Моделирование и анализ систем "выходной каскад - исполнительный механизм"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка: 100 сторінок, 60 рисунків, 5 таблиць, 21 джерел. полупроводниковый транзисторный преобразователь электропривод

Об'єктом досліджень є транзисторні та тиристорні каскади з навантаженням у вигляді двигуна постійного струму.

Предметом досліджень є перехідні процеси в системі «вихідний каскад - виконавчий механізм».

Мета роботи - розробка інформаційних і комп'ютерних моделей з метою отримання осцилограм перехідних процесів систем для подальшого аналізу.

У роботі запропоновані інформаційні та комп'ютерні моделі конкретних систем «вихідний каскад - виконавчий механізм», так само проведено ряд досліджень щодо оптимізації контура струму при моделюванні в Simulink.

Розглянуто питання забезпечення охорони праці та безпеки в надзвичайних ситуаціях.

КАСКАД, ПЕРЕХІДНИЙ ПРОЦЕС, КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ, MATLAB SIMULINK, ЄЛЕКТРОПРІВОД, ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНА МОДУЛЯЦІЯ.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов

Введение

1 Анализ литературы и постановка задачи исследования

1.1 Анализ литературы

1.2 Постановка задачи

2 Особенности построения выходных каскадов устройств управления исполнительными механизмами

2.1 Классификация полупроводниковых преобразователей

2.2 Транзисторные преобразователи

2.2.1 Применение силовых полупроводниковых ключей в современных электроприводах

2.2.2 Принципы построения силовых транзисторных ключей

2.3 Принципы построения и управления транзисторным преобразователем для управления двигателем постоянного тока

2.4 Принцип построения и управления автономным инвертором

3 Оптимизация контура тока в simulink

3.1 Расчет параметров регуляторов тока при идеальном источнике тока

3.2 Исследование влияния насыщения регулятора, квантования сигнала токовой обратной связи по уровню и времени

3.3 Исследование влияния реальных свойств преобразователя частоты на статические и динамические контура тока

4 Моделирование и анализ систем «выходной каскад - исполнительный механизм»

4.1 Моделирование транзисторного электропривода

4.2 Результаты моделирования и анализ полученных данных транзисторного электропривода

4.3Моделирование тиристорного электропривода

4.4 Результаты моделирования и анализ полученных данных тиристорного электропривода

5 Охрана труда и безопасность в чрезвычайных ситуациях

5.1 Анализ условий труда в научно исследовательской лаборатории

5.2 Промышленная безопасность в исследовательской лаборатории

5.3 Производственная санитария и гигиена труда в лаборатории

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях

Выводы

Перечень ссылок

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ, СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

IGCT - Integrated Gate Thyristor;

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors;

GCT - Gate Thyristor;

АИ - автономные инверторы;

АИН - автономные инверторы напряжения;

АОП - алгоритм одиночного переключения;

ВП - вторичный пробой;

ГПН - генератор пилообразного напряжения;

ИМ - исполнительный механизм;

МПТ - машина постоянного тока;

НПЧ - непосредственные преобразователи частоты;

РИ - распределитель импульсов;

СС - схема сравнения;

СТ - силового транзистора;

СТК - силовой транзисторный ключ;

УВ - управляемые выпрямители;

ШИП - широтно-импульсные преобразователи;

ВВЕДЕНИЕ

Развитие силовой электроники, интеллектуальных промышленных модулей, современных систем автоматического управления (на базе микропроцессоров, микроконтроллеров, программируемых логических интегральных схемах и т.п.), привело к появления различных вариантов исполнения выходных каскадов и объектов управления. При этом недостаточное внимание уделяется переходным характеристиках самой системы.

Для исследования переходных процессов и динамических характеристик удобнее всего разбить систему на составляющие части:

- устройства управления исполнительным механизмом;

- выходные каскады;

- непосредственно сами исполнительные механизмы.

Каждая часть непосредственно влияет на переходные процессы и динамические характеристики в автоматизированной системе.

С помощью современных компьютерных средств моделирования, можно создавать сложные модели автоматизированных систем, с множеством узлов и элементов. Что в свою очередь позволит получить необходимое представление о системе (в виде показаний осциллографа на которых буду изображены переходные процессы системы). Данные показания помогут сделать детальные выводы о работоспособности и целесообразности системы.

В данной работе, предлагается провести детальное исследование работы выходных каскадов (в различных исполнениях) в тандеме с различными исполнительными механизмами, рассмотреть преимущества и недостатки, составить математические модели и провести компьютерное моделирование рассматриваемой силовой электроники. А так же проанализировать полученные данные.

В качестве среды для компьютерного моделирования, рекомендуется воспользоваться программой Matlab пакетом Simulink. Выбор данного ПО обусловливается тем что в нем уже есть ряд решений которые позволят упростить разработку моделей исследуемых систем.

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ литературы

На данный момент существует широкий спектр печатных изданий посвященных данной теме, однако более передовые исследования в данной области чаще можно встретить в специализированных журналах и на некоторых сайтах в сети интернет, далее будут рассмотрены лучшие издания посвященные данной тематике.

