрузке (принято ). Потери мощности и частота переключений преобразователя с программным переключением равны и 25 Гц и соответственно меньше в 7 и в 20 раз потерь и частоты преобразователя только с зоной нечувствительности (в преобразователях был использован переключатель тока, показанный на рис. IV. 17, мощностью