Тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоянного тока

 

Союз Соеетсннх

Соцналнстнчесннх

Рвспубпни

ОП ИСАНИЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 06.11.79 (21) 2837371/24-07 с присоединением заявки М (51) М. Кд.

Н 02 М 3/135

Н 02 P 5/06 (23) Приоритет

Гееударстевииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий

ОпУбликовано 15.08.81 Бюллетень Р630

Дата опубликования описания 15.08.81 (53) УДК 62!.316. ,727 (088.8) Ю. П. Гончаров, H. А. Тимченко, Е. С. Гапчннский, ТИСО КОЮЭИА g

Ю. П. СеРлоков, и. А. Шееико и И. И. Чикоеило 13 lllÓÅÍÒöa.

TEXHH g ggg

Харьковский ордена Ленина политехнический инсти им ФЖ07ИНна

1 ° (72) Авторы изобретения и Специальное конструкторское бюро Харьковского ордена завода "Электромашина" (71) Заявители (54) ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при импульсном управлении двигателем постоянного тОка на транспорте, в электротехнической и других отраслях промышленности.

Известно устроиство с последовательной коммутацией, которое содержит источник питания, нагрузку, основной тиристор и вспомогательный тиристор с узлом последовательной коммутации, в который входит токоограничивающий реактор (1}.

t0

Однако это устройство обладает повышенными потерями энергии в токоограничивающем реакторе, что снижает его КПД.

Известен также узел с последовательной ком15 мутацией, который содержит линейный токоограничивающий реактор с возвратным диодом, основной вентиль, щунтированный обратным диодом, нагрузку, шунтнрованную обратным диодом, разделительный диод, вспомогательный тиристор, коммутирующий контур f2).

Однако при протекании тока нагрузки в коммутационном интервале в магнитном поле реактора запасается энергия, которая воэвращается источнику после обесточивания первичной обмотки. Циркуляция больших количеств энергии увеличивает действующее значение напряжения на обмотках. Потери энергии в меди и стали реактора снижают КПД устройства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоянного тока, содержащий два зашунтированных в обратном направлении диодами тиристорных ключа, один из которых включен последовательно между источником питания и нагрузкой, а второй параллельно нагрузке, цепь последовательной коммутации, два токоограничивающих реактора, рабочие обмотки и обмотки управления которых включены между собой последовательно и согласно, рабочая обмотка первого токоограничивающего реактора включена последовательно между источником питания и нагрузкой, рабочая обмотка второго соединена последовательно с тиристорным ключом, шунтируюшим нагрузку, обмотки управления токоограничива5893

25

3 85 ющих реакторов подключены через диод к источнику питания !3) .

При холостом ходе и малых токах нагрузки подмагничивание в токоограничиваюших реакторах преобразователя отсутствует,. Напряженность поля, создаваемая током якоря, близка к нулю, Рабочая точка реакторов находится в области остаточной индукции. Сердечники работают в режиме одностороннего намагничивания.

Если приращение индукции в коммутационном интервале больше допустимого, это ведет к рез кому увеличению намагничивающего тока, увеличивает потери энергии в узле коммутации и снижает КПД преобразователя, Дополнительная токовая нагрузка на узел коммутации может привести к срыву инвертирования, что снижает надежность работы преобразователя. Обмотки подмагничивания включены в сильноточную цепь, что увеличивает потери в обмотках реакторов при протекании тока якоря двигателя, Цель изобретения — повышение КПД и надежности работы преобразователя.

Цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем два зашунтированных в обратном направлении диодами тиристорных ключа, один из которых включен последовательно между источником питания и нагрузкой, а второй параллельно нагрузке, цепь последовательной коммутации, два токоограничивающих реактора1рабочие обмотки и обмотки управле- ния которых включены между собой последовательно и согласно. Рабочая обмотка первого токоограничиваюшего реактора включена последовательно между источником питания и нагрузкой, рабочая обмотка второго соединена последовательно с тиристорным ключом, шунтирующим нагрузку, обмотки управления токоогI раничивающих реакторов подключены через диод к источнику питания, параллельно диоду, включенному последовательно с обмотками управления токоограничивающих реакторов, подключена дополнительная цепочка, состоящая из последовательно соединенных тиристора и резистора, причем тиристор включен встречно по отношению к указанному диоду.

На фиг, 1 приведена схема преобразователя для управления двигателем постоянного тока; на фиг. 2 — временные диаграммы токов и напряжений, протекающих в устройстве в режиме разгона двигателя.

К положительному полюсу источника питания преобразователя подключено начало рабочей обмотки токоограничивающего реактора 1, конец рабочей обмотки 2 которого соединен с началом рабочей обмотки 3 токоограничивающего реактора 4 и с якорем 5 двигателя 6 постоянного тока, являющемся нагрузкой преобразователя, второй вывод якоря 5 через силовой тиристор 7, шунтированныи в обратном направлении разделительным диодом 8, подключен к отрицательному полюсу источника питания. K общей точке якоря 5 и силового тиристора 7 подсоединен анод обратного диода 9, шунтированный в обратном направлении тормозным тиристором 10) а катод диода 9 подключен к концу рабочей обмотки 3 реактора 4.

