Переходный процесс в широтно-импульсном преобразователе постоянного напряжения

Бесплатный доступ

Определены условия работы тиристоров для первого периода работы в схеме тиристорного преобразователя постоянного напряжения.

Короткий адрес: https://sciup.org/147158013

IDR: 147158013

Текст научной статьи Переходный процесс в широтно-импульсном преобразователе постоянного напряжения

Определены условия работы тиристоров для первого периода работы в схеме тиристорного преобразователя постоянного напряжения.

Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения, выполненные на тиристорах, применяются для электрозрозионной обработки материалов [1]. Исследование вольт-временных характеристик эрозионного промежутка приведено в работах Лившица А.Л. и др. авторов [2]. В них показано, что в первом приближении эрозионный промежуток можно представить противо-ЭДС £э, если длительность импульса тока через него больше, чем Зт, где т - постоянная времени эрозионного промежутка.

Схема исследуемого генератора импульсов приведена на рис. 1, где К^ - рабочий тиристор; VS2 - коммутирующий тиристор; RH - токоограничивающее сопротивление; £э - противо-ЭДС нагрузки; Rm - шунтирующее сопротивление, замыкающее контур тока при отсутствии электрического разряда в промежутке.

В задачу исследования входит определение следующих показателей работы генератора импульсов: 1) времени, предоставляемого на восстановление управляемости тиристоров У8Х и У8г; 2) максимального напряжения на конденсаторе С, тиристорах и диоде VD.

Рис. 1. Схема тиристорного генератора импульсов

При анализе схемы приняты следующие допущения: 1) тиристоры - идеальные ключи; 2) индуктивность намагничивания Lm трансформатора постоянная, а индуктивностью рассеяния можно пренебречь; 3) схема питается от источника ЭДС.

Допустим, что в первый период работы генератора не произошло разряда в эрозионном промежутке и нагрузка носит активный характер. Период работы разбит на несколько участков (рис. 2).

Рис. 2. Временные диаграммы работы

Соответственно принятым допущениям схема замещения для первого участка работы при включении тиристора VSi приведена на рис. 3, где Ra - сопротивление диода и соединительных проводов. Контур диода и конденсатора для интервала времени ДГ1 приведен к первичной обмотке трансформатора через коэффициент трансформации k = wjw2: C' = c/k2, R^ -Rd-k2,

Ч = Z2 А’ мс = ис "к-                  (1)

Рис. 3. Схема замещения для первого участка работы

^_ск\_ Е

хехр

_________2________ kc'R^to')2 -4(а')2

а' . --arcsin 2и'

Искомые величины времени заряда и напряжения на конденсаторе удобно выразить в относительных единицах, причем, в первом приближении считать Rtl > R'd. Постоянные времени и время

На первом участке работы ^t^ конденсатор заряжается до некоторого начального напряжения исХ, полярность которого обозначена на рис. 3 без скобок. Наличие в схеме индуктивности и емкости создает условия для протекания либо апериодического, либо колебательного процессов. В дальнейшем индексам «а» обозначаются величины для

восстановления рассматриваются относительно периода следования импульсов Т:

—— = то,--— = Т,,— 7- = Тв,— = т„. (9)

RHT 0 Т 3 КдТ р Т

апериодического процесса, индексом «к» - для колебательного.

На основании решения операторных уравнений для первого участка работы находится ток:

R^p2 +a’-p + d'^

где R = R^+RH+RW, R1=RH+Rut, c'-R^-RH+Lm RH Lm.c’-R ’    Lmc'R

Время заряда и начальное напряжение на конденсаторе определяются из выражений:

^- =---arcsin. 1--,          (10)

ТТз к2 Jl^ Л

N А

—=■ arcsin.--1,             (11)

^Ш1

Е

А

чехр

• к 4

■arcsin. 1 —

V А

Заряд конденсатора заканчивается в момент прохождения через ноль зарядного тока емкости. Напряжение на обкладках конденсатора Uc(t) нарастает от нуля до значения, определяембго временем заряда, и блокируется диодом VD. Из условия ?2 (?) —О находятся времена заряда конденса

Uckx А

—^ =—ехр

Е к

■ arcsin

тора Дг1аи Дг1к:

ДА„ = — arcsin ы ь,

26'

^4(а')2 -4(б')2

. кЧо где А =----.

тз

С момента времени tx начинается второй участок работы. В схеме рис. 3 остаются два элемента: индуктивность Lm и нагрузка R„, процессы в которых определяются постоянной времени тн= Ln/RH и начальным значением тока намагничивания. Значение тока нагрузки находится из выражения:

Значения Д/1а и Дг1к позволяют определить напряжение на конденсаторе в конце первого участка:

U=aX            2

Е   kc'R^'f -4(б')2

1                1

1-ехр--

U'i)’exP -— • (14) Т '

н

хехр

а* . --arcsin 26'

26'

^(а')2 -4(6')*

При условии, что длительность импульса тока нагрузки подчиняется неравенству /и> т„, в нагрузке устанавливается значение тока I6=E/RH.

В момент времени z2 происходит включение тиристора CS2. Напряжение на конденсаторе не изменилось: U^ = Ucl. Начинается третий участок работы. Схема замещения для него приведена на рис. 4. Начинается выключение тиристора PSj, сопровождаемое протеканием обратного тока в контуре C-VSi-VSi. Зная уменьшение напряжения UC1 на конденсаторе за счет протекания обратного

Сапрунова Н.М.

