Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
- TAGS
- matlab
- orcad
- www.power-e.ru
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2009<br />
Источники питания<br />
Анализ и расчет<br />
осно<strong>в</strong>ных характеристик<br />
тиристорно-конденсаторных преобразо<strong>в</strong>ателей<br />
с дополнительным контуром перезаряда<br />
дозирующего конденсатора<br />
Норик Петросян<br />
norik_khotanan@mail.ru<br />
<strong>в</strong><br />
а<br />
Рис. 1. Осно<strong>в</strong>ные схемы ТКП с комбиниро<strong>в</strong>анным регулиро<strong>в</strong>анием: a) с запазды<strong>в</strong>ающим<br />
<strong>в</strong>ключением контура перезаряда дозирующего конденсатора; б) с опережающим <strong>в</strong>ключением<br />
дополнительного контура перезаряда дозирующего конденсатора; <strong>в</strong>) с рекуперацией<br />
накопленной <strong>в</strong> коммутирующем реакторе энергии <strong>в</strong> демпфирующий конденсатор;<br />
г), д) — <strong>в</strong>арианты схем преобразо<strong>в</strong>ателей, поз<strong>в</strong>оляющих осущест<strong>в</strong>лять ШИР<br />
д<br />
г<br />
б<br />
Тиристорно-конденсаторные преобразо<strong>в</strong>атели<br />
(ТКП) с дозиро<strong>в</strong>анной передачей энергии<br />
успешно используются <strong>в</strong> мощных электротехнических<br />
устано<strong>в</strong>ках <strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е источнико<strong>в</strong> питания,<br />
так как обеспечи<strong>в</strong>ают их устойчи<strong>в</strong>ую работу<br />
при широком диапазоне нагрузок. В этих преобразо<strong>в</strong>ателях<br />
используется осно<strong>в</strong>ное преимущест<strong>в</strong>о резонансных<br />
ин<strong>в</strong>ерторо<strong>в</strong> — принцип последо<strong>в</strong>ательной<br />
конденсаторной коммутации, поз<strong>в</strong>оляющий<br />
облегчить режим работы наиболее чу<strong>в</strong>ст<strong>в</strong>ительных<br />
элементо<strong>в</strong> — тиристоро<strong>в</strong> (или транзисторо<strong>в</strong>), перенося<br />
трудности коммутации тока на более грубые<br />
элементы — конденсаторы. В за<strong>в</strong>исимости от числа<br />
импульсо<strong>в</strong> <strong>в</strong>ыходного напряжения за полный<br />
цикл работы, различают одноактные и д<strong>в</strong>ухтактные<br />
тиристорно-конденсаторные преобразо<strong>в</strong>атели<br />
(ТКП), а <strong>в</strong> за<strong>в</strong>исимости от способа перезаряда дозирующего<br />
конденсатора они подразделяются на ТКП<br />
с <strong>в</strong>спомогательным перезарядом дозирующего конденсатора<br />
и без <strong>в</strong>спомогательного перезаряда [1–5].<br />
Несмотря на то, что преобразо<strong>в</strong>атели с дозиро<strong>в</strong>анной<br />
передачей энергии <strong>в</strong> нагрузку имеют ряд преимущест<strong>в</strong>,<br />
они, как и другие преобразо<strong>в</strong>атели с частотноимпульсным<br />
регулиро<strong>в</strong>анием, имеют определенные<br />
недостатки. Так, фильтры на стороне постоянного<br />
тока и на стороне нагрузки должны быть рассчитаны<br />
на нижнюю частоту работы, и не<strong>в</strong>озможно использо<strong>в</strong>ать<br />
настроенные фильтры на стороне сети для ограничения<br />
отдельных <strong>в</strong>ысших гармоник.<br />
Для устранения <strong>в</strong>ышеуказанных недостатко<strong>в</strong> необходимо<br />
найти такие схемотехнические решения, которые<br />
поз<strong>в</strong>оляли бы сузить диапазон изменения рабочей частоты,<br />
при этом обеспечи<strong>в</strong>ая необходимую глубину регулиро<strong>в</strong>ания<br />
<strong>в</strong>ыходного напряжения или мощности.<br />
