|
| |
|
Главная Журналы Напряжение в этой схеме может регулироваться частотным (как и в предыдущем преобразователе), широтным и широтно-частотным способами. Импульсный преобразователь (схема 17) является дальнейшим развитием схемы 15. В нем скомбинированы две схемы прерывателей. При этом вдвое уменьшается емкость коммутирующего конденсатора и снижаются пульсации якорного тока. Такое повышение эффективности схемы достигается ее усложнением, увеличением числа полупроводниковых элементов и усложнением системы управления. Как указывалось выше, во всех перечисленных схемах импульсных преобразователей первой группы подготовительный зарял коммутируюш.его конденсатора осуществляется через нагрузку и, несмотря на всевозможные модификации схем, энергии конденсатора часто оказывается недостаточно для надежной их работы. Поэтому наряду с указанными разрабатывались преобразователи, у которых заряд коммутирующего конденсатора происходит по отдельной цепи (схемы второй группы). Так, в схемах 32-35 [154, 164, 175) ком- мутирующий конденсатор заряжается через пктивиое сопротивление. Очевидно, что коммутационная надежность таки.х схем невысока, причем оии содержат большое число полупроводниковых приборов. Примерно такую же коммутаииопную способность имеет схема 36 [1651, в которой коплеисатор заряжается с помощью транзистора. При этом напряжение иа конденсаторе пе превышает напряжения источника иитаноя остальных схемах этой группы осуществляется колебател1>-ный заряд коммутирующего конденсатора. Схемой 39 [87 представлен импульсный преобразователь с автотрансформаторным зарядом конденсатора. Более высокую коммутационную способность имеет схема 40 [1351 с двойным коммутирующим контуром. Повышенная надежность в этом преобразователе достигается накоплением энергии в двух коммутирующих конденсаторах, заряжаемых по двум раздельным цепям. К недостатку схемы следует отнести большое число тиристоров и индуктивностей. В схемах 41-47 [13, 201 осуществляется индуктивное, а в схеме 46 - трансформаторное запирание силового тиристора. С этой целью применяются дополнительные дроссели и трансформаторы. В частности, в схемах 41, 46, 47 дроссель и обмотка трансформатора включаются в силовую цепь, что вызывает дополнительные потери при протекании тока нагрузки. В преобразователе, представленном схемой 47, конденсатор заряжается по цепи с двумя последовательно включенными дросселями. Недостатком этой схемы является то, что при запирании силового тиристора ток разряда протекает через дроссель. Это приводит к затягиванию коммутационного процесса и сии жению надежности схемы. Отметим также, что схемы 48-52, имея относительно высокую коммутационную способность, чаще всего содержат большое число элементов. В отличие от других схем этой группы в схеме 53 подготовительный заряд коммутирующею конденсатора осуществляется передачей энергии из контура нагрузки в контур коммутации с помощью трансформаторной связи. При этом напряжение конденсатора в несколько раз превышает напряжение источника питания [101]. К недостаткам этой схемы следует отнести ее конструктивную сложность и большое число элементов. Преобразователи, показанные схемами 54-56 [117, 152], лишены этих недостатков, имеют сравнительно небольшое число элементов и достаточно высокую коммутационную способность [56, 95]. Однако в схеме 55 в силовую цепь включается дроссель, чем снижается ее эффективность. Сравптельную оценку преобразователей можно осуихеств-лять по следующим показателям: установленным мощгюстям элементов силового оборудования преобразователей (вентилей, транс(1;орматоров, дросселей, конденсаторов), которые при известных удельных массогабаритных и стоимостных показателях в конечном счете определяют массу, габариты и стоимость преобразователя; параметрам зиергпи на выходе преобразователя (частота иерепапряження, броски коммута-цпонпого тока, дпаиазоп регулирования п величина 1Юлп()Го выходного напряжения), определяющим Эф(1)ектпБность использования тягового электродвигателя, питающею я <л" ирег>бразователя; входным эпер) етичсскнм показателям ире-()б1)азоватсля (велишша пульсапт"! входного тока и папряже-ппя, частс*та исреключегтя), которые определяют степень влияния преобразователя на аккуму.