Электроника и микросхемотехника

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

1.1 Двигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока (ДПТ) первыми начали применяться в промышленности при переходе от пара к электричеству. Работа ДПТ основана на взаимодействии проводника, по которому протекает электрический ток с магнитным полем. Роль проводника (витка) в двигателе выполняет обмотка якоря, расположенная на роторе, который вращается. Магнитное поле, являющееся полем возбуждения, создается индуктором, расположенным обычно на неподвижной части машины - статоре.

ДПТ классифицируют по типу возбуждения и конструкции якоря. По типу возбуждения бывают электромагнитного (с помощью обмотки возбуждения) магнитоэлектрического (с помощью постоянного магнита) возбуждения. Двигатели электромагнитного возбуждения подразделяются по способу подключения обмотки возбуждения (ОВ) по отношению к обмотке якоря (ОЯ) на двигатели независимого (рис. 1,а), параллельного (рис. 1,б), последовательного (рис. 1,в) и смешанного, если обмотка возбуждения состоит из двух частей, (рис. 1,г) возбуждения.

Рис. 1. Способы подключения ОВ

В качестве исполнительных двигателей постоянного тока в системах управления чаще всего используют двигатели независимого и магнитоэлектрического возбуждения. Реже применяют двигатели последовательного возбуждения. Ниже будут рассматриваться в основном ДПТ независимого и магнитоэлектрического возбуждения и их статические характеристики: механические и регулировочные (при анализе переходных процессов при разгоне и торможении рассматривают ещё и динамические характеристики).

Механическими характеристиками называют зависимости угловой скорости Щдв от вращающего момента Мдв двигателя при постоянном значении напряжения Uдв на его обмотке якоря, т.е. зависимости

Щдв= ѓ(Mдв) при Uдв - const.

ток двигатель драйвер

Регулировочными характеристиками называют зависимости угловой скорости Щдв от напряжения на обмотке якоря ДПТ при постоянном значении вращающего момента Mдв или статического момента сопротивления нагрузки Mс.н.с. (так как в статическом режиме Mдв равен моменту сопротивления нагрузки), т.е.

Щдв= ѓ(Uдв) при Mдв - const.

Электрическая схема ДПТ в статическом режиме представлена на рис.2.

Рис. 2. Электрическая схема ДПТ в статическом режиме

Напряжение CeЩдв (противо-ЭДС) возникает в цепи якоря двигателя вследствии того, что в витках якоря наводится напряжение при его вращении, и его полярность противоположна приложенному напряжению Uдв.

Для идеализированного двигателя справедливо (рис. 2)

Uдв = Iя·Rя + Ce·Щдв , (1)

где Rя - активное сопротивление обмотки якоря, Ce - коэффициент противо-ЭДС двигателя, зависящий от конструктивных параметров и магнитного потока возбуждения Фв. При Фв - const вращающий момент

Мдв = См·Iя, (2)

где См - коэффициент момента двигателя (в системе СИ численно См=Сe).

Решая совместно (1) и (2), можно получить

Mдв = Mп - ѓдв·Щдв,

где - вращающий момент двигателя в режиме пуска (пусковой момент, т.е. момент, развиваемый двигателем при Щдв=0); - жёсткость механических характеристик. Можно определить и как

(см. рис .3).



Рис. 3. Семейство механических характеристик ДПТ

На плоскости механических характеристик (рис. 3) можно отметить области, соответствующие возможным режимам работы ДПТ.

1. Двигательный режим, для которого sign Uдв = -sign(Ce·Щдв) и значение противо-ЭДС исполнительного двигателя Ce·Щдв меньше напряжения на обмотке якоря (области 1 на рис. 3). В этом режиме направление электрического тока в обмотке якоря определяется полярностью напряжения внешнего источника Uдв и ДПТ потребляет энергию от этого источника (рис. 4,а).

2. Режим генераторного (рекуперативного) торможения (область 2 на рис. 3). В этом режиме sign Uдв = -sign(Ce·Щдв) , но значение противо-ЭДС двигателя превышает значение Uдв. Поэтому напряжение электрического тока в обмотке якоря определяется полярностью противо-ЭДС двигателя и ДПТ отдает энергию источнику питания (рис.4,б).

3. Режим торможения противовключением (области 3 на рис. 3). Для этого режима sign Uдв = sign(Ce·Щдв), поэтому электрический ток в обмотке якоря обусловлен суммой напряжений внешнего источника питания Uдв и противо-ЭДС двигателя. Величина тока в обмотке якоря в этом случае может быть значительной и вызывать сильный нагрев обмотки якоря и выход её из строя. Поэтому для статического (длительного) режима является недопустимым и применяется лишь для наиболее быстрого торможения (рис. 4,в).

