электрические приборы и машины
 
 
   
 
   
 
 
     
 
Главная / Тиристорные генераторы / Управление колебаниями тиристоров / Модулятор напряжения с переменной длительностью импульсов

Модулятор напряжения с переменной длительностью импульсов

Одна из возможных схем модуляторов напряжения с переменной длительностью импульсов, получившая распространение на практике, показана на рис. 6-4.

   

Далее рассматривается кратко принцип действия схемы, иллюстрируемый приведенными на рис. 6-5 диаграммами токов и напряжений.

При поступлении управляющего импульса uу1 тиристор T1 открывается и ко входу фильтра нагрузки LфСф прикладывается напряжение источника питания Е0. Через тиристор T1 протекает ток нагрузки, и начинается заряд конденсатора С.

Рис. 6-4. Схема модулятора напряжения с переменной длительностью импульсов

Ток заряда iз протекает по цепи: источник питания, тиристор Т1, дроссель L и диод Д2. Длительность протекания тока заряда конденсатора С зависит от собственной частоты резонансной цепи LC.

Вследствие колебательного характера заряда конденсатор С заряжается до напряжения UCm, большего напряжения Е0.

После включения тиристора Т2 управляющим импульсом uу2 в момент t2 начинается разряд конденсатора С через тиристор T1. Ток разряда ip вызывает уменьшение прямого тока через тиристор T1.

Если ток разряда по значению больше тока нагрузки Iн протекающего через тиристор Т1, то в момент t3 равенства токов Iн и ip прямой ток через тиристор Т1 прекращается и ток iр начинает протекать через диод Д1.

Во время протекания тока через диод Д1 с момента t3 до t4 на тиристоре T1 поддерживается обратное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде Д1.

После прекращения тока через диод Д1 в момент t4 напряжение на конденсаторе С продолжает уменьшаться вследствие разряда С постоянным током нагрузки Iн, протекающим через тиристор Т2, и достигает нулевого знаечния в моент t5.

Затем ток нагрузки, поддерживаемый дросселем фильтра lф, протекает через диод Д до момента повторного включения тиристора Т1. Далее все процессы в схеме повторяются.

Значение тока нагрузки, как и для схемы рис.6-1, зависит от времени tи воздействия напряжения источника питания на вход фильтра и определяется формулой

(6-35)

   

При неизменной частоте управляющих импульсов тиристора Т1 ток нагрузки и соответственно напряжение на ней будут линейно зависеть от времени tи.

Изменяя время tи, т. е. изменяя момент включения тиристора Т2, можно регулировать напряжение или ток нагрузки в широких пределах.

Минимальный ток нагрузки Iнmin можно определить, исходя из минимальной длительности воздействия напряжения питания на вход фильтра низкой частоты.

В пределе эта длительность близка периоду Т0 собственной частоты цепи LC (Т0≈2π√LC) и состоит из отрезков времени от 0 до t1 и от t2 до t5 (рис. 6-5).

Рис. 6-5. Диаграммы токов и напряжений для модулятора с переменной длительностью импульсов

Соответственно для тока Iнmin получаем выражение

(6-36)

Максимальный ток нагрузки, если пренебречь потерями в элементах схемы, определяется практически напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки:

Iнm=E0/Rн (6-37)

Подробный анализ работы схемы производился в предположении, что ток нагрузки в процессе коммутации остается постоянным.

Принятое допущение позволяет представить эквивалентную цепь заряда и разряда конденсатора С в виде последовательного соединения элементов L, С, эквивалентного источника напряжения Uэ, равного начальному напряжению на конденсаторе С, и сопротивления rэ.

В ней полупроводниковые элементы представлены идеальным ключом, моменты замыкания которого определяются моментами прихода импульсов управления на тиристоры Т1, Т2, а моменты размыкания — моментами окончания тока через диод Д2 при заряде конденсатора С и моментами окончания тока через диод Д1 при его разряде. Сопротивление rп учитывает потери в цепи LC.

Пренебрегая малыми поправками к значению собственной частоты резонансного LC-контура, обусловленными сопротивлением rп, можно записать для тока заряда и разряда конденсатора С выражение

(6-38)

где ω0=1/√LC —собственная частота контура LC без учета поправки, вносимой сопротивлением rп; Im = UC/(ω0L) = UC/ρ — максимальное значение импульса зарядного или разрядного тока; τ = ω0t — безразмерное время; d = 1/Q = rп/(ω0L) — относительное затухание контура LC; ρ — волновое сопротивление цепи.

Зная выражение для тока заряда конденсатора С и соотношение Uэ= Е0 для момента t= 0 включения тиристора T1, можно найти превышение напряжения на конденсаторе С по сравнению с напряжением источника питания в момент выключения тиристора T1:ΔUC = UC1—Е0.

Длительность заряда конденсатора С определяется полупериодом τ1 = π собственной частоты цепи LC.

В течение некоторого времени τв.д = ω0tв.д, определяемого скоростью выключения диода Д2, через последний протекает обратный ток.

