|
| |
|
Главная Журналы - --Л-" 3. Коммутационная способность преобразователей, питающихся от низковольтной аккумуляторной батареи Для низковольтного импульсного электропривода основным критерием эффективности работы преобразователя постоянного напряжения является его коммутационная способность - наибольшая величина тока нагрузки, которую способен коммутировать преобразователь при принятых параметрах узла коммутации и заданном входном напряжении. Как известно, в преобразователях постояиного напряжении можно повысить коммутационную сиособность при заданном времени восста1Ювления силового тиристора, увеличив либо напряжение на коммутирующем конденсаторе, либо емкость последнего. На основе количественных и качественных соотношений рассмотрим в )Зможностн новыи.ения коммутационной сиособности тем 1!ли иным способом, анализ которых позволяет выбрать приемлемую схему низковольтпо! о преобразователя. Надежность коммутации силового тирнсюра зависит от ряда факторов, оказываюиикх определенное влияние иа процесс его выключения К ним относятся время восстапоБлеппя тиристора, величина пря\юго тока и обратного напряжения, прпложеипого к тиристору, п др. Необходимая для raujeimn тиристора велпч1Н!а заряда определяется выражеине.м где / макс ~ максимальи1>п! ток, протекающий через тиристор; - время восстановления тиристора. Для обеспечения надельной коммутации необходимо соблюдение неравенства Здсь - заряд коммутирующего конденсатора иепосредствеино перед загшранием тиристора, 7„ Си, где С - емкость коммутирующего конденсатора; - напряжение и а конденсаторе перед ко\гмутацпей. Можно отметить, что емкость коммугируюихего конденсатора и уровень напряжения иа нем в равной стеиенп оказывают влияние на коммутационную надежность узла коммутации. В простейшем случае напряжение иа коммутирующем конденсаторе определяется уравнением где и - напряжение источника питания (аккумуляторной ба-тареи ); Q~ добротность перезарядного контура, Q = \ LIr \ С {L н г - индуктивность и активное сопротивление контура).  Таким образом, выраже- * д» ние для Qq примет вид 0 = . (1.3) Из приведенных выше выражений следует, что при за данной частоте коммутации увеличение емкости, необходимой для надежного гашения, требует уменьшения индуктивности перезарядного контура. Это приводит к снижению добротности и как следствие - к уменьшению заряда коммутирующего конденсатора. Такое уменьшение добротности при питании от высоковольтного источника не-зпачителыю сказывается на коммутационной с1юсоб1К)стп схемы. В низковольтных преобразователях с питанием от ак-ку.мулиторпоп батареи при umpoKcwi яиапазо1!е и з.ме пения папряжеипя и больишх коммутируемых токах значи- т.\т(>1юе увелтчеиие ем1-ости может привести к снижеи1ио ком-м.тацпонпой способпостн схемы п ограшшеипому диапазопу ко.ммутируемых токов. На рис. 2 показана зависимость q\ (С) от величины ко.м-мутпрующен-емкостп. В качестве базовых взяты единичные величины С; f/*; /*. Кривые построены дли различных на- чальных значений добротности Qhah- Функция (С) 1юеит нелинейный параболический характер и в значительной стенени зависит от добротности контура При этом чем ниже добротность, тем меиьи]е значение£/о. и максиму.м кривой сдвигается к началу отсчета. Прн добротности Q* 3 кривая qo (С*) практически не имеет максимума и уменьшается с увеличением С*. На этом же рисунке представлены записи- мости до (U*) (прямые линии) для различных значений Q* (с изменением Q* изменяется наклон прямой) и (L*), полученные при различных 311ачениях С* (1, 2, 3...). Величина заряда, необходимого для коммутации максимального тока Q[y представлена зависимостью (/*). 0,5 0,23 0J6 Рпс. 2. 0f25 а*  Анализируя приведенные зависимости, можно сделать вывод, что обеспечение заряда q\ в области максимальных токов быстрее дост1нается увеличением коммутирующего иа-пряжепия при сохранении постоянной емкости конденсатора. В то же время получение необходимого заряда увеличением коммутирующей емкости во многих случаях вообще невозможно вследствие снижения добротности контура, тогда как изменением }1анряжеиия на коммутирующем конденсаторе требуемый заряд получаем при весьма низких значениях Q*. Рассмотрим вопрос повышения ком1мутационной способности с точки зрения массогабаритных показателей коммутирующего конденсатора. Анализ справочных данных по конденсаторам типа МБР, МБГТ, МБГО, МБГЧ [48, 81] и результаты исследований, приведенные в работах [1, 15], позволяют сделать вывод, что массогабаритные показатели указанных типов конденсаторов пропорциональны произведению [UC]. Зависи- мости [L/C]* (i) при различных начальных значениях добротности коммутирующего контура С?нач, полученные изменением емкости конденсатора и напряжения иа нем (штрихпунк-тирные кривые), приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, достижение значений > 2 требует значительного увеличе-1   4 6 Рис. 5. IJC\ * при высоких