тятчфную батарею; та-К1ГМ показателям, как КПД, надежность, возможность у1П]фп-кацип и т. д.,л<оторые могут оказаться определяющими при применепип преобразователя в специальных областях. Перечисленные выше возможные критерии сравнения в конечном счете определяют те или иные технико-экономические показатели преобразователя, но нроведепне оптимизации одновременно но всем критер[{ям в настоящее время не представляется возможным не столько вследствие сложности задачи, сколько в результате неустановленности удельных соотношений, характеризующих степень важности отдельных критериев. Для того чтобы провести сравнение рассмотренных выше схем, в табл. 1 введен ряд показателей (некоторые из них приведены в [20]), которые в достаточной мере позволяют судить о достоинствах и недостатках сравниваемых схем и относительно просто определяются ио структуре схемы: Ki - массога- if- . -i - » барнтный коэффициент схемы, определяемый отношением числа элементов схемы к числу элементов базовой схемы, равному шести; Кг - поправочный массогабаритный коэффициент, учитывающий увеличение массы и габаритов при наличии в схеме обмоток дросселей, автотрансформаторов, трансформаторов и полупроводниковых приборов (если их больше двух), по которым протекает ток нагрузки; Кз - суммарный массогабаритный показатель, равный произведению Ki на Кг; К4 - коэффициент технологичности монтажа полупровод- никовых элементов, определяющий отношение узлов непосредственного соединения 1юлупроводниковых приборов (анод- катод, катод - катод, анод - анод) к числу диодов и тиристоров. Учитываются также общее число намоточных элементов в схеме и число намоточных элементов, включенных в силовую непь. Прн сравнительном анализе схем, питающихся от низковольтного источника, одним из основных показателей является их коммутационная сиособность. В табл. 1 коммутанион-ная способность схем отражена величиной напряжения на коммутирующем конденсаторе (в установившемся режиме) непосредственно перед запиранием силового тиристора. По этому признаку схемы каждой группы разделены на подгруппы. Ос1ювная часть схем первой группы имеет = U (схемы 1-19, 32-37), примерно для третей части схем 9.U (схемы 38-47) и f/, > f/ (схемы 22, 24-31, 52, 53). Во второй группе основная часть схем имеет f/ = 2U (схемы 44-51), в нескольких схемах U 3U (схемы 43, 54-56), что позволяет сделать вывод об их высокой коммутационной сиособности [85, 1251. Отметим, что больишя часть рассмотренных выше схем преобразователей постоянного напряжения фуикнионирует без дополнительной подзарядки коммутирующего конденсатора. Такие схемы представляют прежде всего интерес потому, что они, как правило, проще и имеют меньшее число элементов по сравнению со схемами с переменной коммутационной способностью. Если в низковольтном приводе возможно применение схемы без дозаряда конденсатора при условии надежной коммутации якорных токов во всем диапазоне изменения нагрузки, то на первый план выдвигается проблема начальной коммутационной способности, с точки зрения которой, безусловно, можно отдать предпочтение схемам второй группы, так как коммутирующее напряжение в первый такт у этих схем достигает, как правило, двойного напряжения источника. Коммутационная способность в низковольтном аккумуляторном электроприводе обычно 1ювышается за счет увеличения коммутирующего напряжения введением обратной связи по току нагрузки. Дозаряжается конденсатор зачастую передачей энергии из контура нагрузки в коммутирующий контур. Основная часть подобных преобразователей также представлена во второй группе. Однако модифицировать подобным образом можно практически любую схему как первой, так и второй группы, при этом вопрос о начальной коммутационной способности остается в силе, так как обратная связь начинает работать со второго такта, причем не всегда однозначно во всем диапазоне регулирования. В этом случае следует также учитывать сложность схемного исполнения преобразователя, число элементов в схеме, сложность системы управления Таким образом, хотя применение схем первой группы в некоторых случаях и не исключается, вследствие целого ряда преимуществ преобразователи второй группы наиболее целесообразно применять при построении низковольтных приводов постоянного тока с питанием от аккумуляторной батареи. Глава вторая НИЗКОВОЛЬТНЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ УРОВНЕМ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОММУТИРУЮЩЕМ КОНДЕНСАТОРЕ 1. Требования к преобразователям и допущения при их анализе Приведенная в предыдущей главе методика сравнительного анализа позволяет одновременно рассмотреть и предварительно сравнить большое число схем преобразователей постоянного напряжения. Учитывая коммутационную способность схем и суммарный массогабаритный показатель, можно выделить небольшую группу преобразователей, наиболее полно удовле-твор>пощпх поставлеш1Ым требованиям, а затем с помощью более детального анализа, расчета и сравнения КПД, энергетических, массогабаритных и других показателен в абсолют-шлх единицах прийти к наиболее приемлемому ре1пеппю по выбору тон н:и1 иной схелпл преобразователя [юстояниого напряжения. Рассмотрим некоторые схемы преобразователен, имеющих постоянную ко\[.мутацпонную способность (в установившемся режиме) во всем диаиазоие изменения тока нагрузки, которые наиболее часто рекомендуются отечественными и зарзбежными псследователямп в качестве преобразователей постоянного напряжения для и нз !{овольт1юго акку.муляторного электротранспорта. Приведем также основные расчетные соотношения для этих схем, определенные рядом авторов с учетом следующих дону щеп ИП. 1. Ток в цепи якоря протекает непрерывно. Отметим, что при импульсном нптанпи тягового двигателя последовательного возбуждения этот режим является преобладающим. 2. Полупроводниковые приборы идеальны, т. е. в открытом состоянии их сопротивления равны нулю, а в закрытом - бесконечности, и переключение прибора происходит мгновенно. Такое допущение не вносит заметных погрешностей, так как сопротивление открытого вентиля на 1-2 порядка ниже, чем сопротивление цепи якоря, а сопротивление закрытого вентиля на 3-4 порядка выше, чем сопротивление якорной цепи. Кроме того, длительности включения и выключения вентиля малы по сравнению с периодом переключений. 3. Источник имеет бесконечную мощность, т. е. const. 4. Изменения частоты вращения двигателя за период переключений для каждого фиксированного значения момента сопротивления отсутствуют, i. t. п Пср const. Обоснованность этого допущения вытекает из того, что в приводах при повышенной частоте переключений механические переходные процессы происходят значительно медле1шее по сравнению с электрическими. 5. В течение периода переключений Т индуктивность якорной цепи и основной магнитный поток остаются постоянными и, следовательно, нротивоЭДС двигателя Е = const. Расчет преобразователя в конечном счете сводится к определению токов и напряжений на элементах схемы, потерь в этих элементах и КПД преобразователя в целом. Важной является задача определения пульсаций якорного тока, а также напряжения и тока входного и выходного фильтров. Последний вопрос довольно подробно освещен в [6, 12, 14, 15, 42, 44, 67, 68, 72, 99, 107], поэтому не будем его рассматривать в дан1юй гл а ве. Требования к коммутирующему устройству преобразователя постоянного напряжения определены в работе [311. К ним относятся следующие: обеспечение надежного выключен ня силового тиристора при заданных нз\[еиениях тока нагрузки и питающего напряжения; отсутствие перегрузок элементов схемы в первую очередь тиристоров по прямому н обратному напряжениям и их производным (di/dt, dudt); обеспечение требуе\юй жесткости внешних характернстик преобразователя; обеспечение заданных диапазонов регулирования выход-1ЮГ0 напряжения и частоты преобразователя, эффективного испол1зЗОваппя питающего напряжения преобразователя п на-дежпоп работы преобразовате.тя в pe/i;iiMax пуска и х. х.; мнпимальнь1е потерн мощности, установленная \ющность, масса, габариты (м[Н1нмум элементов) и стоимость оборудования. Очевидно, что обеспечить оптимальные 3!1ачения по всем пapafeтpaм одновременно весьма затруднительно. На практике пытаются сделать оптимальными один или неско.лько показателей, в достаточной степени отвечающих поставленной задаче. Отметим, что с нашей точки зрения, в низковольтном электротранспорте, наряду с выполнением остальных требований, важнейшей является задача обеспечения высокой коммутационной способности преобразователя, т. е. выполнение первого пункта требований, включающего и шестой. Это определяется повышенной опасностью движущейся машины, так как срыв коммутации ее преобразователя может привести к 0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |