ИППН с последовательной коммутацией.

Коммутирующий конденсатор расположен в диагонали моста, образованного из четырех коммутирующих тиристоров VS1-VS4. Для коммутации силового тиристора VS_с отпирают по 2 коммутирующих накрест лежащих тиристора VS1 и VS2, VS3 и VS4. При полярности С_к без скобок для запирания VS_с отпирают VS1 и VS2, при полярности в скобках VS3 и VS4. Такая последовательность отпирания тиристоров позволят исключить подготовительные перезаряды С_к. В контур коммутации входит источник питания Е, дроссель L_к, конденсатор С_к и открытые тиристоры VS1 и VS2 либо VS3 и VS4.

Рассмотрим фазовый портрет перезаряда конденсатора. Пуск схемы производится отпиранием одной пары коммутирующих тиристоров, например VS3 и VS4 при запертом VS_с. В контуре Е - L_к - VS4 - С_к - VS3 происходит заряд конденсатора от источника питания Е – участок 0-1 (рисунок 4.15). Без учета потерь энергии в цепи заряда, конденсатор зарядится до напряжения (-2Е) с полярностью без скобок. Затем последовательность импульсов, поступающих от системы управления, подчиняется режиму работы преобразователя при регулировании выходного напряжения. Вначале отпирается VS_с и протекает ток в нагрузке. Затем, спустя необходимое время длительности импульса t_и отпирают тиристоры VS1 и VS2, создающие аналогичный контур перезаряда конденсатора Е - L_к – VS2 - С_к – VS1 с тем отличием, что перед их отпиранием ток дросселя равен I(0), а конденсатор заряжен до напряжения 2Е полярностью, встречной напряжению питания. Кроме того при отпирании VS1 и VS2, конденсатор С_к подключается через VD₀ к тиристору VS_с, обратной для него полярностью. Ток через VS_с быстро спадает до нуля и к нему прикладывается запирающее напряжение. Ток нагрузки замыкается через обратный диод VD₀ . Запертый тиристор VS_с отделяет коммутационный узел от нагрузки. Ток дросселя L_к переходит из цепи тиристора в цепь конденсатора. Этим вызван тот факт, что при перезаряде начальный ток конденсатора равен I(0). Начальные условия перезаряда на фазовой плоскости характеризуются т.2.

Перезаряд С_к происходит при наличии в контуре источника питания Е и поэтому описывается на фазовой плоскости дугой окружности 2-3 с центром в т.(+Е;0). В т.3 ток i_с=0 конденсатор заряжен полярностью в скобках. К тиристорам VS1 и VS2 прикладывается обратное напряжение и они запираются. Очередной процесс коммутации при отпирании VS3 и VS4 – участок 3-4-5, а так же последующие процессы протекают аналогично.

Т.о. напряжение на конденсаторе при каждом такте его перезаряда повышается и без учета потерь энергии фазовая траектория имеет вид раскручивающейся спирали, причем эффект последовательного накопления энергии в конденсаторе проявляется здесь намного сильнее, чем в предыдущих схемах. Это связано с поступлением энергии в конденсатор в процессе его перезаряда от источника питания и с передачей в конденсатор энергии, накопленной в дросселе перед коммутацией. Установившемуся режиму, который характеризуется равенством энергии, получаемой и теряемой в коммутационном узле, соответствует напряжение на конденсаторе . Поэтому рассмотренная схема без дополнительных мер по отводу избыточной энергии от коммутационного узла на практике не приемлема.

Задачу решают введением в схему цепи сброса, показанной пунктиром и состоящей из дополнительной обмотки дросселя W_с и диода VD_с. Число витков обмотки сброса W_с больше числа витков основной обмотки . Рассмотрим временные диаграммы, поясняющие принцип действия цепи сброса (рисунок 4.16). В момент t₁ открываются коммутирующие тиристоры, например, VS1 и VS2 и начинается перезаряд конденсатора. Как мы уже выяснили ток конденсатора i_с будет нарастать не от нуля, а от величины I(0). Если бы в схеме отсутствовала цепь сброса, то после времени t₃ напряжению U_с и току i_с соответствовали кривые, показанные пунктиром.

Полярность на обмотках L_к для интервала t₁ – t₂ показана в скобках . Диод VD_с закрыт и на этом интервале цепь сброса не оказывает влияния на процесс перезаряда С_к . Напряжение на обмотке W_с в n-раз превышает напряжение U_L0 основной обмотки W₀ и к диоду VD_с приложено обратное напряжение . В момент t₂ полярность напряжения на обмотках меняется, что характеризует отдачу энергии, накопленной в дросселе L_к в конденсатор С_к . В момент t₃ напряжение на W_с равно Е и противоположно по знаку. Диод VD_с открывается. На обмотке W₀ при этом напряжение . С отпиранием VD_с создается цепь отдачи энергии дросселя в цепь источника питания и поступление энергии в конденсатор прекращается. Без учета активного сопротивления и индуктивности дросселя такой переход можно считать достаточно быстрым. На этапе отдачи энергии в цепь источника питания напряжение на его обмотках не меняется. , . Процесс сброса энергии заканчивается при токе i_сбр= 0 в момент времени t₅ . U_с достигнув в момент t₃ значения остается далее неизменным. Аналогично влияние цепи сброса на последующие процессы перезаряда С_к. Напряжение обоих полярностей фиксируется на уровне . На практике за счет активных сопротивлений и индуктивностей рассеяния в обмотках дросселя U_с получается несколько выше.

На фазовой плоскости процесс перезаряда будет выглядеть следующим образом (рисунок 4. 17). Изменение напряжения на конденсаторе ограничено с обеих сторон значением U₀, поэтому кривая, характеризующая установившийся режим симметрична относительно оси абсцисс. Участки 1-2, 4-5, 7-2 отражают прекращение роста напряжения на конденсаторе при вступлении в работу цепи сброса. Увеличение коэффициента трансформации n дросселя позволяет уменьшить U(0) и напряжение на тиристорах, однако, при этом возрастает обратное напряжении на диоде VD_с. Как правило n=1,5-3, что соответствует и обратному напряжению на VD_с (5-8)Е.

Схемы ИППН с последовательной коммутацией находят меньшее применение на практике, чем схемы с параллельной коммутацией. Это обуславливается более сильным проявлением эффекта последовательного накопления энергии и необходимостью введения для его устранения специальных цепей отвода избыточной энергии от коммутационных узлов, усложняющих схему преобразователя. Кроме того, ИППН с последовательной коммутацией требуют обычно применения большего числа вспомогательных тиристоров.