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

В качестве иллюстрации на рис. 1-7—1-9 показаны схемы импульсных преобразователей, соответствующие структурным схемам рис. 1-3, 1-5 и 1-6. Так, на рис. 1-7 приведены схемы с несколькими параллельными цепями нагрузки, на рис. 1-8 — схемы с параллельными цепями питания, а на рис. 1-9 — схемы многофазных импульс­ ных преобразователен. Аналогичные схемы могут иметь также импульсные преобразователи с выходным индук­ тивно-емкостным фильтром и преобразователи с повы­ шенным выходным напряжением.

К многофазным импульсным преобразователям могут

схем рис. 1-5,в, г). По такой классификации многофаз­ ные импульсные преобразователи могут быть:

собщим источником питания (схемы рис. 1-3,в, г и их модификации с общим выходным фильтром);

собщей нагрузкой (схемы рис. 1-5,в, г и их моди­ фикации с общим входным фильтром) и

собщим источником питания и общей нагрузкой (схемы рис. 1-6).

Как однофазные, так и многофазные импульсные преобразователи могут быть также классифицированы по уровню выходного напряжения на преобразователи:

с пониженным выходным напряжением (гл. 2 и 3);

сповышенным выходным напряжением (гл. 4) и

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

1-2. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Если пренебречь коммутационными процессами, то пре­ рыватель П в приведенных схемах (рис. 1-1—1-9) имеет два состояния: проводящее (режим А) и непроводящее (режим В).

Продолжительность этих режимов может быть обо­ значена соответственно через Ха и Хв (рис. 1-10), а про­ должительность импульсного цикла (или период) как

При анализе импульсных преобразователей целесооб­ разно использовать так называемый коэффициент за-

18

(в ряде работ этот коэффициент называется также

скважностью).

В таком случае продолжительность проводящего со­

ѴмаксОтношение макси­ мальной величины коэффициента заполнения к мини­

мальной может быть названо диапазоном регулирова­

В процессе регулирования может быть изменен так­ же период импульсного цикла Т. Зависимость периода Т от коэффициента заполнения у определяет способ ре­ гулирования.

Теоретически может быть много способов регулиро­ вания, так как в зависимости от конкретных требова­ ний может быть задана любая функция T = f(у). Наи­ более простыми из них являются способы регулиро­ вания:

1) с постоянной продолжительностью периода

2) с постоянной продолжительностью импульса

3) с постоянной продолжительностью паузы

где Кі, Кг, Кз — постоянные.

Могут быть применены также такие способы регу­ лирования, при которых пульсации выходного или вход­ ного тока или напряжения преобразователя поддержи­ ваются постоянными. Так, для поддержания постоянной величины пульсаций тока двигателя в импульсных пре­ образователях с выходней сглаживающей индуктив­ ностью необходимо иметь следующую зависимость пе­ риода от коэффициента заполнения:

где Kt — постоянная.

Справедливость этого положения показана ниже в гл. 2.

Для обеспечения минимальной величины пульсаций тока в каком-то определенном диапазоне изменения у (например, при коэффициенте заполнения, с которым предусматривается продолжительная работа преобразо­ вателя) необходимо задавать еще более сложную функ­ цию T = f( у).

Коэффициенты Кі—/(/„ которые характеризуют рас­ смотренные четыре способа регулирования, могут быть названы постоянными регулирования.

1-3. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ

ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Как показано в примерах на рис. 1-2, схемы импульсных преобразователей, кроме прерывателя П и вентиля ДО, содержат и несколько накопителей энергии электриче­ ского и электромагнитного поля — конденсаторов и дросселей. От количества этих элементов зависит по­ рядок системы дифференциальных уравнений, описы­ вающих электромагнитные процессы в данной схеме. При наличии одного дросселя или конденсатора токи и напряжения на элементах схемы могут быть определены путем решения дифференциального уравнения первого порядка. При наличии двух накопителей энергии (на­ пример, дросселя и конденсатора) необходимо решить уравнение второго порядка и т. д. Решение уравнений третьего и более высокого порядка приводит к громозд­ ким выражениям, практическая применимость которых ограничена. Использование сложных выражений для определения мгновенных и средних значений токов и напряжений затруднено еще и тем, что при проектиро-.

20

вании импульсных преобразователей обычно необходи­ мо рассчитать несколько вариантов, и для обеспечения нескольких заданных параметров (например, пульсаций токов и напряжений на входе и выходе) часто при­ ходится вести расчет методом последовательных при­ ближений. Вывести выражения для непосредственного определения индуктивностей и емкостей в зависимости

Так, для определения величины выходной индуктивно­ сти Lq в схеме на рис. 1-2,а можно пренебречь коммута­ ционными процессами в прерывателе и принять, что напряжение на входном конденсаторе не пульсирует. При расчете входного фильтра в той же схеме можно также пренебречь коммутационными процессами в пре­ рывателе и считать, например, что ток в тяговых дви­ гателях полностью сглажен, а при анализе коммута­ ционных процессов в прерывателе можно допустить, что напряжение на входе прерывателя и ток тяговых двига­ телей не имеют пульсаций.