Таким схемотехническим решением может быть схема,<br />
где помимо частотно-импульсного регулиро<strong>в</strong>ания<br />
(ЧИР) также осущест<strong>в</strong>ляется широтно-импульсное<br />
(ШИР), т. е. комбиниро<strong>в</strong>анное регулиро<strong>в</strong>ание, а это<br />
<strong>в</strong>озможно, когда <strong>в</strong> ТКП с дозиро<strong>в</strong>анной передачей<br />
энергии <strong>в</strong> нагрузку с помощью индукти<strong>в</strong>ного реактора<br />
осущест<strong>в</strong>ляется форсиро<strong>в</strong>анный перезаряд коммутирующего<br />
(дозирующего) конденсатора.<br />
В данной статье при<strong>в</strong>едены анализ и расчет осно<strong>в</strong>ных<br />
характеристик тиристорно-конденсаторных<br />
преобразо<strong>в</strong>ателей с дозиро<strong>в</strong>анной передачей энергии<br />
<strong>в</strong> нагрузку при различных <strong>в</strong>ариантах регулиро<strong>в</strong>ания<br />
<strong>в</strong>ыходного напряжения или мощности.<br />
На рис. 1 показаны осно<strong>в</strong>ные схемы ТКП, где для<br />
уменьшения коммутационных перенапряжений помимо<br />
коммутирующего конденсатора С К также подключен<br />
демпфирующий конденсатор С Д . Отметим,<br />
что на <strong>в</strong>сех рассматри<strong>в</strong>аемых схемах при<strong>в</strong>едены ТКП<br />
с дозиро<strong>в</strong>анной передачей электрической энергии<br />
<strong>в</strong> нагрузку и обладающие <strong>в</strong>семи положительными<br />
характеристиками, с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>енными преобразо<strong>в</strong>ателям<br />
такого типа. В этих преобразо<strong>в</strong>ателях <strong>в</strong> каче-<br />
82 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2009<br />
Источники питания<br />
Рис. 2. Эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентная электрическая схема<br />
для моделиро<strong>в</strong>ания и расчета осно<strong>в</strong>ных<br />
характеристик ТКП<br />
ст<strong>в</strong>е импульсного регулятора используется<br />
тиристорно-конденсаторный мост (на рис. 1а–г<br />
мост отмечен пунктирными линиями), с помощью<br />
которого осущест<strong>в</strong>ляется дозиро<strong>в</strong>анная<br />
передача энергии <strong>в</strong> нагрузку.<br />
Схемы (рис. 1а, б) с источником постоянного<br />
тока на <strong>в</strong>ходе рассмотрены <strong>в</strong> работах<br />
[1–3]. Не остана<strong>в</strong>ли<strong>в</strong>аясь подробно на принципах<br />
работы этих преобразо<strong>в</strong>ателей, отметим<br />
лишь, что они поз<strong>в</strong>оляют реализо<strong>в</strong>ать<br />
ШИР <strong>в</strong>ключением <strong>в</strong> эти схемы индукти<strong>в</strong>ного<br />
реактора с помощью тиристоро<strong>в</strong> V k5 и V k6 .<br />
Регулиро<strong>в</strong>ание <strong>в</strong>ыходного напряжения осущест<strong>в</strong>ляется<br />
изменением <strong>в</strong>ремени задержки<br />
отпирания этих тиристоро<strong>в</strong> по отношению<br />
к моменту отпирания тиристоро<strong>в</strong> дозирующего<br />
моста V k1 , V k3 и V k2 , V k4 .<br />
На рис. 1<strong>в</strong>, г, д показаны <strong>в</strong>арианты схем ТКП,<br />
<strong>в</strong> которых помимо ЧИР также осущест<strong>в</strong>ляется<br />
и ШИР [6, 7]. В этих схемах также можно осущест<strong>в</strong>ить<br />
режим рекуперации при накоплении<br />
энергии <strong>в</strong> реакторе L k , например, как это показано<br />
на рис. 1<strong>в</strong> (с помощью диода V 02 ).<br />
На рис. 2 при<strong>в</strong>едена эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентная электрическая<br />
схема для моделиро<strong>в</strong>ания и расчета<br />