тока тиристора, можно определить напряжение конденсатора после выключения тиристора VS^ Изменение напряжения определяется по изменению заряда на обкладках конденсатора.

Для нее найдены значения напряжений на конденсаторе Uca (?) и иД (?).

Промежуток времени, в течение которого на

Рис. 4. Схема замещения на третьем участке работы

При протекании прямого тока в слоях р и п тиристора накапливается некоторый заряд Qnp. Величина накопленного заряда является функцией прямого тока, и скорости изменения прямого тока в момент времени перед коммутацией. Заряд восстановления тиристора QB определяется по методике, приведенной в [3].

Вычисляется ампер-секундный интеграл за последние 6 мкс проводимости прямого тока: Qnp = /„ ■ 6 -10 "6 Ас . По зависимости

А Qnp

% = f

определяется |ge ,Qnp | % . При-

д / чем. при —▻ lOOw кривая относительного р dt /мкс значения обратного заряда стремится к двукратному насыщению. Изменение напряжения на конденсаторе равно MJc=QjC. Расчеты, проведенные для значений /а=(10...200) А и соответствующих им значений коммутирующих емкостей, показали, что изменение напряжения на конденсаторе невелико по сравнению с начальным значением: 8%Zvf0>A ^(>0,5%^'^ Это позволяет принять значение напряжения на конденсаторе в момент времени t3 таким же, как для момента времени t2.

С момента t3 начинается четвертый участок работы - процесс перезаряда конденсатора. Схема замещения приведена на рис. 5.

пряжение на конденсаторе уменьшается от начального начального значения до нуля, определяет

время, предоставляемое на восстановление управляемости тиристора CSp

2           .

, ■.    arcs in

в

^sa

Тт3

В случае колебательного процесса перезаряда конденсатора на интервале времени Д?3 величина напряжения на нем превышает Е. Тогда после прекращения тока через тиристор VS3 конденсатор разряжается по цепи Е-Ян-Тр-РДз, пока напряжение на нем не достигнет значения Е. Начальное напряжение конденсатора Uco для следующего периода работы равно Е, так как в токе нагрузки должна быть пауза. Для работы на эрозионный промежуток желательно иметь апериодический процесс при работе VS2, чтобы отсутствовало об

ратное напряжение на эрозионном промежутке.

Наибольшее обратное напряжение UT10 к тиристору И8Х прикладывается в момент ?2, следовательно, оно равно UtX. Наибольшее прямое напряжение Uti, равное Е, прикладывается при апериодическом процессе с момента ?4 до начала второго периода работы, в колебательном процессе напряжение UtiK - в момент времени tm3:

Цщ Е

^з..... * 3Г J

?m3V4B-l cos—----- 2т,Г

+

1    . ? 3V4B-1)1 Uc0 2 LJ0J

+-==-sm—--- —— +    ■ 1+— x

V4B-1 2т E J E ^4B-1 ( E J

xexp

fm3 ). sjn f ™зУ4В -1 2t3T J 2t3T

сщт3 = агс5ш[1 + a^E + Uco + imiRd) a2^E + Uco)

ItocR

4(о2

-(£+17с0)

~(e+Uc0)~(e+Uc0}+^^

2           2(0                ©cR

, (18)

где a =

Lm+RR'c CLmR

CLmR

. _ I E + UcO lm3 ~     „

Rd , 2i0L„d \ sm©t

L™ R ) ©

2(E + Uco + IoLmo') — IoRd(        a .

—-------------------- COS tot --smoV X

R                v. 2(0        ,)

xexp^-^lj. (20)

Наименьшее прямое напряжение, равное t/cl, прикладывается к тиристору KS2 после заряда конденсатора. С точки зрения времени, представляемого на восстановление управляемости, тиристор KS2 находится в лучших условиях, чем тиристор VS^ В течение интервала времени Дг4 напряжение анод-катод тиристора VS2 равно нулю, а после начала второго периода становится отрицательным. Наибольшее значение обратного напряжения оп

ределено в конце интервала А(3: UT2D = UC5.

Зажигание дугового разряда на эрозионном промежутке происходит в начале одного из периодов работы, в том числе, может произойти в первом периоде. Тогда в схемах рис. 1, 3, 4, 5 действует разность ЭДС (Е-Еэ) и выражения, полученные для активной нагрузки, справедливы для нагрузки в виде противо-ЭДС.

Выводы

  • 1.    Условия работы тиристора ESi тяжелее, чем тиристора VS2.

  • 2.    Время, предоставляемое на восстановление запирающих свойств тиристора FSb необходимо определять для первого периода работы, связанного с первоначальным включением У5Ь

Список литературы Переходный процесс в широтно-импульсном преобразователе постоянного напряжения

  • Бронштейн Л.И. Исследование и разработка источников питания для электроэрозионных станков на базе тиристорных прерывателей постоянного тока: дис. к.т.н./Л.И. Бронштейн. -Львов, 1974. -35 с.
  • Электроимпульсная обработка металлов/А.Л. Лившиц, А.Т. Кравец, И.С. Рогачев, А.Б. Сосненко. -М.: Машиностроение, 1967. -295 с.
  • Кремниевые управляемые вентили-тиристоры. Технический справочник/под ред. В.А. Лабунцова. -М.: Энергия, 1964. -360 с.
Статья научная