Введение к работе
Актуальность темы: Создание устройств преобразовательной техники, обладавших повышенными динамическими возможностями и высокими энергетическими показателями, отличатихся высокой надежностью, технологичностью и удобством эксплуатации, является одной из основных задач электротехнической промышленности. Решение данной проблемы неразрывно связано с использованием быстродействующих полупроводниковых приборов при разработке источников питания электроимпульсных технологических установок, промышленных электроприводов, компенсаторов реактивной мощности и источников вторичного электропитания.
Проектирование вышеперечисленных устройств ведется с использованием обычных силовых тиристоров, мощных биполярных и полевых транзисторов, статических индукционных транзисторов и запираемых тиристоров.
Силовые тиристоры имеют высокую блокирующую и перегрузочную способности, однако, запирание этих приборов требует применения громоздких узлов принудительной коммутации. Кроме того, силовые однооперационные тиристоры имеют большое время выключения, и поэтому не могут быть использованы в установках с высокой частотой переключения.
Построение преобразователей на мощных биполярных, МОП и СИТ транзисторах, работающих в ключевом режиме, позволяет избавиться от внешних цепей принудительной коммутации и повысить частоту переключения. Однако, транзисторы обладают значительно меньшей, чем тиристоры, переключаемой мощностью, более ниэковольтны и критичны х импульсным перегрузкам.
Запираемые тиристоры (ЗТ), хая и транзисторы - полностью управляемые приборы, отключаемые подачей отрицательного импульса на управляющий электрод* По своим эксплуатационным характеристикам ЗТ занимают промежуточное положение между обычными тиристорами и транзисторами. В настоящее время ЗТ постепенно оттесняют силовые тиристоры по такому параметру, как переключаемая мощность и значительно превосходят силовые транзисторы по блокирующей и перегрузочной способности.
Несмотря на наличие научных работ по преобразовательной технике информация по применению ЗТ имеет ограниченный и зачастую разрозненный характер. Слабо изучены вопросы энергетических потерь на ЗТ в динамических режимах, переходных процессов в силовых це-
пях на ЗТ, анализа влияния ыонтажа на эти процессы, создание силовых модулей на ЗТ. На актуальность данной проблемы неоднократно указывалось в решениях ряда научно-технических конференций и семинаров по преобразовательной технике и автоматизированному электроприводу.
Работа выполнялась по координационному плану Минвуза "Оптимум", а также в рамках обобщенного заказ-наряда Нижегородского Государственного технического университета.
Цель работы: Разработка и исследование силовых модулей на запираемых тиристорах и вторичных источников электропитания с высокими энергетическими и динамическими характеристиками на их основе.
Для достижения поставленной цели автор диссертационной работы решает следующие задачи:
анализ схемотехнических решений силовых цепей на ЗТ, формирователей управляющих импульсов и построение математической модели тиристора, позволяющей рассчитывать процессы переключения с учетом влияния токов управления;
создание математических моделей силовых транзисторных модулей на основе ЗТ с формирующими цепями и однофазного автономного инвертора;
исследование переходных процессов в силовых цепях, цепях формирования управляющих импульсов ключевых модулей и автономно-: го инвертора на основе разработанных математических моделей;
исследование гармонического состава выходного тока преобразователя частоты на ЗТ при различных законах управления;
исследование энергетических показателей формирующих цепей и разработка инженерной методики определения потерь энергии на ключевых элементах и в формирующих цепях;
анализ' результатов теоретических исследований и разработка новых схем силовых, модулей и преобразователей с улучшенными энер-гетическими и частотными показателями.
Метода исследований: В диссертационной работе используются ыетоды математического моделирования и аналитического исследования нелинейных электрических цепей. При определении параметров математической модели ЗТ использовался метод аппроксимации зависимостей полученных из ТУ на ЗТ кубическими сплайнами. При составлении критериальных функций применен метод наименьших квадратов. При расчетах на ЭЕМ,для оптимизации критериальной функции.применен метод Гаусса-Зайделя поиска экстремума функции многих переменных.
Математическое моделирование переходных процессов в цепях на ЗТ проводилось численными методами решения-дифференциальных уравнений с автоматизированным выбором шага интегрирования на базе пакета прикладных программ MtCXfl -САР II. При поиске потерь энергии в демпфируюших цепях использовался численный метод вычисления определенных интегралов Симпсона.
йаузная новизна В диссертационной работе:
разработана уточняющая модель запираемого тиристора, которая позволяет учитывать влияние токов управления на коэффициент запирания, время переключения, а также учитывает время восстановления запирающих свойств тиристора на этапе выключения;
получены критериальные функции для поиска параметров математической модели ЗТ;
разработаны математические модели силовых модулей на запираемом тиристоре с каскодным принципом управления и с цепью сброса запасенной энергии в формирующих цепях в нагрузку, а также модель однофазного автономного инвертора на ЗТ*;
дана оценка влияния индуктнвностей монтажа на динамические потери и на характер переходных процессов в автономном инверторе на ЗТ..
Практическая ценность заключается в следующем:
разработан силовой модуль на ЗТ с каскодным управлением;
разработана специализированная- программа поиска экстремума критериальных функций многих переменных для определения параметров математической модели ЗТ по основным характеристикам, приводимым в ТУ на прибор;
. - проведена идентификация полученных параметров математической модели тиристора ТЗ I42-B0A с параметрами приводимыми в паспортных данных на прибор;
- разработана специализированная программа для определения динамических потерь в ЗТ и в формируетеЯ цепи, позволявшая учитывать время восстановления запирающих свойстз тиристора и индуктивность монтажа;
разработана схема управления вторичного источника электропитания на ЗТ по закону однополярной ШИН; .
разработана силовая схема инвертора напряжения на силовых модулях с каскодным управлением ЗТ.
Внедрение результатов работы . Результаты диссертационной работы реализованы в разработке источника вторичного электропитания для проверки на функционирование и периодических испытаний
электрораспределительных устройств, шитов сигнализации и пультов управления выходной частотой 400 Гц, напряжением 220 В, током 25 А на Нижегородском предприятии "ЭРА".
С помощью специализированных программ найдены параметры математических моделей тиристоров, используемых в ТПЧ-320, ТПЧ-250 и проведено математическое моделирование наиболее тяжелых режимов их эксплуатации в Опытном конструкторском бюро машиностроения Г.Н.Новгорода.
Апробация работы. Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях НТО "Актуальные проблемы электроэнергетики- (Н.Новгород Г969, 1990, 1991, 1992 г.г.), на Ш и IX научных конференциях молодых ученых Волго-Вятского региона (г.Горький 1988, 1969 г.г.), на ІУ Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники (г.Чернигов 1967), на Республиканской конференции "Электротехнические преобразователи и машинно-вентильные системы" (г.Томск, 1991 г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано б печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 127 стр.основного текста, 93 стр.иллюстраций, Ш наименований используемой литературы, ^8 стр. приложений.