Одним из них является Самосейко В.Ф. «Теоретические основы управления электроприводом». В данной книге рассмотрены математические модели силового канала электропривода: механического, электромеханического, электрического преобразователей, а также основных датчиков, необходимых для построения системы управления электроприводом. Приведены теоретические основы построения систем управления и алгоритмы управления электроприводами с двигателями постоянного тока, синхронными, асинхронными и реактивными [1].

Следующим источником является книга Гульков Г.И., Петренко Ю.Н. «Системы автоматизированного управления электроприводами». В ней изложены теория и практика современных систем автоматизированного управления электроприводами - от релейно-контакторных (простейшие функции управления) до сложных (с применением микропроцессоров и микро ЭВМ). Рассмотрены системы управления с различными типами двигателей: асинхронные, синхронные, постоянного тока, шаговые и вентильные [2].

Еще одним альтернативным источником является Белов М.П., Новиков А.Д. «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов», в котором представлены блочно-модульные принципы построения унифицированных систем автоматизированных электроприводов с программируемыми микроконтроллерами. Рассмотрены принципы построения систем управления механизмами, агрегатами и комплексами на базе автоматизированных электроприводов и компьютерных средств автоматизации. Приведены примеры построения компьютерных систем управления многодвигательными электроприводами машин и агрегатов типовых групп технологического и транспортного оборудования, а также автоматизированных технологических комплексов базовых отраслей промышленности [3].

Важным источником для детального понимания и исследования вопроса является книга Подкучаева В.А. «Аналитические методы теории автоматического управления». Данный источник посвящен проблемам анализа и синтеза современных систем автоматического правления. Получено решение задач анализа и синтеза в явном виде (в аналитической форме) без использования каких-либо итерационных или поисковых процедур. Книга очень полезна для разработчиков систем автоматического управления [4].

Еще одна полезная книга Онищенко Г. Б. «Электрический привод». В ней излагаются общие представления об автоматизированном электроприводе, его месте и роли в современном машинном производстве, сведения о составе и принципах построения электроприводов, свойствах и характеристиках электроприводов с двигателями постоянного и переменного тока, принципах управления электроприводами, об элементной базе и современных системах регулируемого электропривода, приводятся общие подходы к выбору и проектированию электроприводов [5].

Довольно интересный материал представлен в книге Соколовский Г. Г. «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием». В источнике приведено математическое описания следующих технических систем:

а) электропривода с асинхронным двигателем и разомкнутой системой управления;

б) электроприводов с синхронными и вентильно-индукторными двигателями;

в) преобразователей частоты в системе частотного регулирования скорости электропривода переменного тока.

Электроприводы с вентильными двигателями на основе синхронных машин с постоянными магнитами. Принципы регулирования скорости электроприводов переменного тока изменением частоты вращения на статоре. Кроме математических моделей приведены примеры расчетов в приводах переменного тока [6].

Все выше перечисленные книги относятся непосредственно к теме синтеза, построения автоматизированных систем управления как двигателями так и другими исполнительными механизмами. Однако не стоит забывать о том что для проведения исследований в данной области необходимо составить модели в среде Matlab Simulink а для этого требуется специальная литература. Одним из таких источников является книга Ануфриев И.Е. «MATLAB7». Данный источник посвящен применению пакета MATLAB и его расширений (Toolbox) для решения различных математических задач, задач математической физики, обработки данных и ряда других задач. Подробно рассмотрена работа с различными математическими функциями [7].

Еще одним источником в работе c MatLab является Герман-Галкин С. Г. «Компьютерное моделирование полупроводниковых схем». В данной книге рассматриваются вопросы практического использования MatLab для задач по проектированию полупроводниковых систем электропривода. Очень детально рассматриваются такие вопросы как: основы электропривода, моделирование систем в пакете Simulink, силовые полупроводниковые преобразователи, электроприводы постоянного тока, электроприводы переменного тока [8].

Примеры практической реализации моделей в пакете MatLab Simulik приведены в книге Терёхина В.В. «Основы моделирования в MATLAB Часть 2». В данном источнике детально разобран каждый элемент библиотеки Simulink, приведены примеры работы с ними. Очень детально описаны принципы создания моделей в пакете Simulink [9].

Следует также уделить внимание некоторым тонкостям при моделировании систем с электроприводами. В данном вопросе будет весьма актуален источник Терёхин В.Б. «Моделирование систем электропривода в SIMULINK». В данном источнике излагаются принципы моделирования различных элементов систем электропривода постоянного и переменного тока в Simulink. Рассматриваются особенности моделирования сложных автоматизированных систем электропривода с учетом нелинейностей и различного рода возмущающих факторов. Приводятся результаты исследования наиболее типичных и важных режимов его работы. Даются рекомендации о технике моделирования [10].

Кроме того, много полезной информации можно найти в специализированных журналах. «SEW-EURODRIVE» в издании можно найти информацию по сравнению наиболее распространенных систем приводов, довольно тщательно расписаны преимущества и недостатки конкретных систем, предложены некоторые конструктивные решения по обработке и использовании сигналов, по структурам регуляторов (скорости, тока, положения). Выдвинуты примечания по применению приводов в промышленности такие как: требования к сети, указания для двигателей, укладка кабелей, электромагнитная совместимость, интерфейсы внешнего управления и д.р. [11]. Очень полезное издательство «Техническая коллекция Schneider Electric» в выпуске 38 (устройства плавного пуска и преобразователей частоты) можно найти ряд рекомендаций и решений по плавному пуску электродвигателей, приведены сравнительные характеристики различных видов управления электродвигателями [12].

