книги из ГПНТБ / Бирзниекс, Л. В. Импульсные преобразователи постоянного тока

t

I

Л . В. Б И Р З Н И Е К С

ИМПУЛЬСНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ПОСТОЯННОГО

ТОКА

«Э Н с Р Г И Я»

адск?А 1974

6П2.1.082 Б 64

УДК G21.314.6

Бирзниекс Л. В.

Б 64 Импульсные преобразователи постоянного тока.

М., «Энергия», 1974.

256 с. с ил.

В книге рассмотрены основные электромагнитные процессы в мощ­ ных тиристорных импульсных преобразователях, применяемых для безреостатного регулирования скорости двигателей постоянного тока. Про­ веден анализ характеристик регулирования и определена величина

с повышенным выходным напряжением. Рассмотрены схемы импульс­ ного торможения двигателей последовательного возбуждения, позво­ ляющие регулировать напряжение и возбуждение двигателей во всем диапазоне скоростей при помощи одного прерывателя. Проанализи­ рованы коммутационные процессы в некоторых рациональных схемах однофазных н двухфазных прерывателей. Дапо описание схем и кон­ струкций импульсных преобразователей мощностью 900—1500 кВт.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников в области

© Издательство «Энергия», 1974 г.

В В Е Д Е Н И Е

Одним из основных комплексов работ по созданию ма­ териально-технической базы коммунистического общест­ ва является электрификация и автоматизация промыш­ ленности и транспорта на основе современных достиже­ ний науки и техники. Для реализации этой задачи необходимы как многообразные электрические' машины (преобразователи электрической энергии в механиче­ скую), так и различные преобразователи и регуляторы параметров электрической энергии (напряжения, тока, частоты и др.). К последним относятся не только пре­ образователи рода тока (выпрямители и инверторы), но и преобразователи параметров переменного и по­ стоянного тока.

Если теория и практическое применение выпрямите­ лей, основы теории инверторов тока и преобразовате­ лей частоты переменного тока получили свое развитие, в основном, после создания ионных вентилей, т. е. начиная с 20-х годов нашего столетия, то началом раз­ вития мощных импульсных преобразователей постоян­ ного тока можно считать появление управляемых полу­ проводниковых вентилей — тиристоров (т. е. 60-е годы). Это в значительной степени обусловлено тем, что основ­ ной областью применения импульсного регулирования постоянного тока является тяговый электропривод, а создание мощных импульсных преобразователей на основе ионных приборов для большинства электротранспортных средств затруднено.

Поэтому тиристорные импульсные преобразователи постоянного тока являются относительно новым видом статических преобразователей электрической энергии и многие вопросы их теории и практики разработаны меньше, чем для других преобразователей.

3

Некоторым исходным материалом для развитий теории тиристорных импульсных преобразователей мо­ гут служить работы, начатые в 40-х годах В. С. Кулебакиным [Л. 62] и продолженные другими учеными [Л. 101 и др.] по импульсному регулированию скорости электро­ двигателей при помощи механических коммутационных аппаратов. Однако разработанные при этом методы анализа и расчета не могут быть использованы непо­ средственно, так как механические коммутаторы (обыч­ но вибрационного типа), работающие с относительно низкой частотой, позволили осуществить импульсное регулирование, в основном, только механических пара­ метров электропривода (момента и скорости). Совре­ менные электрические прерыватели на основе полупро­ водниковых приборов дают возможность реализовать импульсное регулирование электрических параметров двигателей. Если в схемах с механическим коммутато­ ром плавность изменения скорости при скачкообразном изменении момента двигателя обеспечивается за счет механической инерционности привода, то в тиристорных системах импульсного регулирования плавное измене­ ние тока (напряжения) при скачкообразном изменении напряжения (тока) происходит из-за наличия в цепи электрических «инерционных» элементов — накопителей энергии электромагнитного поля (дросселей и конденса­ торов). Поэтому электромагнитные процессы в системах импульсного регулирования электрических параметров привода существенно отличаются от таковых при им­ пульсном регулировании момента и скорости двига­ телей. Ряд работ по изучению систем импульсного регули­ рования постоянного тока с транзисторами в 60-х годах проведен применительно к разным .системам автоматики, телемеханики и других электронных устройств. Из них необходимо отметить работы советских ученых [Л. 34, 60, 61, 95 и др.].