К общей точке соединения диода 9 и обмотки 3 подсоединен анод разделительного диода 11 узла коммутации 12, а катод диода !1 через коммутирующий тиристор 13 в прямом направлении, шунтированный соединенными последовательно коммутирующим реактором !4 и коммутирующим конденсатором 15, соединен с отрицательным полюсом источника питания. Конец обмотки 16 реактора 1 подключен к началу обмотки 2, а начало обмотки 16 подключено к концу обмотки 17 реактора 4, начало обмотки 17 соединено с катодом возвратного диода 18, анод которого подключен к отрицательному полюсу источника питания. Параллельно возвратному диоду подключена цепочка, состоящая из соединенных последовательно вспомогательного тиристора 19 и ограничительного резистора 20. Для питания обмотка 21 возбуждения независимо от обмотки 5 якоря, подключена к тому же источнику.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче напряжения питания происходит колебательный заряд конденсатора 15 по цепи

2 — 3 — 11 — 14 — 15 до напряжения, превышающего напряжение источника питания, после чего диод ll запирается. C включением силового тиристора 7 к якорю 5 прикладывается напряжение питания и по цепи 2 — 5 — 7 начинает протекать ток. Реактор l насыщается, чем улучшаются условия включения тиристора 7. Тиристор

19 включен, и за счет протекания тока подмагничивания по цепи 16 — 17 — 20 — 19 рабочая точка реактора 4 находится на отрицательном участке петли гистерезиса. При включении тиристора 13 начинает протекать ток перезаряда конденсатора 15 по цепи 15 — 14-13, в это же время через тиристор 13 протекает ток от источника питания по цепи 2 — 3 — 11 — 13. Рабочая точка реактора 4 переходит на ненасьиценный участок петли гистерезиса, этим ограничивается ток короткого замыкания источника литания.

После перезаряда конденсатора 15 его ток начинает протекать встречно току в тиристоре 13 и в момент равенства этих токов тиристор 13 включается. Ток конденсатора 15 продолжает протекать по контуру 15 — 7 — 9 — 11, уменьшая суммарный ток в тиристоре 7 до куля. Ток от источника 1!итания, ограниченный ненасыщенным реактором 4, продолжает протекать в контуре

2, 3 — l l и 14 — 15, ускоряя перезаряд конденсатора 15. Избыток тока конденсатора 15 над кладывается напряжение питания, тнристор 19 включен и пропускает ток подмагннчивания.

Рабочая точка реактора и 4 при включенном тиристоре 13 выходит на ненасыщенную ветвь.

Этим снижается нагрузка на узел коммутации

12, Напряжение на якоре 5 повторяет напряжеwe на обмотке 3, его среднее значение близко к нулю. После выключения коммутнруюшего тиристора 13 происходит заряд конденсатора 15 от источника питания ло цепи 2 — 3 — 11—

14 — 15, Так как время заряда зависит от тока, то момент окончания интервала размагничивания (т.е. интервала протекания тока в диоде

18) при малых токах нагрузки становится переменным. Управляющий импульс на включение тиристора 19 выдается, когда ток в диоде

18 становится ниже определенного уровня.

Переход к режиму торможения двигателя происходит бесконтактным способом. Управляющие импульсы на силовой тиристор 7 пе поступают, а переводятся на тормозной тирнстор

10. Ток обмотки возбуждения 21 при торможении направления не изменяет. При включс шн тиристора 10 ток якоря 5 протекает по цепи 5-3 — 10. Ампер-витки рабочей обмотки 3 превышают ампервитки обмотки 17 подмагничивания. Реактор 4 входит в насыщение н улуч шает условия включения тиристора 10. В коммутационном интервале процессы в узле коммутации 12 по запнранию тиристора 10 не отличаются от рассмотренных. Ненасыщенный реактор 1 ограничивает ток короткого замыкания, протекающий по цепи 2 — 3-!1 — 13. Этим снижается нагрузка на узел коммутации 12 н потери энергии в ней. С окончанием коммутационного интервала происходит размагничивание реакторов 4 и 1; После выключения тнристора 10 рабочие точки реакторов 4 и 1 возвращаются в исходное состояние, определяемое током подмагничнвания, который протекает по цепи 16 — 17 — 20 — 19, Так якоря 5 течет в источник питания по цепи 5-2 — 8, происходит рекуперативное торможение и возврат энергии двигателя 6 в источник питания. Реактор насыщен н не оказывает влияния ла торможение. При включении тормозного тирнстора 10 ток в источнике питания прерывается, процессы в устройстве повторяются до полного торможения.

