Тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоянного тока Советский патент 1981 года по МПК H02M3/135 H02P5/06 

(54) ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

I

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

Известно устройство с последовательной комД1утацией, которое содержит источник питания, нагрузку, основной тиристор и вспомогательный тиристор с узлом последовательной коммутации, в который входит токоограничивающий реактор 1.

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

Известен также узел с последовательной коммутацией, который содержит линейный токоограничивающий реактор с возвратным диодом, основной вентиль, шунтированный обратным диодом, нагрузку, шунтированную обратным диодом, разделительный диод, вспомогательный , тиристор, коммутирующий контур 2.

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

Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому изобретению является тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоянного тока, содержащий два зашуитированных в обратном направлении диодами тиристориых 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 токоограяичиваюшего реактЬра включена последовательно между источником питания и нагрузкой, рабочая обмотка второго соединена последовательно с тиристорным ключом, шунтирующим нагрузку, обмотки управления токоограничиващих реакторов подключены через диод к исочнику питания 3.

При холостом ходе и малых токах нагрузи подмагничивание в токоограничивающих ректорах преобразователя отсутствует. Напряженость поля, создаваемая током якоря, близка нулю. Рабочая точка реакторов находится в бласти остаточной индукции. Сердечники рабоают в режиме одностороннего намагнипшания. 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 инвертирова1дая, 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 защунтированных 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 управлеНИН которых вклююны между собой последовательно и согласно. Рабочая обмотка первого токоогракичивающего реактора включена последовательно между источником питания и нагрузкой, рабочая обмотка второго соединена последовательно с тиристорным ключом, шунтирующим нагрузку, обмотки управления токоограничивающих реакторов подключены через диод к истошику питания, параллельно даоду, включенному последовательно с обмотками управле1 шя токоограничивающих реакторов, подключена дополнительная цепочка, состоящая из последовательно соединенных тиристора и резистора, причем тиристор включен встречно по отнощению 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, шунтированный в обратном

направлении разделительным диодом 8, подключен к отрицательному полюсу источника питания. К общей точке якоря 5 и силового тиристора 7 подсоединен анод обратного диода 9, щунтированный 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 подсоединен анод разделительного диода 11 узла коммутации 12, а катод диода 11 через коммутирующий тиристор 13 в прямом направлении, щунтированный соединенными последовательно коммутирующим реактором 14 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 11 запирается. С включением силового тиристора 7 к якорю 5 прикладывается напряжение питания и по цепи 2-5-7 начинает протекать ток. Реактср 1 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 перезарлда 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 ненасыщенный участок петли гистерезиса, зтим ограничивается ток короткого замыкания источника питания. После перезаряда конденсатора 15 его ток начинает протекать встречно току в тиристоре 13 и в момент равенства этих токов тиристор 13 включается. Ток ковденсатора 15 продолжает протекать по контуру 15-7-9-11, уменьшая суммарный ток в тиристоре 7 до нуля. Ток от источника питания, ограниченный ненасыщенным реактором 4, продолжает протекать в контуре 2, 3-11 и 14-15, ускоряя перезаряд ковденсатора 15. Избыток гока конденсатора 15 над

током нагрузки, протекавшим в тиристоре 7, замыкается через диод 18 на время восстановления запирающих 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 питания приложено к обмотке 3 ненасыщенного реактора 4. Этот интервал заканчивается тогда, когда за счет ЭДС самоиндукции, возникающей на обмотке 3, в обмотке 17 наводится напряже1ше, равное напряжению источника питания. Диод 18 открывается, тиристор 19 запирается. На обмотке 3 устанавливается постоянное напряжение обратной полярности. Происходит размапшчивание 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 тиристор 19 и устанавливаются началы1ые рабочие точки в реакторах 1 и 4.

При регулировании момента включения тиристора 7 (влево от указанного пунктиром на фиг. 2д) среднее значение напряжения на якоре 5 двигателя 6 увеличивается и возрастает скорость вращения. При коэффициенте заполнения импульсною напряжения на нагрузке, близком к единице, силовой тиристор 7 включается ранее оконча1шя размагничивания сердечников. Длительность протекания тока в диоде 18 сокращается (фиг. 2с). Управляющий импульс выдается на тиристор 19 в момент запирания диода 18 и ток подмагничивания протекает до очередного включения диода 18 (фиг. 2д, е).