4. Режим электродинамического торможения (линия 4 на рис. 3). В этом режиме Uдв=0 и поэтому этот режим является частным случаем режима генераторного торможения. Электрическая энергия, получаемая от источника с напряжением, равным противо-ЭДС двигателя, рассеивается в тепло на активном сопротивлении обмотки якоря и внешней цепи, закорачивающей якорную обмотку (рис. 4,г).

При работе ДПТ в системах управления его состояние может изменяться в соответствии с описанными режимами работы. Если через якорь ДПТ не протекает ток (некорректная схема управления), то двигатель будет работать в качестве маховика, а система автоматической регулировки или не будет обеспечивать требуемые показатели качества, или вообще может оказаться неработоспособной.

Рис. 4. Эквивалентные схемы ДПТ

Уравнение регулировочных характеристик Щдв = ѓ(Uдв) при Mдв - const можно получить из (1) в виде Щдв= Щхх - Mдв? ѓдв,

где Щхх = Uдв/Сe - угловая скорость двигателя в режиме идеального холостого хода (при Iя=0).

Регулировочные характеристики ДПТ показаны на рис. 5.

Штриховыми линиями показано продолжение регулировочных характеристик в область отрицательных (противоположных по направлению) значений Щдв для активного момента нагрузки.

Линейность механических и регулировочных характеристик ДПТ независимого и магнитоэлектрического возбуждения является главным достоинством с точки зрения их применения в СУ. Недостатки связаны с наличием щеточно-коллекторного узла.

В ДПТ вращающий момент пропорционален магнитному полю, а скорость ему обратно пропорциональна. При постоянном магнитном поле статора скорость вращения пропорциональна напряжению на обмотках ротора (якоря).

Рис. 5. Регулировочные характеристики ДПТ

Обычно ток через обмотки статора устанавливаются равным полному номинальному значению, а управление скоростью осуществляется изменением напряжения на обмотке ротора. В этом режиме обеспечивается постоянство вращающего момента. При максимальной скорости вращения ток статора можно уменьшить, и возникает режим, в котором требуемый вращающий момент пропорционален току статора, а скорость вращения ему обратно пропорциональна. ДПТ на транспорте и в промышленности обычно работают с током обмоток статора порядка ? от его максимального значения.

На рис. 6 приведены основные мощностные характеристики ДПТ.

Рис. 6. Зависимость вращающего момента и мощности от скорости вращения

Возможность работы ДПТ с большим вращающим моментом при полном токе обмоток статора, обеспечивающая быстрое ускорение и возможность работы на высоких скоростях при малых нагрузках делают их идеальными для применения в транспортных средствах. При синтезе схем управления следует учитывать, что ДПТ - это специфическая нагрузка, в которой присутствует сопротивление, индуктивность, противо-ЭДС (СеЩ); имеет способность как потреблять ток (двигательный режим), так и генерировать его (генераторный режим). Эти двигатели и их системы управления сейчас заменяются асинхронными двигателями переменного тока со схемами управления с изменяемой частотой.

1.2 Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока состоят из неподвижной части - статора и вращающейся - ротора.

В основе работы большинства электрических машин переменного тока лежит принцип вращающегося магнитного поля, частота которого определяется частотой питающей сети ѓ и числом пар полюсов машины p: n1=60ѓ/p .

Электрические машины переменного тока подразделяются на синхронные и асинхронные.

1.2.1 Синхронные двигатели

Синхронной называют такую машину переменного тока, частота вращения ротора которой при любом режиме работы равна частоте вращения поля: n = n1.

Синхронная машина (ротор) может возбуждаться постоянным током (электромагнитным путем) или с помощью постоянных магнитов. Такие машины применяют как в качестве генераторов, так и в качестве двигателей. В генераторах вращающееся магнитное поле создается обмоткой возбуждения, расположенной на роторе и питаемой постоянным током. Это магнитное поле создает переменное напряжение на обмотках статора. Эти обмотки располагают так, чтобы вращающееся магнитное поле генерировало синусоидальное напряжение или (в трёхфазных генераторах) три синусоидальных напряжения. В двигателях используется обратный процесс: на обмотки статора подается трехфазное переменное напряжение, а с ротора снимается вращающийся момент.

Положение ротора относительно магнитного поля статора в синхронных машинах изменяется в зависимости от нагрузки, как механической, так и электрической. На рис. 7 показаны эти процессы в генераторе и двигателе. В генераторе момент вращения, приложенный к валу, должен быть увеличен, если увеличивается мощность, отдаваемая в нагрузку. Это вызывает увеличение угла опережения д положения ротора по отношению к полю, создаваемому статором. В двигателях процесс противоположный, и ротор отстает от поля на увеличивающийся угол при возрастании нагрузки вала. В обеих машинах предельным является угол 90°. Превышение этого угла вызывает проскальзывание полюсов, и ротор не может вращаться синхронно с магнитным полем статора. Длительное проскальзывание полюсов создает предпосылки для серьезной аварии. Типичными причинами, вызывающими проскальзывание полюсов, являются замыкания для генератора и перегрузка по вращающему моменту для двигателя.

