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

Модулятор напряжения с переменной частотой

Одна из наиболее распространенных на практике схем модулятора напряжения с переменной частотой (ВИМ) первого типа приведена на рис. 6-1.

   

Она состоит из тиристора Т и диода Д, проводящих поочередно ток нагрузки; конденсатора С и дросселя насыщения L с прямоугольной петлей гистерезиса, играюще роль ключевого диода Д1 и фильтра (LфСф или более сложного). Сопротивление нагрузки Rн — эквивалент входного сопротивления силовой цепи модулируемого генератора.

 

Рис. 6-1. Схема модулятора напряжения с переменной частотой и насыщающимся дросселем

   

Принцип действия схемы поясняется диаграммами токов и напряжений, приведенными рис. 6-2.

Предположим первоначально, что в момент t0 = 0 конденсатор С заряжен до напряжения Е0 с полярностью, показанной на рис. 6-1.

Магнитный поток Ф0 в сердечнике дросселя L чуть меньше положительного потока насыщения + Фs. В этот момент на управляющий электрод тиристора Т поступает управляющий импульс и тиристор открывается.

Рис. 6-2. Диаграммы токов и напряжений для модулятора с переменной частотой и насыщающимся дросселем

Ток тиристора течет через фильтр и нагрузку Rн. Магнитный поток постепенно уменьшается за счет протекания малого тока в цепи С, Т, L, определяемого большой индуктивностью ненасыщенного дросселя L.

В момент t1 магнитный поток изменяет свой знак и достигает значения — Фs. Напряжение на конденсаторе С в интервале времени t1 (от t0 до t1) остается практически постоянным.

Диод Д не проводит ток на этом участке, так как к нему приложено обратное напряжение Е0. Как только магнитный поток становится равным — Фs, индуктивность дросселя L резко уменьшается до значения Lнac и происходит перезаряд конденсатора С через тиристор Т.

Время перезаряда равно половине периода собственной частоты контура Lнас, С, т. е. величине π√LнасС. По завершении интервала между моментами t1 и t2, т. е. в момент t2 окончания перезаряда конденсатора С, напряжение на нем близко к E0, а знак его противоположен знаку, показанному на рис. 6.1.

С момента t2 до момента t3 (интервал t'3) происходит перезаряд конденсатора С через тиристор Т по цепи С, Т, L, при этом магнитный поток в сердечнике дросселя L стремится к значению + Фs.

В момент t3, когда достигается значение + Фs, индуктивность дросселя L снова резко уменьшается и конденсатор С перезаряжается в течение времени π√LнасС по цепи С, T, Lнас.

Ток перезаряда в этом случае противоположен по направлению току тиристора, и когда они сравниваются (момент t4 по завершении интервала t'4 = t4—t3), ток через тиристор прекращается, а оставшаяся энергия перезаряда замыкается через диод Д1.

В течение интервала t'5 (от момента t4 до t5) обратное напряжение открытого диода Д1 приложено к тиристору Т, и в момент tb он выключается. В момент t5 ток перезаряда конденсатора С становится равным току нагрузки, и ток через диод Д1 соответственно прекратится.

Диод Д1 выключается, и конденсатор продолжает перезаряжаться от источника питания постоянным током, равным току нагрузки. В момент t6, по завершении интервала t'6= t6—t5, напряжение на конденсаторе uC будет равно E0.

Обратное напряжение на диоде Д падает до нуля, и он отпирается. Колебательный заряд С продолжается до тех пор, пока ток заряда не снизится до нуля, а ток диода Д не возрастет до тока нагрузки.

По завершении интервала t'7=t7-t6 напряжение на конденсаторе С в момент t7 несколько больше Е0 и полярность его соответствует указанной на рис. 6-1.

С момента t1 ток нагрузки полностью протекает через диод Д.

В течение времени t3—t7 дроссель L находится в состоянии насыщения. С момента t7 состояние схемы остается неизменным до подачи на тиристор Т следующего управляющего импульса.

Напряжение, равное напряжению источника питания E0, будет приложено ко входу фильтра в течение времени от момента t0 до t4, пока открыт тиристор Т. Соответственно напряжение на нагрузке (без учета потерь в фильтре LфСф) определяется формулой

Uн=E0tотк/(tотк+tзак). (6-23)

где tотк — время, когда тиристор Т открыт; tзак — время, когда тиристор Т закрыт.

Для определения величины Uн, таким образом, необходимо знать время tотк и tзак, складывающееся из интервалов . Определим эти интервалы и другие необходимые величины.

В интервале t'1 к дросселю L приложено напряжение UС1 конденсатора С, равное напряжению на нем в момент t7.

Напряжение UC7 в момент t7 равно сумме напряжения источника питания Е0 и напряжения, до которого конденсатор дозаряжается в интервале t'7 током источника питания, который в первоначальный момент t6 равен току нагрузки Iн.

Напряжение на конденсаторе С в интервале t'7 определяется формулой

(6-24)

где Q — собственная добротность контура Lнac, С.