1.2 Постановка задачи

Целью данной работы является дальнейшее развитие теории и практики построения выходных каскадов в системе «выходной каскад - исполнительный механизм» и разработка на этой основе рекомендаций по созданию моделей и систем с электроприводами постоянного тока.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

а) исследование электромагнитных процессов в тиристорных и транзисторных преобразователях;

б) определение алгоритма работы системы управления двигателем на тиристорах и транзисторах (с различными нагрузками и управляющими напряжениями);

в) электронное моделирование систем управления на тиристорах и транзисторах для уточнения теоретических результатов исследования;

г) разработка рекомендаций по областям применения таких систем управления.

Объектом исследования является транзисторные и тиристорные каскады с нагрузкой в виде двигателя постоянного тока.

Предметом исследований являются переходные процессы в системе «выходной каскад - исполнительный механизм».

2 ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ

2.1 Классификация полупроводниковых преобразователей

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах электропривода выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между двигателем и основным источником питания. По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы:

а) широтно-импульсные преобразователи (ШИП), связывающие источник постоянного тока с двигателем постоянного тока;

б) управляемые выпрямители (УВ), связывающие источник переменного тока с двигателем постоянного тока, частным случаем управляемого выпрямителя является выпрямитель неуправляемый (В);

в) автономные инверторы (АИ), связывающие источник постоянного тока с двигателем переменного тока;

г) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), связывающие источник переменного тока с двигателем переменного тока.

Функциональные схемы базовых преобразователей показаны на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональные схемы базовых полупроводниковых преобразователей

Здесь следует заметить, что постоянные напряжения ( f = 0 ) характеризуются средними значениями U_1cp, U_2cp, а переменные ( f ? 0 ) - действующими значениями (U₁ ,U₂).

Широтно-импульсный преобразователь преобразует постоянное напряжение питания ( U_1cp=const, f₁=0) в постоянное регулируемое напряжение на выходе (U_2cp= var, f₂=0).

Управляемый выпрямитель преобразует переменное, обычное синусоидальное напряжение частоты f₁=50 Гц постоянного действующего значения (обычно 220 В), в постоянное регулируемое напряжение на выходе (U_2cp= var, f₂=0).

Автономный инвертор преобразует постоянное напряжение питания (U_1cp=const, f₁=0) в переменное напряжение на выде с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U₂= var, f₂=var).

Непосредственный преобразователь частоты преобразует переменное, обычно синусоидальное, напряжение частоты f₁=50 Гц постоянного действующего значения (обычно 220 В) в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой (U₂= var, f₂=var).

Возможные варианты применения базовых силовых преобразователей в электроприводах постоянного и переменного тока показаны на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 - Базовые способы построения электроприводов постоянного и переменного тока

В электроприводах постоянного тока исполнительным двигателем является двигатель постоянного тока. При питании от источника постоянного тока (аккумулятор, солнечная батарея, генератор постоянного тока) в качестве силового преобразователя используется ШИП, если источником питания является сеть переменного тока то может быть применен УВ, либо сочетание В+ШИП (рис. 2.2).

В электроприводах переменного тока исполнительным двигателем является машина переменного тока. В этом случае при питании от источника постоянного тока применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, либо сочетания УВ+АИ либо В+АИ.

Следует отметить, что для управления двигателями постоянного тока необходимо регулировать только напряжение, а для управления двигателями переменного тока - напряжение и частоту.

2.2 Транзисторные преобразователи

Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного и переменного тока должны характеризоваться следующими основными свойствами:

а) двусторонней проводимостью энергии между источником питания и исполнительным двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, для обеспечения его работы во всех квадрантах механической характеристики;

б) малым и независящим от тока выходным сопротивлением для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и динамических характеристик электропривода в целом;

в) жесткой внешней характеристикой и малой инерционностью, высоким КПД, достаточной перегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода;

г) высокой помехозащищенностью и надежностью;

д) малой массой и габаритами;

е) отсутствием влияния на сеть.

Основным назначением полупроводникового преобразователя является регулирование скорости исполнительного двигателя электропривода. В электроприводах постоянного тока это достигается регулированием напряжения на выходе преобразователя. В приводах переменного тока необходимо регулировать напряжение и частоту на выходе преобразователя по определенному закону.

Перечисленным основным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют транзисторные преобразователи, работающие в режиме переключения и питающиеся от источника постоянного напряжения. Такие преобразователи в электроприводах постоянного тока получили названия широтно-импульсных (ШИП). В электроприводах переменного тока такие преобразователи названы автономными инверторами напряжения (АИН).

2.2.1 Применение силовых полупроводниковых ключей в современных электроприводах

В настоящее время основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50А являются диоды (Dioded): тиристоры (Thyristos, SCR); биполярные транзисторы (BPT); биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT); полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET); силовые интегральные схемы (Power IC); интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).