Рис. 7. Углы сдвига между ротором и полем статора в генераторе и двигателе

Для запуска синхронного генератора просто требуется раскрутить его ротор до нужной скорости вращения соответствующим механическим приводом (чаще пар, вода), подать ток в обмотку ротора и подключить нагрузку. В том случае, если генератор должен быть подключен к уже работающей сети, ещё надо синхронизировать частоту и фазу выходного напряжения генератора и сети. Запуск синхронного двигателя немного сложнее. Большинство синхронных двигателей имеют вспомогательные обмотки на статоре, так называемые успокоительные обмотки, которые препятствуют возникновению колебаний скорости вращения при изменении нагрузки двигателя. Эти обмотки позволяют запускать мотор как асинхронный двигатель, без тока для создания магнитного поля статора. Большие (мощные) двигатели часто запускают при уменьшенном напряжении, что осуществляется с помощью автотрансформаторов или тиристорных пускателей и позволяет удерживать значение пускового тока в приемлемых пределах. Магнитное поле статора подается тогда, когда скорость вращения вала двигателя почти достигает скорости при синхронном управлении.

В явно полюсных двигателях имеет место реактивный момент, проявляющийся при частоте вращения, равной 90-95% от синхронной. Реактивный момент возникает в результате отклонения магнитных силовых линий, проходящих через зазор из статора в ротор, от кратчайшего пути (перпендикуляра к поверхности полюсов) (рис. 8). В зависимости от взаимного расположения полюсов статора и ротора реактивный момент имеет разные знаки, ускоряя или затормаживая ротор.

Если нагрузка невелика, а частота вращения ротора близка к синхронной, то положительный реактивный момент придает такое ускорение ротору, при котором частота его вращения достигает значения частоты вращения поля статора (так называемое втягивание в синхронизм).

Однако реактивный момент обычно невелик. Поэтому в обмотку возбуждения двигателя при достижении им частоты вращения, равной 95% от синхронной, подают постоянный ток.

Рис. 8. К объяснению возникновения реактивного момента синхронного двигателя

При этом необходимо добиться таких условий, при котором поле, создаваемое постоянным током возбуждения, усиливало бы поле, создаваемое статором, т.е. усиливало бы южную полярность полюса ротора. В противном случае полюса статора и ротора станут взаимно отталкиваться, что даст сильный механический толчок по валу.

Все эти операции должны быть выполнены тщательно, поэтому асинхронный пуск синхронного двигателя производят исключительно автоматически.

Если двигатель предназначен для работы с изменяемой частотой питающей цепи, то его запуск осуществляют при включенных обмотках статора с частотой, близкой к нулю, а затем разгоняют путем увеличения частоты до требуемой скорости вращения. В более сложных схемах управления осуществляется определение положения ротора при подаче маленького возбуждающего поля, и контролируются индуцируемые напряжения на обмотках статора. Затем происходит подстройка фазовых углов, обеспечивающая при запуске как исключение резких изменений вращающего момента, ток и возникновение вращения в обратную сторону.

Современные схемы управления с изменяемой частотой питающей цепи позволяют заменить синхронными двигателями множество больших двигателей постоянного тока, используемых, например, в сталепрокатном производстве, где требуется быстрое изменение направления вращения валов. В современных схемах обеспечиваются переходные значения вращающего момента в несколько раз больше, чем в стационарном режиме. При этом автоматически определяется угол отставания ротора от поля и поддерживается безопасная граница до начала проскальзывания полюсов.

Рассмотренные выше синхронные машины способны функционировать как в качестве генераторов, так и двигателей. В СУ применяют специальные реактивные двигатели (порядка нескольких десятков ватт). Когда ротор выполняют из магнитомягкого материала с явно полюсной конструкцией (без постоянных магнитов или обмотки возбуждения), работа реактивного двигателя основывается на эффекте отклонения магнитных силовых линий, идущих из статора в ротор (см. рис. 8). Такой двигатель не способен генерировать энергию. Схема запуска таких двигателей приведена на рис. 9.

Рис. 9. Схемы пуска однофазных синхронных реактивных двигателей при соединении обмоток статора «звездой» (а) и «треугольником» (б)

При запуске двигателя ёмкость C отключается от питающей цепи.