В это время конденсатор С разряжается. Если собственная частота цени LC достаточно высока (время τ1 мало), временем τв.д пренебрегать нельзя.

В результате перезаряд ΔUC определяется формулой

(6.39)

В идеализированном случае, при d = 0, τв.д = 0, получаем ΔUC = Е0 и конденсатор С заряжается до напряжения, равного удвоенному напряжению источника питания.

Для запирания тиристора Т1 включается тиристор Т2, импульс тока разряда конденсатора С проходит либо через тиристор Т1 в обратном направлении, либо через диод Д1.

Определим условия выключения тиристора Т1, считая, что при разряде конденсатора С напряжение эквивалентного источника в контуре коммутации определяется величиной ΔUC. Ток разряда описывается выражением

(6.40)

Как указывалось выше, диод Д1 проводит ток разряда конденсатора С, превышающий уровень тока нагрузки. В течение времени проводимости диода Д1 к тиристору T1 прикладывается обратное напряжение, и он выключается.

Это позволяет определить связь времени выключения тиристора T1 с амплитудой и длительностью тока разряда конденсатора С. Для этого следует решить уравнение

(6-41)

где τ34 = τв — схемное время выключения тиристора Т1.

   

На рис. 6-6, 6-7 приведены графические зависимости отношений ΔUC/E0 и ρE0/(RнΔUc) в функции величин τв.д, d, полученные при решении уравнений (6-39), (6-41).

Параметры фильтра нагрузки определяются исходя из условия, что выброс в переходной характеристике фильтра отсутствует (Q = Rн/√LфСф≤0,5) .

Рис. 6-6. Зависимости для отношения ΔUC/E0

   

Частота среза фильтра в этом случае определяется следующим соотношением:

(6.42)

Зная сопротивление нагрузки Rн и максимальную частоту выходного напряжения ƒmax, с помощью выражения (6-42) найдем параметры фильтра:

(6-43)

Рис. 6-7. Зависимости для отношения E0/(RнΔUC)

В работе приведено выражение для переходной функции, позволяющее легко связать допустимый коэффициент пульсаций с параметрами фильтра и частотой следования импульсов напряжения на выходе фильтра:

(6-44)

Подставив в формулу (6-44) заданный коэффициент kƒ и зная RнCф, определяем максимально возможную частоту следования импульсов тока через тиристор Т1.

Таким же путем можно найти параметры фильтра и величину kƒ для рассмотренной выше схемы ВИМ (см. рис. 6-1).

Проведенный анализ позволяет предложить следующую методику расчета модулятора.

При расчете считаем заданными: сопротивление нагрузки Rн, мощность нагрузки Рн, допустимое значение пульсаций напряжения на нагрузке kƒ, максимальную частоту напряжения на нагрузке ƒmах, глубину модуляции тока (напряжения) нагрузки

(6-45)

Расчет модулятора производится в следующем порядке:

  1. Пренебрегая потерями в открытом тиристоре Т1 и дросселе фильтра Lф, принимаем, что максимальное напряжение на нагрузке Uнт равно напряжению источника питания Е0. По заданным величинам Рн и Rн определяем Е0 и Iнт.
  2. Максимальное прямое или обратное напряжение на тиристоре Т1, диодах Д1, Д равно Е0, а на тиристоре Т2 и диоде Д2 — чуть меньше Е0. Считая, что при напряжении Uнт через тиристор Т1 протекает практически постоянный ток Iнт, а через диод Д такой же ток протекает при минимальном напряжении на нагрузке Uнmin, можем выбрать типы тиристора T1 и диода Д в отношении допустимых токов и напряжений.
  3. С помощью выражений (6-43) и (6-44) находим параметры фильтра Lф Сф и значение kƒ.
  4. По заданной величине т, с помощью выражений (6-45), (6-36) и (6-37) определяем собственную частоту цепи LC:


  5. Для устойчивой работы схемы номинальное время выключения тиристора Т1 tв.ном должно быть не меньше полупериода собственных колебаний цепи LC. Отсюда окончательно может быть выбран тип тиристора Т1. Номинальное время выключения tв.д диодов Д1, Д2, Д следует выбирать значительно меньшим величины Т0/2. Это позволяет уменьшать обратный ток.

Задаваясь из практических соображений затуханием d цепи LC и зная tв.д, по графикам рис. 6-6, 6-7 определяем отношения ΔUC/E0 и ρE0/(RнΔUc), откуда находим напряжение на конденсаторе

UC = E0 + ΔUC

и волновое сопротивление ρ цепи LC.

6. Зная величины ρ и ƒ0, определяем параметры L и С, а с помощью величин Uс и ρ — максимальное значение импульса зарядного и разрядного тока Im = Uc/ρ конденсатора С.

 
 
     
 
Copyright © 2012 Электродвигатели и трансформаторы
электрические приборы и машины
Rambler's Top100
Создание сайта Вебцентр