В области коммутируемых токов более 50А основными приборами силовой электроники являются: силовые модуле на базе биполярных транзисторов; силовые модули на базе IGBT; тиристоры; запираемые тиристоры (GTO); диоды.

Самую значительную часть приборов в диапазоне до 50 А составляют полевые транзисторы с изолированным затвором - транзисторы MOSFET.

Эти приборы, обладая малыми статическими и динамическими потерями с минимальными затратами на управление, крайне небольшими временами переключения, что позволило им работать на частотах до 1 МГц, практически полностью вытеснили из низковольтных преобразовательных устройств ( менее 200 В) все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. Прорыв, совершенный фирмой Siemens в области создания высоковольтных MOSFET с удаленным сопротивлением около 3 Ом.мм², еще больше расширит область применения приборов этого класса в областях коммутируемых напряжений 600-1000 в и мощностей до 10 кВт и позволит вытеснить из этих областей применения силовые биполярные транзисторы.

Силовые биполярные транзисторы в диапазоне до 50 А находят применение в основном в массовом и дешёвом бытовом и промышленном оборудовании.

В областях средних напряжений (500-600 В и выше) наиболее предпочтительным для применения являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors). Появление этого прибора повлекло за собой столь радикальные изменения в силовой электронике, что можно говорить о второй революции, переживаемой этим научно-техническим направлением.

В настоящее время IGBT обеспечивают коммутацию токов до 1800 А и напряжений до 4,5 кВ. При этом времена переключения биполярных транзисторов с изолированным затвором лежат в диапазоне 200-400 нсек. Появление в последние годы IGBT с напряжением более 1,2 кВ (4,5 кВ) привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) в устройствах мощностью до 1 МВт и до 3,5кВ.

Сами GTO в последние годы были модернизированы (ABB Mitsubisi) и появился новый класс приборов - тиристор, коммутируемы по затвору ( GCT - Gate Thyristor или IGCT - Integrated Gate Thyristor).

Биполярные транзисторы (BPT). Из-за сложной и большой стоимости схем управления (драйверов), низкого быстродействия и стойкости к перегрузкам на сегодня они уже устарели: Однако, быстродействующие BPT пока имеют важное преимущество перед MOSFET по показателю «коммутирующая мощность/цена» для диапазона напряжений более 400 В. Поэтому биполярные силовые транзисторы останутся эффективным компонентом для дешевых массовых применений (например, ключевые источники питания - SMPS).

Тиристоры (SCR). Несмотря на такие очевидные достоинства, как низкое падение напряжения (1,2 - 1,5 В для среднего диапазона напряжений и немногим более для высоковольтного диапазона), высокая плотность тока, наивысшее значение показателя «коммутируемая мощность/площадь кремния», высокие коммутируемые напряжения (сегодня 8кВ) и токи (4 кА), простота и низкая стоимость схем управления, стойкость к перегрузкам по току, высокая надежность прижимной таблеточной конструкции - этот класс приборов силовой электроники сегодня можно отнести к устаревшим из-за одного существенного недостатка - невозможности выключения по управляющему электроду. Этот прибор все больше и больше будет вытесняться полностью управляемыми приборами: IGBT и IGCT. Так как SCR имеет все же наивысшее значения показателя «коммутируемая мощность/цена», то две области применения останутся предпочтительными для их применения:

а) бытовые приборы, где цена является определяющим фактором;

б) сверхмощные и сверхсильноточные применения в преобразователях с естественной коммутацией (высоковольтные линии передач постоянного тока, компенсаторы реактивной мощности, выпрямители для гальваники, металлургии и т. п.).

Улучшение характеристик и развитие SCR будет связано с объединением некоторых вспомогательных функций высоковольтном тиристоре (подобно защите от перенапряжений), созданием интегральных двух-, четырёх- и шестиключевых тиристорных схем на одном кристалле.

Запираемые тиристоры (GTO, IGCT). Модернизация GTO за счет применения новых технологий, позволит в IGCT повысить быстродействие, значительно сократить статические и динамические потери. Поэтому в высоковольтных (более 3,5 кВ) областях доминирующее положение займут IGCT.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Имея все преимущества по высоким скоростям коммутации, низки статическим и динамическим потерям, малой мощности управления, высокой стойкости к перегрузкам (прямоугольная ОБР), MOSFET являются и будут главным компонентом для низковольтных применений и использования в «интеллектуальных» силовых интегральных схемах (Smart IC). Использование и внедрение новых технологий (trench-gate, Cool) позволит еще больше расширить области MOSFET в дискретном, модульном и интегральном исполнении для диапазона мощностей в десятки киловатт.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). На сегодняшний день и в ближайшем будущем этот класс приборов силовой электроники занимает и будет занимать доминирующее положение для диапазона мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее развитие IGBT будит идти в следующем направлении:

а) повышения диапазона предельных коммутируемых токов и напряжений (единицы килоампер, 5-7 кВ);

б) повышение быстродействия;

в) повышение стойкости к перегрузкам и аварийным режимам;

г) снижения прямого падения напряжения;

е) разработка новых структур с плотностями токов, приближающихся к тиристорным;

ж) развитие «интеллектуальных» IGBT (с встроенными функциями диагностики и защит) и модулей на их основе;

з) создание новых высоконадежных корпусов, в том числе прижимной конструкции.