1.2.2 Асинхронные двигатели

Асинхронной называют такую машину переменного тока, у которой частота вращения ротора n отличается от частоты вращения поля n1 и изменяется в зависимости от нагрузочного момента. Асинхронные машины общего назначения применяют главным образом как двигатели в двух исполнениях: с короткозамкнутым (так называемой беличьей клеткой) и с фазным (с контактными кольцами) роторами.

В следящих приводах переменного тока в качестве исполнительных двигателей (ИД), как правило, используют асинхронные двухфазные двигатели (АДД). Достоинством ИД переменного тока является простота конструкции, а следовательно, и изготовления, а также долговечность. Срок службы двигателей переменного тока из-за отсутствия коллекторного узла по существу зависит от работы подшипников.

Статор АДД выполняется в виде пакета изолированных листов электротехнической стали. В пазы статора уложены две обмотки, магнитные оси которые сдвинуты в пространстве на 90°. Одна из обмоток называется обмоткой возбуждения, а другая - обмоткой управления.

Ротор АДД, как правило, выполняется в виде полого немагнитного стакана из сплавов алюминия или беличьего колеса. В первом случае внутри стакана располагается магнитопровод (внутренний статор). Он служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути рабочего магнитного потока, проходящего через воздушный зазор, в котором вращается полый ротор.

Обмотка короткозамкнутого ротора (беличье колесо) представляет собой цилиндрическую клетку из медных или латунных стержней, расположенных в пазах сердечника ротора. Торцы стержней замыкаются коротко кольцами из того же металла, что и стержни. Часто короткозамкнутая обмотка изготавливается посредством заливки пазов сердечника ротора расплавленным алюминием.

АДД с полым ротором имеет малый момент инерции ротора (более быстродействующие).

АДД с короткозамкнутым ротором более инерционные, но имеют значительно меньшие размеры, при одной и той же мощности.

В силовых следящих приводах переменного тока применяются главным образом АДД с короткозамкнутым ротором, а в маломощных приборных следящих приводах - АДД с полым ротором.

Принцип действия АДД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами, которые являются результатом наведения ЭДС в роторной обмотке (стержнях беличьего колеса, теле полого цилиндра) от вращающегося магнитного поля. Для реверсирования АДД достаточно изменить направление вращения магнитного поля, что достигается изменением на 180° фазы напряжения на одной из обмоток АДД.

Если скорость ротора n = n1 и направлены в одну сторону, то электромагнитного взаимодействия между статором и ротором не произойдет, т.е. проводники ротора не пересекутся магнитными силовыми линиями вращающего поля статора, а следовательно, ЭДС в роторе равна нулю. Поэтому непременным условием взаимодействия статора и ротора асинхронной машины и, следовательно, ее работы есть разность частот вращения n1 - n. Отношение называют скольжением асинхронной машины.

(n1 - n) / n = S

В зависимости от соотношения между частотами вращения n и n1 различают следующие режимы работы АДД:

1. Двигательный, когда n < n1 и частоты вращения направлены в одну сторону (0 ? S ? 1).

2. Генераторный, когда n > n1 и частота вращения направлены в одну сторону (-? ? S ? 0). Возникает при торможении (рекуперативное торможение). Асинхронный двигатель может работать как генератор без потребления внешней энергии для возбуждения магнитного поля. Остаточная намагниченность ротора способствует началу работы такого генератора при его запуске. Часто такой режим работы с рекуперацией энергии возникает, например, при опускании нагрузки подъемным краном.

3. Тормозной, когда частоты вращения n и n1 направлены в разные стороны (+1 ? S ? ±?).

4. Динамического торможения, когда вращающийся двигатель для быстрой его остановки отключается от сети переменного тока и одновременно подключается к источнику постоянного тока. При этом постоянный ток создает в обмотках статора неподвижное магнитное поле, в котором вращается ротор.

5. Торможение противовключением, когда для более быстрой остановки вращающейся двигателя переключают две фазы статорной обмотки. Это приводит к изменению направления вращающегося магнитного поля статора на противоположное. После остановки ротора, чтобы отключить вращение в противоположную сторону, двигатель отключается от питающей сети.

Основным режимом работы АДД является двигательный режим.

Управление угловой скоростью АДД может производиться следующими способами: амплитудным, фазовым и конденсаторным, реализующими несимметричные (когда вращающее поле не круговое, а часто эллиптическое) режимы работы АДД. Симметричные режимы работы АДД обеспечиваются амплитудно-частотным., частотно-токовым и релейным способами управления.

При амплитудном управлении напряжение на обмотке возбуждения постоянно, сдвиг фаз между напряжениями на обмотках АДД также постоянен и равен ± р/2. Изменение степени эллиптичности магнитного поля и, следовательно, регулирование скорости АДД осуществляют путем изменения амплитуды напряжения на обмотке управления. При нулевом напряжении на обмотке управления вращающееся поле вырождается в пульсирующее, и угловая скорость ротора равна нулю.