В известной схеме подмагничнвание токоограннчиваюших реакторов осуществляется током подмагннчнвания. В предлагаемом устройстве ток подмагничивання при включенном тиристо ре 19 протекает от источника питания по вторичным обмоткам токоограничиваюших рсакто ров н его величина определяется резистором 20

Подмагннчиванне производится для обоих сер дечннков одинаково н его направление не из5 855893 4 током нагрузки, протекавшим в тиристоре 7, замыкается через диод 18 на время восстановления заиираюших свойств тиристора ",. После выключения тиристора 7 и дозаряда конденсатора 15 ток якоря 5 замыкается в контуре

5 — 9 — 3. В момент равенства напряжения на конденсаторе 15 напряжению источника питания диод 11 запирается. Энергия, накопленная в реакторе 14, передается конденсатору 15. В коммутационном интервале напряжение источника 0 питания приложено к обмотке 3 ненасышенного реактора 4. Этот интервал заканчивается тогда, когда за счет ЭДС самоиндукции, возникающей на обмотке 3, в обмотке 17 наводится напряжение, равное напряжению источника пи- И тания. Диод 18 открывается, тиристор 19 запирается. На обмотке 3 устанавливается постоянное напряжение обратной полярности. Происходит раэмапычивание магнитных систем реакторов 1 и 4 током, протекающим в контуре

18 — 17 — 16. Энергия поступает в источник питания. С окончанием размагничивания и протекания тока в диоде 18 (фиг. 2«, г. д) включается тнристор 19 и устанавливаются начальные рабочие точки в реакторах 1 и 4.

При регулировании момента включения тиристора 7 (влево от указанного пунктиром на фиг. 2а) среднее значение напряжения на якоре 5 двигателя 6 увеличивается н возрастает скорость вращения. При коэффициенте заполнения импульсного напряжения на нагрузке, близком к единице, силовой тиристор 7 включается ранее окончания размагничивания сердечников. Длительность протекания тока в диоде

18 сокращается (фиг. 2г). Управляющий импульс выдастся на тиристор 19 в момент запирания диода 18 и ток подмагничиваиия протекает до очередного включения диода 18 (фнг.

2д, е).

Когда среднее напряжение на якоре 5 дви- 4О гателя 6 (фнг. 26) достигает уровня напряжения питания, узел коммутации 12 не включается, т.е. управляющие импульсы на тиристор 13 не поступают. По цепи 2 — 5 — 7 протекает постоянный ток, двигатель 6 работает на естественной характеристике. Тнристор !9 включен постоянно, обеспечивая необходимое смещение реактора 4. Ток подмагничивания, протекающий в обмотке 16, создает напряженность поля, стремяшуюся вывести сердечник реактора 1 из 5О насыщения. Однако при достаточно большом токе якоря его ампер-витки значительно превыша- якоря, протекающим по силовым обмоткам ют ампер-витки подмагничивания, поэтому сердечник реактора 1 остается насыщенным и лод-. магничивание не оказывает влияния.

В режиме холостого хода двигателя ток в цепи якоря 5 не протекает н процессы в устройстве протекают сходным образом. В коммутационном интервале к обмоткам 2 и 3 при7 855893 меняется при переходе от двигательного к тормозному режиму, Подмагничивание осуществляется только при холостом ходе и малых токах нагрузки, Поскольку зти режимы охватывают лишь небольшую часть рабочего цикла привода, 5 то средние потери мощности в резисторе 20 малы. Существенным является то, что подмагничивание в данном случае слаботочное. Специальных устройств для выключения тиристора 19 не требуется, так как при включении возвратного диода 18 цепь тиристора 19 замыкается накоротко. За счет подмагничивания токоограиичивающих реакторов, осуществляемого устройством, ненасьиценные ток оограничивающие резисторы существенно уменьшают токовую нагрузку на узел коммутации, Это ведет к снижению потерь энергии, повышению КПД преобразователя и повышению надежности его работы, 20

Формула изобретения

Тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоянного тока, содержащий два зашунтированных в обратном направлении диодами тиристорных ключа, один из которых включен последовательно между источником питания и нагрузкой, а

8 второй параллельно нагрузке, цепь последовательной коммутации, два токоограничивающих реактора, рабочие обмотки и обмотки управления которых включены между собой последовательно и согласно, рабочая обмотка первого токоограничивающего реактора включена по-следовательно между источником питания и нагрузкой, рабочая обмотка второго соединена последовательно с тиристорным ключом, шуитирующим нагрузку, обмотки управления токоограничивающих реакторов подключены через диод к источнику литания, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, параллельно диоду, включенному последовательно с обмотками, управления токоограничивающих реакторов, подключена дополнигельная цепочка, состоящая из соединенных последовательно тиристора и ограничительного резистора, причем тиристор включен встречно по отношению к указанному диоду.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. "Электротехника", 1968, N 10, с. 42, рис. Is.

2. Патент ФРГ Na 2424369, кл, Н 02 M 7/155, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР N 692045, кл. Н 02 Р 5/06. 1977.

855893

Редактор Л. Тюрина

Тираж 730 f1o

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Закаэ б960/81

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И. Головинова

Техред М. Рейвес Корректор С. Корниенко