Тиристорно-конденсаторные регуляторы с дозированной передачей энергии в нагрузку

Все рассмотренные схемы импульсных регуляторов в режиме непрерывного тока дросселя имеют внешние характеристики, близкие к характеристике источника ЭДС, т. е. выходное напряжение практически не зависит от нагрузки. Однако для многих нагрузок характерно значительное изменение сопротивления в процессе работы, и требуется регулировать напряжение или мощность, но требуемому закону. При резком изменении параметров возможно возникновение колебательного переходного процесса. В этом случае целесообразно использовать преобразователи с сильно нелинейными внешними характеристиками, принцип работы которых основан на дозированной передаче энергии в нагрузку [6, 7].

На рис. 6.11 представлена схема такого импульсного регулятора, в которой в качестве ключа используются тиристоры с коммутирующим конденсатором С_к, что позволяет применять схему при высоких значениях напряжения и тока нагрузки. Конденсатор С_к выполняет также функцию промежуточного накопителя энергии.

Рис. 6.11. Регулятор с дозированной передачей энергии в нагрузку.

Рассмотрим принцип действия схемы. Предположим, что конденсатор С_к заряжен до напряжения (Е+ UJ с полярностью, указанной на рис. 6.11 без скобок. В момент времени f₀ подаются импульсы управления на тиристоры VSl и V53. Образуется колебательный контур E—C_K — L (рис. 6.12, а), электромагнитные процессы в котором описываются дифференциальным уравнением второго порядка. Решение этого уравнения позволяет получить временные зависимости тока и напряжения на дросселе:

где со = 1 /_уJLC_K — резонансная частота колебательного контура; U_u — среднее значение напряжения на нагрузке. Соответствующие диаграммы тока и напряжений приведены на рис. 6.13 (интервал I). В процессе перезаряда конденсатора С_К напряжение на дросселе изменяет свою полярность и начинает увеличиваться. Когда напряжение u_L достигает выходного напряже;

Рис. 6.12. Эквивалентные схемы регулятора с дозированной передачей энергии:

а — при включенных тиристорах V51, VS3 (интервал I); б — при включенном диоде (интерват II); в — при выключенном диоде (интервал III).

Рис. 6.13. Диаграммы напряжений и токов для регулятора с дозированной передачей энергии ния U_u (в момент ?,), включается диод VD. так как на нем появляется напряжение прямой полярности. Процесс заряда конденсатора прекращается, тиристоры VS1, VS3 выключаются. Соответствующая схема замещения показана на рис. 6.12,6, а диаграмма тока — на рис. 6.13 (интервал 11). Ток дросселя уменьшается под воздействием напряжения и_и, энергия передается в цепь нагрузки и фильтрующего конденсатора С_ф, что определяется системой уравнений:

В момент t₂ ток дросселя становится равен нулю, диод закрывается. Схема замещения приобретает вид, соответствующий рис. 6.12, в, а система (6.24) вырождается в одно уравнение:

На интервале III энергия, запасенная в конденсаторе С_ф, передается в нагрузку.

В момент t₃ подаются импульсы управления на тиристоры VS2, VSA. Начинается второй полупериод работы схемы, конденсатор перезаряжается, изменяя полярность с положительной на отрицательную (указана на рис. 6.11 без скобок). Далее процессы повторяются.

Среднее значение выходного напряжения можно определить из уравнения энергетического баланса при допущении отсутствия потерь, приравняв активные мощности на входе и выходе регулятора:

где /_вх — среднее значение входного тока. В соответствии с диаграммой па рис. 6.13 и с учетом того, что м_л(?,) = -{/", можно записать:

где / — частота коммутации тиристоров.

Из уравнений (6.26) и (6.27) получим.

Из уравнения (6.28) следует, что среднее значение выходного напряжения в первом приближении увеличивается с ростом частоты переключения тиристоров, т. е. определяется частотой передачи накопленной энергии в нагрузку. На каждом полупериоде происходит накопление энергии и дозированная ее передача в нагрузку. Преобразователь по своим свойствам близок к источнику мощности, а внешняя характеристика имеет гиперболический характер. При этом схема является работоспособной при коротком замыкании в цепи нагрузки. Регулирование тока и напряжения на нагрузке осуществляется посредством изменения частоты коммутации тиристоров (методом частотно-импульсной модуляции).