При фазовом управлении АДД величина напряжений на обмотках возбуждения и управления постоянна. Регулирование угловой скорости осуществляют путем изменения сдвига фаз между напряжениями на этих обмотках. При нулевом сдвиге имеет место пульсирующее магнитное поле и угловая скорость АДД равна нулю.

При конденсаторном управлении АДД сдвиг фаз между напряжениями на обоих обмотках возбуждения и управления осуществляют включением последовательно с обмоткой возбуждения конденсатора, а угловую скорость регулируют изменением амплитуды напряжения на обмотке управления. Конденсаторное управление отличается от амплитудного тем, что амплитуда и фаза напряжения на обмотке возбуждения при изменении угловой скорости АДД не остаются постоянными вследствие изменения падения напряжения на конденсаторе.

При амплитудно-частотном управлении АДД управляющий сигнал в следящем приводе приводит к одновременному изменению частоты и амплитуды напряжений на обеих обмотках двигателя по определенным законам. Техническая реализация этого способа управления сложна и связана, как правило, с применением ключевых полупроводниковых усилителей мощности, а в настоящее время и с применением микропроцессоров.

Частотно-токовый способ управления двигателями переменного тока получил распространение в промышленности в последние десятилетия. При таком способе управления в обмотке АД задаются токи, мгновенные значения которых определяются входным сигналом (требуемым моментом на валу ИД) и угловым положением ротора ИД и при этом отвечают требованиям к мгновенным значениям токов многофазной симметричной системы. Усилительные устройства при таком управлении достаточно сложные.

При использовании АДД в релейных приводах к источникам переменных напряжений, сдвинутых по отношению друг к другу на угол 90°, подключаются одновременно обе обмотки АДД или отключаются от них.

В следующих приводах небольшой мощности применяют главным образом амплитудный, конденсаторный и релейный способы управления. В мощных следящих приводах наиболее выгодны энергетически амплитудно-частотный и частотно-токовый способы управления.

1.2.3 Шаговые двигатели

Цифровая форма представления сигналов управления привела к созданию нового синхронного типа двигателей - шаговых (импульсных) двигателей (ШД), которые непосредственно преобразуют управляющий сигнал в виде последовательности импульсов в пропорциональный числу импульсов фиксированный угол поворота вала или линейное перемещение механизма без датчика обратной связи. Это обстоятельство упрощает систему привода и заменяет замкнутую систему привода на разомкнутую.

Очевиден и недостаток привода с ШД: при сбое импульса дальнейшее слежение происходит с ошибкой в угле, пропорциональной числу пропущенных импульсов. На рис. 10 изображена схема простейшего однофазного ШД. Двухполюсный ротор 2 из магнитомягкого материала с клювообразными выступами помещен в четырёхполюсном статоре 1. Одна пара полюсов статора представляет собой постоянные магниты, на другой паре полюсов находится обмотка управления щу. Ротор из магнитомягкого материала является реактивным.

Рис. 10. Схема простейшего однофазного ШД

Пока тока в обмотке управления нет, ротор ориентируется вдоль полюсов с постоянными магнитами и удерживается около них с некоторым усилием. При поступлении импульса на вход системы управления обмотка управления щу подключается к источнику напряжения постоянного тока. Усилие этого поля значительно больше, чем от постоянных магнитов и ротор поворачивается на 90°. Поворот происходит в сторону клювообразных выступов, так как магнитное сопротивление между ротором и полюсами с обмоткой в этом направлении меньше, а следовательно, усилие больше, чем в другую сторону.

Одним из определяющих параметров ШД является шаг ротора, т.е. угол поворота соответствующий одному импульсу. ШД рис. 10 может иметь шаг ротора равный 180°, если управляющая обмотка сама отключается от источника постоянного тока при исчезновении импульса управления или 90°, если следующий импульс будет принудительно отключать щу (зависит от организации схемы управления).

Однофазные ШД могут быть и с активным ротором (с постоянными магнитами). Технологически удается на роторе разместить до 6 магнитов и уменьшить шаг двигателя до 30°. В этих ШД обмотка управления запитывается разнополярными импульсами, так как полюса на роторе чередуются как S.N.S. и т.д.

Достоинством однофазных ШД с постоянными магнитами на статоре или роторе является простота конструкции и схемы управления. Для фиксации ротора при обесточенной обмотке не требуется потребления энергии во время пауз, угол поворота ротора сохраняет свое значение при перерывах питания. Двигатели этого типа могут отрабатывать импульсы, поступающие с частотой до 200-300 Гц.

