Преобразователи постоянно-постоянного тока

Сущность импульсного питания электрической энергией тягового двигателя постоянного тока от источника энергии постоянного тока наглядно иллюстрируется схемой и диаграммами, представленными соответственно на рис. 4.1 и 4.2 [10]. Устройство, которое осуществляет периодические отключения и включения цепи нагрузки на напряжение источника, обычно называют ключом К. Последовательно с двигателем М включен дроссель L для сглаживания пульсаций тока в этой цепи, а параллельно цепи нагрузки — полупроводниковый диод VD, называемый обратным, через который протекает ток двигателя в те промежутки времени, когда ключ разомкнут. Замыкание и размыкание ключа К производятся с периодом повторения Т_р (рис. 4.2, а). В течение промежутка ключ замкнут, в остальную часть периода Т_р— t_M — разомкнут. При замкнутом ключе к цепи нагрузки приложено напряжение, равное напряжению источника (м_и = Uj). Под действием напряжения Ud в контуре «+» источника питания — ключ К-дроссель L- двигатель М — «-» источника питания увеличивается ток id= /_м. Поступающая из питающей сети энергия потребляется нагрузкой (двигателем М) и накапливается в дросселе L1.

Рис. 4.1. Схема цепи питания тягового двигателя через преобразователь.

После размыкания ключа приток энергии от источника прекращается (/_w = 0). Ток двигателя /_м, поддерживаемый энергией, запасенной в дросселе L, замыкается через диод VD.

Поскольку в контур нс поступает энергия извне, ток /_м убывает. Величину прикладываемого к двигателю напряжения можно регулировать, изменяя период либо Т_р (т. е. частоту замыкания ключа К), либо интервап г_и (т. е. длительность нахождения ключа в замкнутом состоянии). Иллюстрирующие эти режимы диаграммы представлены на рис. 4.2, б. Первая из них соответствует регулированию напряжения м" путем изменения периода Т_р (т. е. частоты следования импульсов) при сохранении неизменным интервала г_и и отражает способ частотно-импульсного регулирования. Вторая — широтно-импульсный способ. При комбинированном способе регулирования изменяется как частота, так и продолжительность импульсов.

В схеме импульсного регулирования при рекуперативном торможении двигателем последовательного возбуждения (рис. 4.3) использованы те же элементы, что и в схеме для режима тяги, но изменено их соединение. Дроссель L обеспечивает сглаживание тока в цепи двигателя, а диод VD препятствует протеканию тока из сети в генератор.

На диаграммах рис. 4.4, а и 4.4, б, иллюстрирующих процессы в схеме при использовании частотнои широтно-импульсного способов регулирования, замкнутому положению ключа К соответствует интервал времени В интервале Т_р — /" ключ разомкнут. При замыкании.

Рис. 4.2. Диаграммы токов и напряжений на тяговом двигателе.

Рис. 4.3. Схема цепей в режиме рекуперации.

ключа для тягового двигателя, работающего в генераторном режиме, образуется практически короткозамкнутый контур, в который входит сам генератор G, дроссель L и ключ К. Энергия, вырабатываемая генератором, за вычетом энергии, идущей на покрытие потерь в активном сопротивлении контура, накапливается в индуктивности дросселя /Л, в результате чего ток в нем возрастает. Ток i_d в этом интервале равен нулю. После размыкания ключа напряжение в цепи генератора, равное сумме Uq и напряжения на дросселе L1, возрастает до величины Ud благодаря энергии, накопленной в дросселе L. Замыкавшийся ранее через ключ ток будет поступать в сеть постоянного тока с напряжением U_di несмотря на то что E_G < U_d• Так как передача энергии в сеть постоянного тока связана с убылью энергии, накопленной в дросселе /Л, ток id при этом уменьшается.

Рис. 4.4. Диаграммы токов и напряжений при частотном и широтном способах регулирования.

При использовании в качестве ключа полупроводникового прибора типа тиристор возникает задача коммутации последнего. Применяемые в настоящее время тиристоры бывают полностью управляемые и не полностью управляемые. Для отпирания последних достаточно подать сигнал на управляющий электрод, а для запирания — специальное устройство: узел коммутации. В качестве примера рассмотрим наиболее распространенную емкостную коммутацию тиристорного ключа (рис. 4.5 и 4.6).

При подключении к источнику питания по цепи «+» источника питания — C-Z,-«-» источника питания протекает ток /_пит = /с = /натр" заряжающий конденсатор С до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок. После завершения процесса заряда ключ готов к работе.

При отпирании тиристора VS в момент времени t₀ образуется цепь питания нагрузки и через тиристор протекает ток /_пит = /_|игр. Одновременно образуется цепь разряда конденсатора С. Ток конденсатора /с, протекая по цепи «+» обкладка конденсатора Стиристор VS — дросссль L- «-» обкладка конденсатора С, сначала разряжает последний до пуля (момент времени /|), а затем перезаряжает до противоположной полярности (момент времени /₂), указанной на рисунке в скобках.

После перезаряда _с становится равным нулю и к тиристору прикладывается напряжение обратной полярности, что приводит к его выключению. Ток нагрузки, ранее протекавший через тиристор, коммутируется в цепь конденсатора С (/_Harp = i_c), что приводит сначала к обнулению напряжения на конденсаторе (момент времени /3), а затем — к заряду до напряжения источника питания с полярностью, указанной без скобок (момент времени /₄). Интервал времени от /₀ до /4 называется временем импульса После этого ключ готов к повторному циклу.

Рис. 4.5. Схема ключа Рис. 4.6. Диаграммы токов и напряжений Приведенная схема обеспечивает постоянство времени проводящего состояния тиристора ключа, т. е. соответствует частотному способу регулирования. Изменить время проводящего состояния ключа можно запретом выключения тиристора после перезаряда коммутирующего конденсатора. Достичь этого можно схемным решением, пример которого приведен на рис. 4.7.

Согласно схеме после перезаряда коммутирующего конденсатора до противоположной полярности разряд его через цепь нагрузки становится возможным только после того, как произойдет отпирание тиристора KS2 (гасящего). Длительность задержки на включение гасящего тиристора не должна превышать интервала времени А/ = /₅ — /₄, называемого временем паузы /_пауз. На рис. 4.6 пунктирной линией показано изменение диаграммы напряжения на коммутирующем конденсаторе для некоторого времени задержки (_ш. Соответственно изменяются диаграммы /‘с ⁼J[0 ^и W_P ⁼ ф (0;

Рис. 4.7. Широтный ключ.

Приведенная схема обеспечивает изменение времени проводящего состояния тиристора VS 1 ключа (ширины импульса) при сохранении периода, т. е. соответствует широтному способу регулирования.

Это же схемное решение ключа позволяет осуществлять и комбинированное регулирование (изменением как ширины импульса /_и, так и периода Т_р).