Системная интеграция, т.е. объединение в одном устройстве силовых коммутационных элементов с элементами управления, диагностики и защит, является одним из путей развития силовой электроники.

Таким образом для создания современного, надежного, высоко эффективного энерго ресурсосберегаемого полупроводникового электропривода, имеется несколько типов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения. Наиболее перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ват до единиц мегаватт.

2.2.2 Принципы построения силовых транзисторных ключей

Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементом преобразователя, который управляет процессами преобразования энергии. Специфика протекания этих процессов требует более детального рассмотрения принципов работы СТК и его элементной базы для обеспечения надежности электропривода в целом. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. Заметим, что ШИП содержит два таких плеча, а АИН - три. Поэтому специфика работы транзисторов в такой схеме остается одной и той же, как в приводах постоянного так и в приводах переменного тока. На рис. 2.3 представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы, протекающие в нем при включении и выключении транзистора.



Рисунок 2.3 - Динамические процессы переключения СТК

Классическая теория динамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работе плеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два при выключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления диода в фазе высокой обратной проводимости (t1 на рис. 2.3) и этап установления стационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t2 на рис 2.3). На первом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительный ток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжение на транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболее опасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального при одновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзистора выделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силового высоковольтного транзистора (t3 на рис. 2.3) и этап спада тока коллектора силового транзистора и включения диода (t4 на рис. 2.3). На всех отмеченных интервалах коммутации в транзисторе и диоде выделяется значительная мощность. Эту мощность, которая определяет динамические потери в преобразователе, необходимо уметь определять для того что иметь возможность уверенно судить о надежности работы последнего.

Кроме необходимости расчета мощности динамических потерь имеет еще ряд факторов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании преобразователя.

Технология изготовления силовых транзисторов до сих порт требует применения специальных мер для обеспечения надежной работы СТК. При этом обычно приходится решать задачи, связанные как с уменьшением статических и динамических потерь в СТК, так и обеспечением области безопасной работы (ОБР) силового транзистора.

При построении высоковольтных СТК основным требованием является обеспечение траектории переключения силового транзистора в области безопасной работы. Известно, что основной причиной выхода из строя транзистора является вторичный пробой (ВП), возникающий при включении и выключении СТК.

Типовым ОБР силового транзистора (СТ), построенная в логарифмическом масштабе, изображена на рис. 2.4. Эта ОБР имеет четыре границы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ.

Рисунок 2.4 - Область безопасной работы силового транзистора

Граница 1 соответствует максимальному току коллектора в режиме насыщения. Пробой транзистора на границах 1 и 2 соответствует электрическим режимам, при которых температура структуры транзистора достигает предельно допустимого значения.

Граница 3 ОБР соответствует наступлению в приборе вторичного пробоя (ВП). Под ВП подразумевается локальный саморазогрев структуры, приводящий к проплавлению перехода транзистора. Области локального саморазогрева получили названия «горячих пятен».

При ВП однородное распределение тока через транзистор сменяется неоднородным. При этом возникает положительная обратная связь при которой увеличение локальной плотности тока вызывает увеличение температуры в этой области, которая в свою очередь вызывает еще большее увеличение плотности тока и т.д.

С точки зрения простоты схемной реализации наиболее удобным оказывается критерий, позволяющий определить границу ОБР по резкому возрастанию тока в коллектора. В этом случае СТК включается на 1-2 мкс, по истечении которых определяется ток через силовой транзистор. Если этот ток превышает критическое значение, то поступает команда на выключение силового транзистора, если нет - силовой транзистор остается включенным.

Время развития ВП при изотермическом процессе шнурования тока (в процессе выключения) составляет несколько десятков наносекунд, поэтому практически отсутствует схемная возможность выявить пред пробойное состояние и принять меры к его предотвращению.

Для обеспечения надежной работы силового транзистора при запирании в настоящее время используются в основном три разомкнутых способа управления. Первый сводится к автоматической регулировке управляющего тока с обеспечением заданной начальной форсировки и последующим отслеживанием малой глубины насыщения выходного транзистора. Этот способ наиболее просто реализуется цепью нелинейной диодной обратной связи, охватывающей управляющий транзистор (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Первый вариант схемы защиты силового транзистора

Второй способ, обеспечения форсированное выключение силового транзистора, эффективно реализуется в каскадной схеме соединений высоковольтного и низковольтного транзисторов (рис. 2.6). При этом низковольтный транзистор включен в цепь эмитора высоковольтного транзистора.

Рисунок 2.6 - Второй вариант схемы защиты силового транзистора

На рис. 2.7 приведена схема, в которой реализуются оба рассмотренных способа. Эту схему можно считать самой надежной с точки зрения обеспечения ОБР.

Рисунок 2.7 - Универсальная схема защиты силового транзистора

Наконец, третий способ обеспечения надежной защиты СТК при запирании сводится к использованию цепей формирования траектории выключения.

Примеры выполнения цепей формирования траектории (снаберов) для силовой транзисторной стойки приведены на рис. 2.8. Здесь же приведены траектории переключения силовых транзисторов.