С целью еще большего уменьшения шага ротора существуют двухфазные (2 обмотки управления и две пары полюсов) редукторные ШД. Полюсы и реактивный ротор имеют зубцы с одинаковым зубцовым делением. «Клювы» обеспечивают пусковой момент и однонаправленность вращения. Например, при числе зубцов ротора 30 шаг ротора равен 6°.

Для осуществления реверса ротор и статор должны быть симметричными (без клювообразных выступов). Реверсивные ШД могут иметь реактивный или активный ротор. Реактивный ШД в стационарном (неподвижном) состоянии не имеет синхронизирующего момента без протекания тока в какой-нибудь обмотке управления. Статор реверсивных ШД без постоянных магнитов может иметь несколько обмоток управления. На рис. 11 изображена схема трехфазного двигателя с активным ротором. Шаг такого двигателя равен 60°.

Рис. 11. Схема трёхфазного реверсивного ШД с активным ротором

Если в обмотки управления подавать импульсы тока положительной полярности в очередности обмоток 1-2-3, то ротор будет вращаться в одну сторону. Для реверса необходимо эту очередность изменить на противоположную: 1-3-2.

Часто реверсивные ШД выполняют двухфазными, но с выводами от средних точек (рис. 12). Таким образом, каждая фаза оказывается расщепленной на две полуфазы и управление осуществляется не парой полюсов (например, 1,3), а отдельным полюсом. Посылая в такую обмотку однополярные импульсы, сдвинутые во времени (рис. 12,в), заставляют ротор «следить» за полюсом статора с шагом 90°. Для одного направления необходимо подавать импульс в обмотки управления в последовательности 1-2-3-4. Реверс четырёхфазного ШД осуществляют подачей импульсов в фазы в обратной последовательности, т.е. 4-3-2-1.

Рис. 12. К пояснению работы четырёхфазного реверсивного ШД с активным ротором

Для лучшего использования обмоток при четырехтактной коммутации применяют попарное включение обмоток (рис. 12,г). Импульсы перекрывают друг друга на полтакта, поэтому в каждый момент времени ток течет в паре обмоток и возбужденными оказываются пары соседних полюсов (1 и 2 или 2 и 3, или 3 и 4, или 4 и 1). Такая парная коммутация позволяет увеличить магнитодвижущую силу полюсов статора, вследствие чего примерно в 1,5 раза возрастает вращающий момент на валу ШД.

Реверсивные ШД с шагом от единиц до долей градусов выполняются как редукторные, т.е. с зубчатыми полюсами и ротором из магнитомягкого материала. Такие двигатели называют также параметрическими. В зависимости от частоты подачи импульсов управления различают следующие режимы работы ШД: статический, квазистатический, установившийся и переходный.

Статический режим соответствует протеканию по одной из разных обмоток постоянного тока, создающего неподвижное магнитное поле. Этот режим характеризуется статическим синхронизирующим моментом.

Квазистатический режим работы ШД (режим отработки единичных шагов) характеризуется тем, что переходный процесс (обычно колебательный) сопровождающий отработку углового шага, к началу следующего шага заканчивается, т.е. угловая скорость в начале каждого шага равна нулю. Он используется в различных старт-стопных, лентопротяжных и других механизмах, в которых требуется фиксация положения ротора после каждого шага.

Установившийся режим работы ШД соответствует постоянной частоте управляющих импульсов.

Переходные режимы работы ШД имеют место при пуске, торможении, реверсе и переходе с одной частоты на другую (например, при частотном разгоне). Они являются основными эксплуатационными режимами ШД и сопровождаются переходными процессами, обусловленными изменением частоты вращения. Переходные процессы в указанных режимах определяются как параметрами двигателя и нагрузки, так и начальными условиями, при которых начинается соответствующий процесс.

1.3 Силовые ключи

1.3.1 Мощные биполярные транзисторы (МБТ)

Для того чтобы перевести транзистор из закрытого состояния в открытое и удержать его в этом состоянии, необходимо в управляемый электрод-базу подавать определенную величину тока, так что в базе БТ присутствуют как дырки, так и электроны - два (би) типа носителей заряда.

Структура биполярного транзистора (БТ) является системой двух взаимодействующих p-n- переходов. Существуют транзисторы со структурой p-n-p и со структурой n-p-n. Предпочтение отдается последним, так как скорости движения электронов почти в два раза больше скорости дырок и транзисторы n-p-n в силу этого имеют ряд преимуществ. В зависимости от полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах различают четыре режима работы БТ: насыщение, отсечка, активный нормальный и активный инверсный.

Режим насыщения соответствует открытому состоянию транзистора, при этом оба перехода смещены в прямом направлении (открыты).

В режиме отсечки переходы смещены в обратном направлении (заперты), а через транзистор проходят сравнительно небольшие токи утечки.