осно<strong>в</strong>ных характеристик ТКП.<br />
В эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентной электрической схеме В1<br />
и В2 — открытая пара <strong>в</strong>ентилей катодной<br />
и анодной групп <strong>в</strong>ходного <strong>в</strong>ыпрямителя.<br />
Тиристоры дозирующего моста заменены<br />
Рис. 3. Временные диаграммы, иллюстрирующие процессы <strong>в</strong> схемах ТКП<br />
<strong>в</strong>ентилем V k , а тиристоры V k5 и V k6 заменены<br />
ключом К1, который <strong>в</strong>ключается и отключается<br />
<strong>в</strong> нужные моменты <strong>в</strong>ремени регулиро<strong>в</strong>ания<br />
t p . Изменением <strong>в</strong>ремени t p осущест<strong>в</strong>ляется<br />
регулиро<strong>в</strong>ание длительности импульса <strong>в</strong>ыходного<br />
напряжения, т. е. среднего значения<br />
<strong>в</strong>ыходного напряжения. Параметры сети<br />
учтены акти<strong>в</strong>ной сопроти<strong>в</strong>лением r Э индукти<strong>в</strong>ностью<br />
L Э .<br />
Про<strong>в</strong>едем упрощенный анализ, причем<br />
оценим характеристики преобразо<strong>в</strong>ателя,<br />
считая, что ток нагрузки идеально сглажен<br />
(i H = I H ) и схема питается от источника постоянного<br />
напряжения Е. Хорошо сглаженный<br />
ток нагрузки характерен для многих электротехнических<br />
процессо<strong>в</strong>, например <strong>в</strong> электродуго<strong>в</strong>ых<br />
с<strong>в</strong>арочных устано<strong>в</strong>ках, лазерных<br />
устано<strong>в</strong>ках и др. Предположение о постоянст<strong>в</strong>е<br />
напряжения на <strong>в</strong>ходе приемлемо, так<br />
как на <strong>в</strong>ыходе трехфазного <strong>в</strong>ыпрямителя изменение<br />
<strong>в</strong>ыпрямленного напряжения <strong>в</strong> межкоммутационных<br />
интер<strong>в</strong>алах незначительно.<br />
С учетом сделанных допущений с помощью<br />
системы Orcad 9.2 для схем (рис. 1г, д) были<br />
получены <strong>в</strong>ременные диаграммы анализа<br />
(рис. 3). Процессы перезаряда и разряда дозирующего<br />
конденсатора также показаны на фазо<strong>в</strong>ой<br />
плоскости (рис. 4). Нумерация точек<br />
на фазо<strong>в</strong>ой плоскости со<strong>в</strong>падает с индексами<br />
моменто<strong>в</strong> <strong>в</strong>ремени на диаграммах.<br />
Рассмотрим один полупериод работы преобразо<strong>в</strong>ателя,<br />
используя эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентную схему<br />
(рис. 2), <strong>в</strong>ременные диаграммы (рис. 3)<br />
и фазо<strong>в</strong>ый портрет (рис. 4).<br />
Пусть до момента t 0 ток нагрузки I H замыкался<br />
через обратные диоды VD 01 ,VD 02 .<br />
На конденсаторах устано<strong>в</strong>лены начальные напряжения:<br />
u Д (t 0 ) = |u k (t 0 )|≥Е (точка 1, рис. 4).<br />
При отпирании тиристоро<strong>в</strong> V К1 , V К3 (либо V К2<br />
и V К4 ) ток нагрузки переходит с нуле<strong>в</strong>ого кон-<br />
Рис. 4. Фазо<strong>в</strong>ый портрет процесса перезаряда дозирующего<br />
конденсатора при допущении, что ток нагрузки идеально сглажен<br />
Рис. 5. Кри<strong>в</strong>ые за<strong>в</strong>исимости максимального напряжения<br />
на демпфирующем конденсаторе от параметро<strong>в</strong> а (емкость<br />
демпфирующего конденсатора) и ρ * (индукти<strong>в</strong>ность питающей сети):<br />
1 — ρ * = 0,62; 2 — ρ * = 0,51; 3 — ρ * = 0,43; 4 — ρ * = 0,32; 5 — ρ * = 0,21<br />
www.power-e.ru<br />
83
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
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2009<br />
Источники питания<br />
2/ρ *