Большинство этих работ выполнено применительно к активно-индуктивной нагрузке или маломощным дви­ гателям, и поэтому найденные зависимости также не могут быть непосредственно использованы для анализа и расчета силовых тиристорных импульсных преобразо­ вателей, используемых в электроприводах большой мощности.

Научно-исследовательские и опытно-конструкгорские работы по созданию мощных тиристорных импульсных

4

Преобразователей в основном для электрической тяги в нашей стране начались во второй половине 60-х годов, и в настоящее время над этими вопросами работает ряд групп научных сотрудников под руководством веду­ щих советских специалистов [Л. 30, 31, 35, 42, 43, 47, 49, 50, 53, 58, 59, 71, 79, 83, 85—90, 92—94].

Ряд работ по исследованию электромагнитных про­ цессов в тиристорных импульсных преобразователях и по созданию систем импульсного регулирования для электропоездов постоянного тока выполнен также автором 1[Л. 2—29, 38—42, 58].

Работы по созданию тиристорных импульсных пре­ образователей для электрической тяги постоянного тока

матсу Масахико и др.

Среди работ зарубежных специалистов заслуживают внимания также работы по исследованию тиристорных прерывателей с дросселями насыщения [Л. 1, 119,

120, 122].

В большинстве этих работ дается анализ коммута­ ционных процессов в разных схемах тиристорных пре­ рывателей и описаны экспериментальные установки для электротранспортных подвижных единиц. При этом основное внимание уделено импульсным преобразова­ телям с прерывистым выходным напряжением и с вы­ ходной индуктивностью для сглаживания пульсаций тока двигателя. Эти преобразователи позволяют регу­ лировать выходное напряжение в пределах от опреде­ ленной минимальной величины до входного напряжения. Значительно меньше исследованы импульсные преобра­ зователи с выходным индуктивно-емкостным фильтром, которые обеспечивают непрерывное напряжение на дви­ гателях и меньшие пульсации тока двигателя. Мало изучены также импульсные преобразователи, позволяю­ щие регулировать выходное напряжение выше величины входного напряжения, и преобразователи, в которых плавное регулирование выходного напряжения может быть осуществлено в широком диапазоне как ниже, так

ивыше уровня входного напряжения.

Вобласти импульсного электрического торможения двигателей постоянного тока последовательного возбу­ ждения в упомянутых работах исследованы, в основном,

5

вопросы торможения при низких скоростях, f. е. при полном поле возбуждения генерирующих машин. Воз­ можности одновременного регулирования напряжения и возбуждения машин последовательного возбуждения при помощи одного тиристорного прерывателя изучены значительно меньше.

В настоящей книге сделана попытка при помощи единой методики (гл. 1) рассмотреть основные характе­ ристики импульсных преобразователей:

спониженным выходным напряжением — с выходной сглаживающей индуктивностью (гл. 2);

спониженным выходным напряжением— с выход­ ным индуктивно-емкостным фильтром (гл. 3);

сповышенным выходным напряжением (гл. 4) и

свыходным напряжением, регулируемым выше и ниже входного напряжения (гл. 5).

Кроме того, проанализированы схемы импульсного реостатного (гл. 6) и рекуперативного (гл. 7) торможе­ ния двигателей последовательного возбуждения, позво­ ляющие осуществить плавное регулирование напряже­ ния и возбуждения во всем диапазоне скоростей при помощи одного прерывателя.

Анализ ряда тиристорных схем позволил выбрать рациональные схемы однофазных и двухфазных преры­ вателей (гл. 8).

Коммутационные процессы этих прерывателей иссле­ дованы с учетом активного опротивлеиия контуров пере­ заряда и входной индуктивности цепи, соединяющей прерыватель с входным фильтром (гл. 9).

В качестве примера приведены технические парамет­ ры и описание конструкции тиристорных импульсных пре­ образователей мощностью 900—1500 кВт, разработан­ ных с участием автора для электропоездов (гл. 10).

В работе сделана попытка использовать некоторые новые методы анализа импульсных преобразователей. Так, в частности, для определения основных характери­ стик регулирования, т. е. зависимостей средних значе­ ний напряжений и токов от коэффициента заполнения импульсного цикла, применены эквивалентные расчет­ ные схемы, где прерыватель заменен эквивалентным (расчетным) сопротивлением, величина которого опре­

.6