Влияние омических сопротивлений источника пита­ ния и нагрузки в большинстве случаев может быть

21

учтено как постоянное по величине падение напряжения IR, где / — среднее значение тока за импульсный цикл.

Этот принцип расчета основан на том, что пульса­ ции входного и выходного тока, а также входного на­ пряжения преобразователя не должны превысить опре­ деленные, относительно небольшие значения (примерно ±10—20%). В таких условиях вышеупомянутые допу­

преобразователях и др.), ток в которых в режиме про­

в квазиустановившемся процессе должно быть равно нулю

22

Аналогичным образом среднее значение тока кон­ денсатора, напряжение которого пульсирует в пределах Ucmm<Uc<UСмаке (рис. М 2), также рЭВНО Нулю

Следовательно, относительно средних значений на­ пряжений на дросселях и средних значений токов кон­ денсаторов входных и выходных фильтров можно сфор­ мулировать следующие основные положения: в уста­

23

В таком случае

где U, Uо, /, / о — средние значения входного и выходно­ го напряжений и токов за период (рис. 1-13).

Среднее значение напряжения на выходе преобра­

телей с пониженным выходным напряжением (напри­ мер, в схемах рис. 1-2,а и б) эта зависимость может быть выражена как

а для преобразователей с повышенным выходным на­ пряжением — как

Если пренебречь омическими сопротивлениями источ­ ника питания и нагрузки, выражения (1-17) и (1-18) принимают вид соответственно:

Для определения основных зависимостей импульс­ ных преобразователей могут быть использованы схемы замещения для расчета средних значений токов и на­ пряжений.

Эти схемы могут быть составлены на основе следую­ щих соображений.

Во всех рассмотренных в этой работе импульсных преобразователях имеется два характерных элемента — ■прерыватель Я и диод ДО, режимы работы которых находятся в определенной зависимости (рис. 1-14,а). Когда прерыватель Я находится в проводящем состоя­ нии, к диоду ДО приложено обратное напряжение и, наоборот, когда прерыватель находится в непроводя­ щем состоянии, через диод ДО протекает ток. Точнее это может быть сформулировано следующим образом.

В промежутке времени уТ, когда прерыватель Я на­ ходится в проводящем состоянии и через него проходит ток іа со средним значением /по, к диоду ДО приложено обратное (отрицательное) напряжение цдо со средним

24

П находится в непроводящем состоянии, к нему прило­ жено прямое (положительное) напряжение ип со сред­ ним значением //по и через вентиль ДО протекает ток ідо со средним значением /д0 [/Лю и /до — средние значения за интервал (1—у) Г].

В ряде импульсных преобразователей (гл. 2—5) упо­ мянутые средние значения токов (напряжений) преры­ вателя П и диода ДО одинаковы (т. е. Лю = /до и /Лго =

а

Щ

а)

Ут П-у)т

иво

уТ (1-у)Т

рд* от коэффициента заполнения у [в).

= //до) и равны входному или выходному току (напря­ жению). Однако, как показано в гл. 6 и 7, могуг быть также схемы импульсных преобразователей, где напря­ жения, приложенные к прерывателю П и вентилю ДО, различны, т. е. /Лю^/До.

Для определения средних значений напряжений и токов прерывателя П и диода ДО за период импульсно­ го цикла Т могут быть использованы диаграммы, пока­ занные на рис. 1-14,6, где мгновенные-значения ип; «до; Ль /до заменены их средними значениями /Лю; //до; /по; /до 3 3 соответствующий интервал. На основе этих диаграмм

25

средние значения токов и напряжений за период Т мо­ гут быть выражены так:

Направления среднего напряжения п тока прерыва­ теля П совпадают, а направления напряжения и тока диода ДО противоположны. Поэтому прерыватель Я в схеме замещения для расчета средних значений токов и напряжений может быть заменен положительным рас­ четным сопротивлением

или в относительных единицах

а диод ДО отрицательным расчетным сопротивлением

или в относительных единицах

Эквивалентные сопротивления в относительных еди­ ницах рп* и рд* являются функциями только коэффи­ циента заполнения (см. рис. 1-14,в).

От реальных активных или пассивных элементов электрической цепи эти сопротивления отличаются тем, что в них не имеет места накопление энергии и не про­ исходит преобразования электрической энергии в дру­ гой вид энергии (или наоборот).

26

I