Рисунок 2.8 - Цепи СТК: (а) простоя RC; (б) с шунтирующим диодом; (в) с демпфирующим конденсатором; (г) более эффективная демпфирующая цепь

Простая RC - цепочка (рис. 2.8 а) обычно не устраивает проектировщиков, т.к. допускает значительное превышения напряжения на коллекторе транзистора в процессе запирания.

Типовым решением является схема, приведенная на рис. 2.8 б. Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК в начальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим разрядное сопротивление.

Ограничение коллекторного напряжения при запирании обеспечивается за счет выбора достаточно большой емкости демпфирующего конденсатора.

Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзистора до полного напряжения источника питания, а при следующем включении СТК полностью разряжается через разрядное сопротивление. Последнее обстоятельство обуславливает достаточно большие потери в демпфирующих цепях. Избежать их можно применив схему (рис. 2.8 в), где конденсатор всегда находится под напряжением питания и стабилизирует напряжение на коллекторе, резая коммутационный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность но не исключает полностью возможность возникновения ВП.

Наиболее эффективной является демпфирующая цепочка по схеме рис. 2.8 г. Здесь емкость С1 выбирается достаточно малой, т.к. она формирует фронт выключения СТК, а емкость С2 выбирается достаточно большой в результате ограничиваются одновременно пик коллекторного напряжения, потери в СТК и потери в демпфирующих цепях.

Выбор демпфирующей цепочки зависит от условий работ СТК.

Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо определенное время, в течении которого конденсатор разряжается через СТК, подготавливая условия для последующего его выключения. Отмеченное требование часто не удается реализовать при ШИМ СТК, а именно такая модуляция используется при управлении транзисторным силовым преобразователем в системах электропривода. Поэтому применение демпфирующих цепей может оказаться нерезультативным и следует обратиться к рассмотренным выше способам управления СТК.

Некоторые модификации демпфирующих цепей СТК представлены на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 - Схемы формирования траектории СТК: (а) первая модификация; (б) вторая модификация

На (рис. 2.9 а) разрядный ток демпфирующего конденсатора С1 используется для начальной фосировки тока базы СТК VT2. Это позволит уменьшить время включения СТ и потери при выключении.

В схеме (рис. 2.9 б) реализуется форсированное включение СТК за счет разряда конденсатора по цепи C1-R1-VT1-VT2 и поддержание малой глубины насыщения СТ VT2 за счет цепи VD1, VT1.

2.3 Принципы построения и управления транзисторным преобразователем для управления двигателем постоянного тока

Как уже отмечалось, в этом случае используется широтно-импульсный преобразователь. Упрощенная принципиальная схема ШИП представлена на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 - Транзисторный ШИП

Схема содержит четыре транзисторных ключа ТК1-ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена нагрузка. Нагрузкой в приводах постоянного тока является двигатель постоянного тока. В электроприводах двигатель постоянного тока управляется, как правило, по цепи якоря, поскольку только при таком управлении могут быть получены требуемые качественные показатели привода. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.

Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря - симметричный. При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение U_Я на выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения г₀ = 0,5. Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рисунке 2.10. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока.

Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатком ШИП с симметричным управлением является двухполярное напряжение на нагрузке, и в связи с этим, повышенные пульсации тока в якоре исполнительного двигателя.

Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричный рис. 2.11.

Рисунок 2.11 - Способы управления СТК ШИП: (а) несимметричное управление; (б)поочередное управление

Несимметричное управление представлено на рис. 2.11 а. В этом случае переключаются транзисторные ключи фазной группы ТК3 и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ ТК1 постоянно открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Транзисторные ключи ТКЗ и ТК4 переключаются в противофазе, обеспечивая протекание тока якоря от противо - ЭДС двигателя. При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения одного из нижних по схеме рис. 2.10 транзисторов г₀ = 0.

Недостатком рассмотренного способа управления является то, что верхние по схеме транзисторные ключи (ТК1, ТК3) по току загружены больше, чем нижние. Этот недостаток устранён при поочерёдном управлении, временные диаграммы которого изображены на рис. 2.11 б.

Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, при этом частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Управляющие напряжения транзисторных ключей одной фазы моста ТК1, ТК2 и ТК3, ТК4 постоянно находятся в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения Т. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы u1, u4 длительностью t = (1 + г)T подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (см. рис. 2.9) со сдвигом на полпериода, а управляющие импульсы u2, u3 длительностью t = (1 - г)Т, также со сдвигом на полпериода, подаются на транзисторы противоположной диагонали (ТК2, ТК3). В этом случае на интервале нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1 - г)Т нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный. При поочерёдном управлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью Т, пропорциональной сигналу на входе.

Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП изображена на рис. 2.12. Она содержит генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС), распределитель импульсов (РИ) и усилители (У). Как правило, между усилителями сигнала управления и распределителем включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы). Диаграммы на рис. 2.12 поясняют принцип работы схемы управления ШИП.

Рисунок 2.12 - Функциональная схема управления ШИП

2.4 Принцип построения и управления автономным инвертором

В современных системах электропривода переменного тока практически повсеместно в качестве силовых регуляторов используются транзисторные автономные инверторы. Оконечный каскад трехфазного автономного инвертора содержит шесть транзисторов с обратными диодами. Основные принципы построения, управления и защиты таких схем были изложены выше.

