ИППН с параллельной коммутацией и коммутирующим контуром, подключаемым параллельно силовому тиристору.

Схема содержит: силовой тиристор VS_с, коммутирующий тиристор VS_к, перезарядный тиристор VS_п, диоды VD и VD₀, коммутирующий конденсатор С_к, дроссель L_к, нагрузку Z_н. Дроссель сглаживающего фильтра не показан, т. к. будем считать, что он учитывается суммарной индуктивностью нагрузки Z_н. Начало формирования выходного напряжения обуславливается подачей управляющего импульса на VS_с. Процесс коммутации происходит с приходом управляющего импульса на отпирание VS_к. Поступление импульса управления на VS_п происходит одновременно с VS_с.

Пуск схемы связан с подачей управляющего импульса на VS_к , при запертом VS_с. При отпирании VS_К происходит заряд конденсатора по цепи (+Е) - С_к - L_к - VS_к - Z_н – (-Е) до напряжения, близкого к Е полярностью в скобках. Рассмотрим процессы, протекающие в схеме в установившемся режиме.

К моменту t₁, С_к заряжен до U(0) с полярностью в скобках и к тиристору VS_с приложено напряжение Е в прямом направлении. U_н=0, ток нагрузки проводит диод VD₀. К параллельно включенным VS_к и VS_п прикладывается напряжение равное U(0)-Е, для VS_п в прямом направлении, для VS_к – в обратном.

В момент t₁ отпирается VS_с . К нагрузке прикладывается напряжение Е, VD₀ запирается. Через нагрузку протекает ток от источника питания. В связи с отпиранием в тот же момент VS_п, создается контур (+С_к) - VS_с - VS_п - L_к – (-С_к) для перезаряда конденсатора. К концу перезаряда С_к, полярность без скобок, к VS_п прикладывается обратное напряжение и он запирается. Для запирания VS_с в момент t₃ открывается VS_к. На интервале t₃-t₄ происходит уменьшение до нуля тока силового тиристора. На интервале t₄-t₅ к VS_с прикладывается обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD от протекания через него тока . В момент t₅ , ток через VD равен нулю и он закрывается. Полярность С_к в скобках, а величина превышает Е. Поэтому открывается VD₀ , образуя цепь замыкания тока i_н, напряжение U_н=0, к тиристору VS_с прикладывается напряжение Е в прямом направлении. При запирании VD и отпирании VD₀ процесс перезаряда конденсатора С_к завершается по контуру Е - С_к - L_к - VS_к - VD₀-Е. (интервал t₅-t₆). При этом ток диода VD₀ равен . Завершающий этап обуславливается отдачей энергии, накопленной в L_к в цепь источника питания и конденсатор. Он характеризуется уменьшением i_с до нуля и дозарядом С_к. После спадания i_с до нуля VS_к запирается обратным напряжением U(0)-E. Пауза t_п в кривой выходного напряжения продолжается до прихода в момент t₇ импульса управления на отпирание тиристоров VS_с и VS_п . Из анализа процессов в преобразователе видно, что уменьшения выходного напряжения до нуля происходит не в момент отпирания VS_к , а спустя время t_с, в течение которого ток нагрузки протекает через VS_с и VD. Это вызывает как бы дополнительного импульса в кривой U_н на интервале t_с (заштрихованная площадка).

Для схемы преобразователя представляет интерес нахождения напряжения U(0) которое используется при расчете С_к, L_к и определяет выбор VS_к и VS_п по напряжению. Напряжение U(0) является одним из основных параметров установившегося режима перезаряда конденсатора. Для оценки параметров установившегося режима процессы колебательного перезаряда конденсатора в КУ удобно рассматривать на фазовой плоскости в координатах Z_ci_c, U_c, где

- характеристическое сопротивление контура перезаряда, составленного из элементов С_к, и L_к. Ток i_с и напряжение U_с при колебательном процессе сдвинуты по фазе на 90°. Достоинством метода фазовой плоскости является его наглядность и компактность при рассмотрении большого числа циклов перезаряда.

Процессы, протекающие в КУ при перезарядах конденсатора начнем рассматривать с этапа пуска, когда после отпирания VS_к конденсатор С_к оказывается заряженным до напряжения Е (в скобках) – т.1 на диаграмме рисунок 4.7. При открывании VS_с и VS_п в контуре С_к - VS_с - VS_п - L_к происходит процесс подготовительного перезаряда конденсатора. Без учета потерь энергии в контуре перезаряда процесс на фазовой плоскости будет описываться дугой окружности с радиусом Е. Ордината т.2 определяет амплитуду перезарядного тока . К концу перезаряда, напряжение на конденсаторе равно (-Е).

Траектория 3-4-..-8 характеризует перезарядный процесс, сопровождающий коммутацию силового тиристора. На участке 3-4 и ток i_c протекает через VS_с во встречном направлении. Участок 4-6 соответствует протеканию тока i_c через VD и приложению к VS_с обратного напряжения. Угол между т. 4-6 характеризует Θ – угол запирания тиристора. При достижении т. 6 U_с<Е и к VD₀ приложено обратное напряжение Е- U_с. При закрытых диодах путь продолжающегося перезаряда конденсатора проходит через нагрузку по цепи Е - С_к - L_к - VS_к – Z_н . поскольку индуктивность нагрузки велика (L_н >> L_к ), ток i _н на этом интервале практически не меняется , т.е. после т.6 конденсатор перезаряжается постоянным током I(0). Этому этапу соответствует отрезок 6-7. При достижении конденсатором напряжения Е , т. 7, отпирается диод VD₀ и ток i _н переходит в цепь диода.

Дуга окружности 7-8 характеризует завершающий этап перезаряда конденсатора по контуру С_к - L_к - VS_к – VD₀ – Е. Поскольку в контур перезаряда входит источник питания Е с полярностью напряжения, встречной протеканию тока i_c, центр дуги окружности 7-8 расположен в т. 1. Напряжение на С_к при завершении первого такта перезаряда т. 8 равно , т.е. больше, чем в начале т. 1.

Очередной цикл перезаряда наступает спустя время паузы t_п в момент отпирания VS_с и VS_п . Участок 8-9 подготовительный перезаряд. При отпирании VS_к происходит рабочий перезаряд С_к, сопровождающийся запиранием силового тиристора - участок 9-10-11-12. В этом цикле участок перезаряда, соответствующий отсутствует, так как к моменту запирания VD, т. 11, напряжение на конденсаторе и при запирании VD сразу же отпирается VD₀.

Последующие циклы протекают аналогично. Без учета потерь энергии в цепях перезаряда, весь процесс имеет вид раскручивающейся спирали, что характеризует наличие в контуре коммутации эффекта последовательного накопления энергии. Он проявляется в повышении напряжения на С_к после каждого цикла перезаряда. Основная причина этого явления – получение конденсатором дополнительной энергии от дросселя L_к на этапе завершения коммутационного процесса (участки 7-8, 11-12).

В реальных условиях процесс перезаряда С_к сопровождается некоторой потерей энергии в активных сопротивлениях соединительных проводов, обмоток коммутирующего дросселя, конденсаторе, тиристорах и диодах. Поэтому после некоторого числа перезаряда конденсатора С_к с момента пуска схемы в коммутационном узле устанавливается баланс энергии, который характеризуется равенством энергии, дополнительно поступающей в конденсатор и энергии рассеиваемой в перезарядных цепях - штриховая кривая на рисунке 4.7. Напряжение U(0) установившегося цикла зависит от тока I(0). На практике . По напряжению U(0) выбирают VS_к и VS_п . VS_с , VD и VD₀ выбирают на напряжении Е.