Когда среднее напряжение на якоре 5 двигателя 6 (фиг. 2&) 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. Тиристор 19 включен посточнно, обеспечивая необходимое смещение реактора 4. Ток подмагничивания, протекающий в обмотке 16, создает напряженность поля, стремящуюся вывести сердечник реактора 1 из насыщения. Однако при достаточно большом токе якоря его ампер-витки значительно превышют, ампер-витки подмагничивания, поэтому сердечник реактора 1 остается насыщенным и подмагничивание не оказывает влияния.

В режиме холостого хода двигателя ток в цепи якоря 5 не протекает и процессы в устройстве протекают сходным образом. В коммутационном интервале к обмоткам 2 и 3 прикладывается напряжение питания, тиристор 19 включен и пропускает ток подмагничивания. Рабочая точка реактора I и 4 при включенном тиристоре 13 выходит на ненасыщенную ветвь. Этим снижается нагрузка на узел коммутации 12. Напряжение на якоре 5 повторяет напряжение на обмотк« 3, его среднее значен е близко к нулю. После выключения коммутирующего тиристора 13 происходит заряд конденсатора 15 от источника питания по цепи 2-3-1114-15. 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 ire поступают, а переводятся на тормозной тирнстор 10. Ток обмотки возбуждения 21 при торможении направления не изменяет. При включе1ПШ 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 и улучшает условия включения тиристора 10. В коммутационном интервале процессы в узле коммутации 12 по запиранию тиристора 10 не отличаются от рассмотренных. Ненасыщенный реактор 1 ограничивает ток короткого замыкания, протекающий по цепи 2-3-11-13. Этим снижается нагрузка на узел коммутации 12 и потери энергии в ней. С око№(анием коммутационного интервала происходит размагничивание реакторов 4 и L После выключения тиристора 10 рабочие точки реакторов 4 и 1 возвращаются в исходное состояние, определяемое током подмагннчивания, который протекает по цепи 16-17-20-19. Ток якоря 5 течет в источник питания по цепн 5-2-8, происходит рекуперативное торможение и возврат энергии двигателя 6 в источник питания. Реактор 1 насыщен и не оказывает влияния на торможение. При включении тормозного тиристора 10 ток в источнике питания прерывается, процессы в устройстве повторяются до полного торможения.

В известной схеме подмагничивание токоограничивающих реакторов осуществляется током якоря, протекающим по силовым обмоткам подмагничивания. В предлагаемом устройстве ток подмагничивания при включенном тиристоре 19 протекает от источника питания по вторичным обмоткам токоограничивающих 1 сакторов и его величина определяется резистором 20. Подмагничивание производится для обоих сердечников одинаково и его направление не меняется при переходе от двигательного к тормозному режиму. Подмагничивание осуществляется только при холостом ходе и малых токах Нагрузки. Поскольку эти режимы охватывают лишь небольшую часть рабочего цикла привода, то средние потери мощности в резисторе 20 ма лы. 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 токоограЯичивающих реакторов, осуществляемого устройством, ненасыщенные токоограничивающие резисторы существенно уменьшают токовую наГрузку на узел коммутации. Это ведет к снижению потерь энергии, новышению КПД преобразователя и повышению надежности его работы Формула изобретения Тиристорный преобразователь постоянного напряжения для управления двигателем постоян ного тока, содержащий два зашунтированных в обратном направлении диодами тиристорных ключа, один из которых включен последователь но между источником питания и нагрузкой, а второй параллельно нагрузке, цепь последовательной коммутации, два токсюграничивающих 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, шунтирующим нагрузку, обмотки управления токоограничивающих реакторов подключены через диод к источнику питания, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, параллельно диоду, включенному последовательно с обмотками, управления токоограничивающих реакторов, подключена дополнительная цепочка, состоящая из соединенных последовательно тиристора и ограничительного резистора, причем тиристор включен встречно по отношению к указанному диоду. Источники информа1ши, принятые во внимание при экспертизе 1. Электротехника, 1968, № 10, с. 42, рис 1в. 2.Патент ФРГ N 2424369, кл. Н 02 М 7/155, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР № 692045, кл. Н 02 Р 5/06. 1977.