Для управления трёхфазными машинами переменного тока в электроприводе используется схема автономного инвертора (АИН), содержащая шесть транзисторных ключей ТК1-ТК6 (рис. 2.13).

Рисунок 2.13 - Выходной каскад АИН

Статорные обмотки машины при питании от такого инвертора включаются либо по схеме «звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора (например, ТК1, ТК4) вызывает изменение напряжения на всех обмотках двигателя. Это обстоятельство сильно усложняет анализ электромагнитных процессов.

В настоящее время известно большое число различных способов управления силовыми ключами инвертора. Для сравнительной оценки различных схем и способов управления инвертором целесообразно разделить их на ряд групп, положив в основу деления структуру силовой цепи инвертора и регулируемые параметры результирующего пространственного вектора напряжения и тока на выходе инвертора (табл. 2.1). В зависимости от структуры силовой цепи все инверторы подразделяются на два класса: инверторы с постоянной структурой силовой цепи и с переменной структурой силовой цепи.

Таблица 2.1 - Способы управления трехфазным АИН

Структура силовой цепи	Регулируемые параметры результирующего вектора.
	Модуль	Средний модуль	Модуль и средняя фаза	Средний модуль и средняя фаза
Постоянная	Регулирование напряжения в звене постоянного тока при б = 180°	Широтно-импульсное регулирование (ШИР) С тремя силовыми ключами, открытыми в течение импульса и паузы	Регулирование напряжения в звене постоянного тока при ШИМ	Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
Переменная	То же при б = 180°, 150°	То же с одним АОП или двумя АГП	То же с одним АОП или двумя АГП	То же с одним АОП или двумя АГП

В схемах первого класса управляющие сигналы подаются всегда на три силовых ключа, что обусловливает неизменность структуры силовой цепи. В схемах второго класса число ключей, на которые подаются управляющие сигналы, может быть меньше трёх.

Простейшим способом управления транзисторными ключами ТК1-ТК6 инвертора, обеспечивающим неизменность структуры силовой цепи, является способ с б = 180° (рис. 2.14).

Рисунок 2.14 - Алгоритм управления АИН с б = 180°

Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения (в течение периода повторяемости Т_пвт) включены три транзисторных ключа. Последовательность управления ключами следующая: 123, 234, 345, 456, 561, 612.

Простейшими способами управления транзисторными ключами, при которых изменяется структура силовой цепи инвертора, являются способы б = 120° и б = 150°. Последовательность управления транзисторными ключами при б = 120° следующая: 12, 23, 34, 45, 56, 61. При б = 150° транзисторные ключи переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345, 45, 456, 56, 561, 61, 612. Общим недостатком этих способов является необходимость применения управляемого выпрямителя для изменения напряжения на выходе инвертора.

Рассмотрение сложных способов управления удобно осуществить, пользуясь понятием результирующего (пространственного) вектора. Пространственные векторы напряжения и тока на выходе инвертора определяются уравнениями

(2.1)

где , .

Например, при управлении с б = 180 и соединении обмоток машины переменного тока (МПТ) звездой вектор напряжения равен

, (2.2)

где l - номер интервала (целые числа 1, 2, 3, ...);

U_n - напряжения питания инвертора.

Из уравнения (2.2) видно, что пространственный вектор статорного напряжения постоянен на интервале и скачкообразно изменяет фазу при переключении с интервала на интервал. При управлении с б = 180° на периоде выходного напряжения АИН укладываются шесть периодов повторяемости Т_пвт, каждому из которых соответствует определённое сочетание включённых полупроводниковых приборов инвертора и положение пространственного вектора .

На рис. 2. 15 представлены изображающие векторы и для общего случая индуктивно-активной нагрузки. Номера в квадратных скобках соответствуют тем транзисторным ключам, на которые поданы отпирающие сигналы. При этом каждому сочетанию соответствуют определённые положения вектора , помеченные цифрами 1-6.



Рисунок 2.15 - Пространственные векторы напряжения и тока на входе АИН

Годограф вектора тока при этом представляет собой кривую а-б-в-г-д-е. В круглых скобках помечены транзисторные ключи инвертора, которые проводят ток. Так, при включении ТК6, ТК1, ТК2 вектор займёт положение 1, а вектор начнёт перемещаться из положения а в положение б. До пересечения годографа вектора с прямой, отстающей на р/6 вектора , т.е. до точки al, ток проводят ключи ТК6, ТК1 и обратный диод D2 (этот диод входит в состав транзисторного ключа ТК2; аналогично все остальные диоды являются составной частью соответствующих транзисторных ключей), а в момент, соответствующий точке а1, ток в фазной обмотке двигателя С изменяет направление, диод D2 запирается и проводящими становятся ключи ТК6, ТК1, ТК2. Длительность отмеченных двух состояний силовой цепи инвертора зависит от постоянной времени нагрузки , при увеличении которой увеличивается длительность состояния (6, 1, D2); при определённом значении на этом интервале ТК2 не включается.