- 10 ~ 20. В то же время массогабаритные показатели коммутирующего конденсатора при больншх значениях qi лучше, если увеличивать наприжеине па ие.м. Таким образом, с точки зрения коммутаииониой способности прн минимальных массо-габаритных гюказателях коммутирующего конденсатора уровень напряжения па нем является определяющим Аналогичные завпсимостн для реальных тяговых аккумуляторных батарей типа ЭЖНТ-160У и ТЖН-250 [291 сопротивлением 0,1 и 0,01-0,03 Ом представлены соответственно на рис. 4 и 5. Зависимости рассчитаны для схем с неносредствеи-ным зарядом кoммyтиpyюнieгo конденсатора от аккумуляторной батареи. Величина заряда в этом случае определяется выражением Из приведенных иа рис. 4 кривых видно, что в большинстве случаев достигнуть необходимого значения qi можно увеличением коммутирующего наиряженпя и невозможно увеличением коммутирующей емкости. Анализ массогабаритных показателей коммутирующих конденсаторов при новышении коммутационной способности (см. рис. 5) позволяет сделать вывод, что предпочтительнее увеличивать напряжение на коммутирующем конденсаторе без увеличения его емкости. При этом кратность изменения напряжения на коммутирующем конденсаторе может быть весьма высокая, особенно при низком уровне напряжения аккумуляторной батареи. Так, для токов 300 А кратность повышения напряжения равна примерно 1,6 при U = 100 В, 8 при 6 = 50 В и 17 прн fy = 30 В. Таким образом, схема коммутационного узла с подзарядом коммутирующей емкости должна обеспечивать изменение напряжения на ней в широком диапазоне. 4. Сравнительный анализ низковольтных тиристорных преобразователей Во многих работах, вышедших в последние годы, неоднократно приводилась классификация схем преобразователей ностоян-пого найряженйя. Авторы данной работы не ставят своей целью классифицировать низковольтные преобразователи, тем более, что последние полностью подходят под ряд классификаций, приведенных в работах [14, 31, 941. Здесь целесообразнее сравнить большое число низковольтных преобразователей и найти возможность остановиться на прие.млемой группе схем, в достаточной стеиегш отвечающих [Юставлеиным требованиям, с тем чтобы путем дальнейшего летального сравнения и расчета выбрать наиболее оптимальную схему преобра-зо14а1еля, так как в настоящее время разработчик при выГюре необходимой схемы пользуется чаще всего традиционным подходом: личным опытом, патентным поиском и т. д. За последние 20 лет в отечественной и зарубежной технической литературе опубликовано большое число схем преобразователен постоянного напряжения. Авторы сделали попытку обобщить возможно большее число схем тиристорных преобразователей, когда-либо заявленных, применяемых или предлагаемых для применения в низковольтном тяговом электроприводе с импульсным управлением. Разумеется, вследствие непрерывного появления новых схем онн не претендуют на полный их охват, однако считают, что представленные ниже схемы составляют основную часть низковольтных преобразователей. Наряду с важным критерием эффективности преобразователей постояиного напряжения - коммутационной надежностью, рассмотрим понятие начальной коммутационной способности преобразователя. Под последней понимается наибольший ток, который может отключить устройство из состояния холостого хода (х. х.) при включении нагрузки [20]. Для преобразователей тягового электропривода такой момент наступает при включении преобразователя, т. е. в первый импульс- ный цикл, так как режим х. х. практически отсутствует. Начальная коммутационная способность является наименьшей коммутационной способностью преобразователя. В установившемся режиме пол нагрузкой (в преобразователях с дозарядом) она возрастает Поэтому начальная коммутационная способность преобразователя должна быть такой, чтобы обеспечить выключение силового тиристора в первый же такт коммутации. Как известно, в преобразователях постоянного напряжения с параллельно-емкостной коммутацией последовательно с тяговым двигателем включен силовой тиристор, для запирания которого к катоду прикладывается положительный потенциал от коммутирующего конденсатора. Коммутационная способность преобразователя зависит от величины емкости конденсатора, параметров колебательного контура как при комму-тацион)ЮМ, так и при подготовительном перезаряде и от напряжения на коммутирующем конденсаторе. Последний фактор оказывает основное влияние (как показано выше) на коммутационную способность низковольтного преобразователя носг(япиого напряжения, поэтому сравнение схе.м по этому параметру в далы1ейнем будет проводиться при прочих рав-((ых условиях. Принимая во внимание величину напряжения, до которого заряжается коммутируюии1Й конденсатор непосредственно перед коммутаинен силового тиристора (в первый импульсный цикл), разобьем все схемы низковольтных преобразователей постояиного иапряжения па две группы. К первой группе относятся схемы, у которых подготовительный заряд коммути-руюпего конденсатора происходит через нагрузку (табл. 1, схемы 1-31) В этом случае, если не приняты спе1и1альные схемотехнические решения, коммутирующее напряжение не превышает напрял<ения источника питания. Ко второй группе относятся схемы 32-56, приведенные в той же таблице. В них происходит колебательный заряд коммутирующего конденсатора негюсредственио от источника питания, минуя нагрузку, В схемах первой группы [4, 6, 12, 45, 90, 113, 128, 131, 136, 145-148, 150, 151, 153,-155, 163, J66, 1701 коммутирующий конденсатор заряжается по цепям с различными элементами, од}1ако во всех случаях зарядный ток протекает через нагрузку В этих схемах перед отпиранием силового тиристора происходит перезаряд конденсатора через нагрузку, а затем коммутирующий конденсатор перезаряжается но цепи, состоящей чаще всего из диода и индуктивности (см схемы 2-14, 18-31 - колебательный перезаряд), вместо которой может включаться активное сопротивление (см. схему 1). В последнем 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 |