Амплитуда первого пика напряжения на конденсаторе соответствует моменту t7, когда ток диода Д достигает значения Iн, и равна . Тогда

(6-25)

В интервале t'1 под воздействием напряжения UC1 происходит неремагничивание дросселя L и по закону электромагнитной индукции имеет место зависимость uL = ω dФ/dt, где ω — число витков обмотки дросселя L.

Интегрируя левую и правую части этого выражения и учитывая условие uL = UC1, получаем

(6.26)

Длительность интервала t'2 равна

t'2 = π√LнасС (6-27)

В интервале t'3 происходит обратное перемагничивание дросселя L и магнитный поток изменяется в пределах от — Фs до + Фs.

Поскольку напряжение на конденсаторе С, прикладываемое к дросселю L в интервале t'3, определяется уравнением

где логарифмический коэффициент затухания напряжения в контуре Lнас, С за полпериода αл=е -π/2Q, получаем

(6.28)

При перезаряде конденсатора в интервале t'4 ток перезаряда определяется выражением

(6-29)

где  UC3 — напряжение на конденсаторе в момент t3; ω =√1/(LнасС)-r2/(4L2нас) - собственная частота цепи Lнас, С;α = r/(2Lнac) — коэффициент затухания цепи Lнас, С (r — сопротивление потерь этой цепи).

Полагая α = 0 и в выражении (6-29) i = Iн, находим

(6-30)

Для максимального значения тока перезаряда ICm>Iн, получаем

(6-31)

Интервал t'5, когда к аноду тиристора приложено отрицательное напряжение и тиристор выключается, может быть определен как разность времени, равного половине периода собственной частоты цепи Lнас, С, и удвоенного времени t'4:

(6-32)

После окончания протекания тока через диод Д1 к тиристору прикладывается прямое напряжение конденсатора С, которое к моменту t7 достигает максимального значения, равного UC7 и определяемого выражением (6-25).

Расчет модулятора можно произвести следующим образом:

  1. Выбираем максимальную частоту следования ƒmax и максимальную длительность импульсов тока tотк max через тиристор Т. Практически желательно выбрать максимально возможное значение tотк max, так как в этом случае наилучшим образом используется напряжение источника питания: tотк max = (0,6÷0,8)/ƒmах. Обычноƒmах = (3÷4) F, где F — наибольшая возможная частота синусоидального сигнала, с которой изменяется выходное напряжение модулятора.
  2. Выбираем тип тиристора, обеспечивая необходимое время tв.ном. Поскольку справедливо условие tв.ном≤t'5 то, считая, что интервалы t'6, t'7 малы и диод Д проводит ток в течение времени, существенно меньшего t'5, в режиме, соответствующем максимальному значению напряжения на нагрузке Uн = Uнm, полагаем, tзак≥1.5 t'5. Отсюда, зная величины ƒmax = 1/Т и tотк max, легко найти требуемое значение tв.ном и определить тип тиристора.
  3. Величины Iн и Uн как правило, задаются при расчете. Зная Uн и учитывая соотношение tотк+tзак=Т=1/ƒ, легко с помощью выражения (6-23) найти E0.
  4. Для запирания тиристора Т необходимо, чтобы ток перезаряда конденсатора С в интервалах t'3, t'4, t'5, т. е. IСm, был больше ICm. Для надежного запирания достаточно соотношения ICm≥2Iн.
  5. Величину αл легко определить, задаваясь добротностью Q.
  6. По известным величинам Е0, I0, αл из выражения (6-31) находим √Lнac/C .
  7. Интервал t'5 должен быть несколько больше tв.ном. Приняв из этого условия значение t'5 , с помощью выражения (6-32) вычисляем √Lнac/C.
  8. Далее находим t'2 из выражения (6-27).
  9. Поскольку добротность Q контура Lнас, С на практике достаточно велика, а значение потока Ф0 берется близким к Фs, то при определении далее произведения Фsω можно положить  αл= 1 и Ф0 = Фs. Так как справедливо равенство t'1+ t'3 = tотк- (t'2 + t'4), то, определив сумму t'1 + t'3, легко с помощью выражений (6-26) и (6-28) найти произведение Фsω, необходимое для расчета параметров сердечника дросселя L.
  10. Напряжение на тиристоре, равное напряжению на конденсаторе С, достигает своего максимального значения в интервале t'7 и определяется формулой (6-25). Максимальное значение тока через тиристор находим из выражения

(6-33)

11. Ток через диод Д1 имеет синусоидальную форму, и максимальное значение его определяется выражением

(6-34)

В схеме рис. 6-1 дроссель L может быть заменен схемой с тиристором и диодом (рис. 6-3).

Тиристор Т1 отпирается позже Т2, и момент его отпирания определяет длительность работы тиристора Т2. В этой схеме конденсатор С перезаряжается за интервал t2, начиная с момента отпирания тиристора Т1.

Так как интервал t'3 отсутствует, то начало коммутации тиристора Т2 наступает сразу после окончания первого перезаряда конденсатора С. Диод Д2 проводит ток в интервале коммутации тиристора Т2 и заряда конденсатора С.

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