В целях более подробной классификации схем используем следующие величины:

а) модуль результирующего вектора

б) средний модуль результирующего вектора

где - относительная длительность состояния, при котором обмотки машины переменного тока присоединены к источнику;

- относительная длительность состояния, при которой обмотки закорочены через анодные или катодные транзисторные ключи;

Т₀ - период напряжения несущей частоты на выходе инвертора. В частном случае, при регулировании на основной частоте период равен периоду повторяемости.

в) фаза результирующего вектора

(2.3)

г) средняя фаза результирующего вектора

(2.4)

Понятие «средняя фаза» требует дополнительного разъяснения.

Изменение средней фазы результирующего вектора достигается за счёт многократных переключений двух ключей одной фазы, например ТК3, ТК6, в течение периода повторяемости Т_пвт. При этом результирующий вектор напряжения перемещается между двумя соседними фиксированными положениями. Из этих двух фиксированных положении вектора , отстоящих друг от друга на рад, путём его многократных перемещений из одного положения в другое и обратно на основе принципа геометрического суммирования может быть получено любое промежуточное положение за счёт изменения времени нахождения вектора в одном и в другом положении. Фазовый сдвиг между промежуточным и исходным положением вектора представляет собой среднюю фазу.

С точки зрения поведения результирующего вектора все способы управления инвертором можно разделить на четыре группы (табл. 2.1):

- регулирование модуля результирующего вектора, к этой группе относятся АИН с регулированием напряжения на входе и тремя рассмотренными способами управления (б = 120°, 150°, 180°);

- регулирование среднего модуля результирующего вектора, к этой группе относятся схемы с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения на основной и несущей частоте;

- регулирование модуля и средней фазы результирующего вектора, к этой группе относятся схемы с регулированием напряжения на входе инвертора и специальным управлением, улучшающим гармонический состав выходного напряжения;

- регулирование среднего модуля и средней фазы результирующего вектора, по существу, это схемы с широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному, треугольному и другим законам, позволяющим улучшить гармонический состав выходного напряжения.

В дальнейшем в соответствии с табл. 2.1 все инверторы будим обозначать цифрами, первая из которых будет соответствовать классу, а вторая - группе схемы.

К типу 1-1 [5] относятся АИН с б = 180° и регулирование напряжения на входе. Свойства этих схем достаточно подробно описаны в литературе [5].

К типу 2-1 [5] относятся инверторы с б = 120°,150° и регулированием напряжения на входе. При этих способах управления в схеме выходного каскада образуются ветви, замыкающиеся только через диоды обратного моста, обладающие односторонней проводимостью. Структура выходной цепи такого инвертора будет зависеть от направления тока в этих ветвях. В свою очередь момент изменения тока в той или иной ветви схемы зависит от характера нагрузки. Поэтому форма выходного напряжения при б = 120° также зависит от характера нагрузки. При б = 120° структура силовой цепи остаётся неизменной, если форма напряжения на обмотке двигателя в этом случае аналогична форме с б = 180°, а результирующий вектор напряжения описывается выражением (2.2).

Ко второй группе относятся инверторы с ШИР [5] на основной и несущей частоте. Рассмотрим наиболее простой способ управления при ШИР на основной частоте. Эпюры напряжений на входе ключей ТК1-ТК6 (рис. 2.13) напряжения на выходе АИН представлены на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 - Управление АИН при ШИР на основной частоте

В течение каждого периода повторяемости Т_ПВТ для подключения нагрузки к источнику питания отпираются три транзисторных ключа (например, ТК1, ТК2, ТК3); для отключения нагрузки от источника один из них запирается. Причём запирается тот ключ, который позволяет отключит всю группу анодных или катодных силовых ключей. Так для отключения нагрузки при отпертых ключа ТК1, ТК2, ТК3, запирается ключ ТК2, а при отпертых ключах ТК2, ТК3, ТК4 - ключ ТК3 и т.д. Такой способ управления назевается алгоритмом одиночного переключения (АОП).

Широтно-импульсное регулирование напряжения на выходе АИН на основной частоте и АОП осуществляется изменением относительной продолжительности включения нагрузки в цепь источника питания. Имеется и другая возможность ШИР на основной частоте, когда в паузе между импульсами запираются два силовых ключа одной группы (алгоритм группового переключения АГП). Здесь при отпертых ТК1, ТК2, ТК3 для создания паузы в напряжении на нагрузке запираются ТК1 и ТК3.

При алгоритме группового переключения создаётся пауза в напряжении на нагрузке, если к моменту запирания двух транзисторных ключей одной группы ток изменит знак. Это имеет место при малых постоянных времени нагрузки . Если значение велико и к рассматриваемому моменту ток знака не изменит, то паузу в выходном напряжении сформировать не удаётся.

Согласно рис. 2.15, нетрудно показать, что регулирование напряжения на выходе АИН, возможно пока мгновенная разность фаз между изображающими векторами . Алгоритм одиночного переключения способен формировать паузу в выходном напряжении инвертора при любых значениях , однако в системах электропривода при переходе асинхронного двигателя в генераторный режим с рекуперацией энергии в источник питания, АГП, ни АОП не формирует паузу в выходном напряжении, поэтому преимущества АОП проявляются лишь в режимах потребления энергии асинхронным двигателем.

...