Активный режим работы транзистора в ключевом применении имеет место на фронтах переходного процесса переключения и характеризуется прямым смещением одного из переходов. При прямом смещении эмиттерного перехода активный режим называется нормальным. То есть в этом режиме эмиттер и коллектор транзистора выполняют свойственные им функции инжекции и экстракции носителей тока. Изначальная технологическая несимметрия реальной структуры не располагает к свойству обратимости функций переходов и на практике применяется крайне редко. Однако в процессе запирания БТ очень большим током базы, когда первым восстанавливает запирающие свойства эмиттерный переход, а коллекторный находится открытым, то транзистор переходит в активный инверсный режим.

Рассмотрим режим больших токов, в котором чаще всего работают БТ в схемах преобразователей энергии, когда концентрация инжектируемых эмиттером носителей становится сравнимой с равновесной концентрацией основных носителей базы. При этом используется термин - высокий уровень инжекции, всегда характерный для силовых структур. Особенностью данного режима является возникновение электрического поля в области базового поля. С одной стороны, это приводит к уменьшению сопротивления базового слоя и, следовательно, к уменьшению коэффициента инжекции, с другой - повышается скорость перемещения носителей через базу, что увеличивает коэффициент переноса. Так как коэффициент передачи тока транзистора от эмиттера к коллектору б является произведением двух упомянутых величин, их противоположное воздействие приводит к появлению точки максимума б при увеличении рабочего тока транзистора с тенденцией заметного уменьшения в области больших токов. Аналогично ведет себя коэффициент передачи тока в, имеющий однозначную связь с коэффициентом б (рис. 13). Таким образом, спад коэффициентов передачи токов определяет предельно допустимый ток БТ. Значение в в режиме больших токов составляет для силовых транзисторов всего несколько единиц, что требует значительных затрат мощности управляющего сигнала для поддержания открытого состояния ключа.

Рис. 13. Зависимость коэффициентов передачи тока БТ б (а) и в (б) от тока

Другой особенностью работы транзистора при высоких уровнях инжекции является неравномерное распределение тока по сечению эмиттера: оттеснение его к периферийным участкам структуры при включении и стягивание его к центральной области при выключении. Неравномерное распределение плотности тока является дополнительной причиной снижения коэффициентов передачи в открытом состоянии БТ. Кроме этого, возможно возникновение термонестабильных горячих точек в структуре прибора, уменьшающих размеры области безопасных режимов работы транзистора.

В силовых БТ различают и другие эффекты, снижающие коэффициент передачи тока: эффект Кирка и эффект квазинасыщения.

Для увеличения коэффициента передачи тока в силовых высоковольтных транзисторах используют структуры, называемые транзисторами Дарлингтона (рис.14). Коэффициент передачи тока в в такой структуре равен произведению коэффициентов передачи тока двух транзисторов в1 и в2 .

Шунтировка эмиттерных переходов несколько снижает их инжекционные способности, но одновременно повышает рабочее напряжение в цепи коллектор-эмиттер и тепловую стабильность в структуре. При этом улучшаются динамические характеристики выключения транзистора за счет создания контура протекания отрицательных токов базы.

Рис. 14. Эквивалентная схема составного БТ

В современных сериях транзисторов Дарлингтона используют параллельные обратные диоды, созданные на отдельном кристалле, интегрированном в корпус прибора. Нагрузочная способность таких диодов соответствует транзисторной.

В мощных преобразователях энергии бывает необходимо иметь токи, которые непосильны для одиночных транзисторов. Для этих целей используется параллельное включение транзисторов и ток распределяется между отдельными элементами схемы (рис. 15).

Рис. 15. Эквивалентная схема параллельного включения БТ

БТ без токовыравнивающих резисторов Rэ не включаются в параллельную работу из-за неидентичности их параметров. Через один из параллельных транзисторов будет протекать большая часть тока, он будет больше нагреваться, и его сопротивление будет падать (специфика биполярной структуры). Транзистор мгновенно выходит из строя из-за саморазогрева, хотя планировали распределить токи между транзисторами равномерно.

где , - справочные данные , ?i = imax - i min - разбаланс токов для одного БТ, которым необходимо задаться.

На выравнивающих резисторах рассеивается дополнительная мощность, которая снижает КПД схемы. Однако с этим приходится мириться, выбирать «меньшее из двух зол».

Эта методика не подходит для расчета схем с параллельным включением составных транзисторов, которые изначально имеют большие напряжения Ukэ нас. Более тонкий расчет, основанный на анализе разброса коэффициентов усилия по току, дает величины выравнивающих резисторов до нескольких десятков Ом, что, конечно, неприемлемо для мощных схем.

