Полупроводниковые преобразователи постоянного тока

Постоянный по направлению и величине ток источника питания можно преобразовать в импульсы тока, используя для этого тиристоры, включенные последовательно между источником питания и нагрузкой. Периодически отпирая и запирая тиристор, на нагрузку подают прямоугольные импульсы напряжения.

Изменяя продолжительность импульсов или частоту следования импульсов одинаковой величины, можно менять среднее значение напряжения, приложенное к нагрузке, и, следовательно, регулировать среднее значение тока в ней. При этом в случае активной нагрузки ток повторяет прямоугольную форму напряжения, а при достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки проходит пульсирующий непрерывный ток, поддерживаемый индуктивностью нагрузки, который при запертом тиристоре замыкается через диод.

Ввиду того что в настоящее время серийно выпускаемые тиристоры еще не могут быть заперты при помощи управляющих импульсов, в схемах преобразования постоянного тока необходимо предусмотреть дополнительные элементы для осуществления искусственного запирания тиристоров.

В начале регулирования отпирается вспомогательный тиристор Т2 и происходит заряд конденсатора С. При этом ток заряда проходит по контуру 1-6-5-2-3-4-1. После первого отпирания силового тиристора Т конденсатор перезаряжается по контуру 5-7-6-1-2-5. В момент, когда необходимо осуществить запирание силового тиристора Т, на вспомогательный тиристор Т2 подается импульс отпирания и начинается перезаряд конденсатора по контуру 2-3-4-1-6-5-2. На начальном этапе этого перезаряда к силовому тиристору Т приложено уменьшающееся обратное напряжение от конденсатора С. Если емкость конденсатора имеет достаточную величину и время, за которое напряжение конденсатора уменьшается до нуля, большее, чем время, которое необходимо для запирания тиристора, т. е. 20—25 мксек, то ток в ветви 1-2 не проходит; он проходит по контуру 1-6-5-2-3-4-1 до того момента, пока не изменится полярность конденсатора, что вызовет автоматическое запирание вспомогательного тиристора Т2, так как ток упадет до нуля. Если в цепи нагрузки имеется индуктивность, то ток в ней проходит через шунтирующий диод Д. В этом случае можно считать, что ток за короткое время перезаряда конденсатора по контуру 1-6-5-2-3-4-1, имеющему индуктивность, остается неизменным.

Схема, в которой способ преобразования постоянного тока и запирания тиристора несколько отличается от рассмотренных выше. В этой схеме имеет место процесс, который условно можно назвать самозапиранисм тиристора. Когда тиристор заперт, конденсатор С заряжается. После отпирания тиристора Т к нагрузке прилагается напряжение источника питания и происходит перезаряд конденсатора С по контуру 5-1-2-5. В конце перезаряда конденсатор имеет заряд практически прежней величины, но обратной полярности, т. е. узел 2 имеет положительный потенциал, а узел 5 — отрицательный. Второй перезаряд конденсатора осуществляется по контуру 2-3-4-1-5-2, и на начальном этапе этого перезаряда (до прохождения напряжения конденсатора через нуль) к тиристору Т приложено обратное напряжение. Если время приложения обратного напряжения достаточно большое, то элемент запирается и прохождение тока в нем прекращается.

Следующее отпирание тиристора осуществляется после подачи последующего импульса управления. Изменением частоты следования импульсов отпирания можно изменять частоту следования импульсов напряжения, приложенных к нагрузке, и, следовательно, регулировать среднее значение тока в нем.

В рассмотренных схемах регулирование постоянного тока осуществляется без реостатов, поэтому потери мощности в них весьма малы.

Ввиду высокого к. п. д. и быстродействия рассмотренные схемы бесконтактного регулирования постоянного тока могут широко применяться в разных электротехнических установках, в частности в схемах регулирования скорости вращения электроприводных и тяговых двигателей постоянного тока. К этой области применения данных схем надо отнести электровозы и электропоезда постоянного тока, троллейбусы, трамваи, подвижной состав метро, в которых на регулировочных реостатах теряется до 20—30% потребляемой ими энергии. Особенно важное значение имеет регулирование с высоким к. п. д. на электроподвижных средствах, питаемых от аккумуляторных батарей (аккумуляторные моторвагонные секции, электрокары, погрузчики, аккумуляторные автомобили и др.), так как в этом случае потери энергии при регулировании связаны с сокращением радиуса и продолжительности их действия.

Следует отметить, что рассмотренные схемы путем определенной перегруппировки имеющихся в схеме элементов могут быть использованы также для рекуперации энергии (или для зарядки аккумуляторной батареи) при торможении двигателя постоянного тока. В момент пуска двигателя постоянного тока тиристор включен последовательно с источником питания, а шунтирующий диод — параллельно с двигателем. Такой пуск имеет два характерных режима, обозначенных на диаграмме тока А и Б. В режиме А, когда напряжение источника питания приложено к двигателю, ток возрастает, а в режиме Б, когда ток проходит через шунтирующий диод, его величина падает. Поменяв местами диод и тиристор, схему можно использовать для рекуперативного торможения двигателя. Процесс торможения имеет очень похожие на предыдущие рабочие режимы В и Г. В режиме В двигатель закорочен через тиристор и ток в нем возрастает. В этом режиме в роторе и обмотке возбуждения двигателя накапливается энергия. После принудительного запирания тиристора ток проходит по цепи источника. При этом уменьшающийся в обмотке двигателя ток индуктирует в ней э. д. с, направленную встречно э. д. с. источника питания. Эта э. д. с. поддерживает ток даже тогда, когда в результате уменьшения скорости вращения двигателя э. д. с. его становится меньше, чем э. д. с. источника питания. Следовательно, ток проходит через источник питания в направлении, противоположном направлению э. д. с. источника питания. Это означает, что энергия от двигателя возвращается (рекуперируется) в источник питания. Как показали опыты с построенными в ФРГ аккумуляторными моторвагонами ЕТА176, имеющими два двигателя мощностью по 160 кет, рекуперация электроэнергии происходит даже в том случае, когда работающий в генераторном режиме тяговый двигатель генерирует э. д. с, составляющую лишь 10% от напряжения источника питания (аккумуляторной батареи). В этом оригинальном методе рекуперации решающую роль играет э. д. с. самоиндукции обмоток двигателей.

В зависимости от профиля железнодорожного пути и других факторов движения такая система рекуперации дает возможность снизить расход электроэнергии аккумуляторных моторвагонов на 10—25%. Такая экономия электроэнергии позволяет увеличить радиус действия моторвагона или дает возможность снизить вес и стоимость аккумуляторной батареи (в настоящее время емкость установленной батареи составляет 500 квт-ч). Кроме экономии электроэнергии от рекуперации, следует также учесть экономию электроэнергии, получаемую в режиме пуска. В обычных электропоездах с реостатным регулированием эта электроэнергия превращается в тепло. Значительная экономия электроэнергии, получаемая от применения импульсного регулирования в аккумуляторных поездах, показывает, что в этой области полупроводниковые преобразователи весьма перспективны.

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967