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; R_H - токоограничивающее сопротивление; £_э - противо-ЭДС нагрузки; R_m - 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 У8_Х и У8_г; 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 L_m 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 ^{= Z}2 А’ ^мс ^{= и}с "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 R_tl > R'_d. Постоянные времени и время

На первом участке работы ^t^ конденсатор заряжается до некоторого начального напряжения и_сХ, 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:

—— = т_о,--— = Т,,— 7- = Т_в,— = 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^+R_H+R_W, R₁=R_H+R_ut, c'-R^-R_H+L_m R_H L_m.c’-R ’    L_mc'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 U_c(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

. кЧ_о где А =----.

тз

С момента времени t_x начинается второй участок работы. В схеме рис. 3 остаются два элемента: индуктивность L_m и нагрузка R„, процессы в которых определяются постоянной времени т_н= L_n/R_H 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/R_H.

В момент времени z₂ происходит включение тиристора CS₂. Напряжение на конденсаторе не изменилось: U^ = U_cl. 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 U_C1 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 U_ca (?) и и_Д (?).

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: Q_np = /„ ■ 6 -10 "⁶ Ас . По зависимости

А Qnp

% = f

определяется |g_e ,Q_np | % . 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 U_co 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 U_T10 к тиристору И8_Х прикладывается в момент ?₂, следовательно, оно равно U_tX. Наибольшее прямое напряжение U_ti, равное Е, прикладывается при апериодическом процессе с момента ?₄ до начала второго периода работы, в колебательном процессе напряжение U_tiK - в момент времени t_m3:

Цщ Е

^з..... * 2т₃Г J

?m3V4B-l cos—----- 2т,Г

+

1    . ? ₃V4B-1)1 U_c0 2 LJ₀J

+-==-sm—--- —— +    ■ 1+— x

V4B-1 2т E J E ^4B-1 ( E J

xexp

^fm3 ). _sj_n ^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 =

L_m+RR'c CL_mR

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: U_T2D = U_C5.

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 FS_b необходимо определять для первого периода работы, связанного с первоначальным включением У5_Ь