Биполярные транзисторы ныне используются в качестве силовых ключей все реже и реже. Их место активно занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT, имеющие в этой области электроники несомненные преимущества, поэтому выпуск БТ всё более сокращается и ориентируется на специальное применение в конкретных электронных устройствах.

1.3.2 Силовые МДП-транзисторы с изолированным затвором (MOSFET)

В отличие от БТ транзисторы MOSFET не токовые, а потенциальные, и для перевода их из открытого состояния в закрытое и наоборот нужно приложить к затвору относительно истока напряжение. При этом ток в цепи затвора практически отсутствует, хотя в переходном состоянии все же он существует.

Преимущество MOSFET по отношению к БТ:

1. Управляется напряжением (электрическим полем), что значительно упрощает схему и снижает затрачиваемую на управление мощность.

2. Это униполярные приборы (носители заряда одного типа: n или p), и отсутствует эффект рассасывания носителей (обуславливает задержку БТ на выключение). Поэтому они могут переключаться с гораздо более высокой скоростью.

3. Это теплоустойчивые приборы и отсутствует очень опасный эффект саморазогрева. С повышением температуры его сопротивление увеличивается (в отличие от БТ), что ведет к уменьшению протекающего через него тока. Это обеспечивает их параллельную работу без выравнивающих резисторов.

4. Полное отсутствие вторичного пробоя, что увеличивает область безопасной работы.

Для правильного применения транзисторов MOSFET необходимо знать и их особенности:

1. Транзисторы в открытом состоянии имеют небольшое сопротивление. Это почти идеальные ключи при относительно низких предельных напряжениях (до 100 В). Однако с ростом рабочих напряжений (от 500 В и более) вследствие униполярного механизма токопереноса, остаточные напряжения данных ключей значительно возрастают, ограничивая применение узким диапазоном токов (не более десятков ампер). Это не позволяет высоковольтным MOS-транзисторам иметь преимущества по остаточным напряжениям перед БТ при заданном уровне тока. С целью уменьшения сопротивления открытого ключа была применена новая технология изготовления (CoolMOS - «холодный» МПД-транзистор), которая позволила в 5 раз увеличить качественные показатели традиционных VOS-транзисторов по току, уменьшить величины паразитных емкостей и в 3 раза улучшить динамику.

2. Вторая особенность (недостаток) связана с технологией его изготовления; в результате транзистор изготавливается с паразитными элементами (рис. 16). Чтобы сохранить все положительные свойства полевого транзистора, необходимо исключить любую возможность начала работы биполярного механизма переноса носителей. Поэтому уже на стадии изготовления часть рабочей области внутренней структуры полевого транзистора подключают перемычкой к металлизированному контакту истока, что эквивалентно закорачиванию эмиттерного перехода паразитного транзистора. Однако из-за конечного продольного сопротивления p-области утверждать о полном решении проблемы было бы неверно. При высокой скорости изменения напряжения в цепи стока (эффект dU/dt) емкостной ток обратной связи вполне способен навести напряжение, достаточное для отпирания паразитного биполярного транзистора.

Рис. 16. Паразитные элементы в составе MOS-транзистора

Особо это приходится учитывать в высоковольтных структурах MOS-транзисторов и применять дополнительные защитные меры.

Подключение p-области транзистора к истоку создает внутри структуры еще один дополнительный элемент - обратносмещенный диод. Его проектируют так, чтобы данный диод по своим предельным параметрам соответствовал аналогичным показателям MOS-транзистора и имел достаточно малое время восстановления запирающих свойств.

Как и БТ полевые транзисторы одного типа допускают параллельное включение, если отдельный прибор не подходит для коммутации больших токов (рис. 17). Если соединить затворы транзисторов непосредственно (без резисторов, десятки-сотни Ом), можно получить неприятный эффект «звона» при включении, транзисторы, влияя друг на друга через затвор, будут произвольно открываться и закрываться, не подчиняясь сигналу управления.

Рис. 17. Параллельное включение транзисторов MOSFET

Некоторые производители полевых транзисторов выпускают приборы с датчиками токов, которые интегрированы в структуры прибора на этапе изготовления, с отдельным дополнительным выводом для фиксации состояния перегрузки.

1.3.3 Статические индукционные транзисторы (СИТ)

В 60-ые годы двадцатого века в Японии был разработан индукционный транзистор, способный в то время управлять относительно высокой мощностью в диапазоне до 5 МГц. Условное обозначение и поперечное сечение приведены на рис. 18. Структура СИТ имеет n-канал, в котором в виде решетки расположен затвор из материала с p-проводимостью.

Рис. 18. Условное обозначение (а), поперечное сечение базовой ячейки СИТ (б) и зависимость коэффициента усиления по току В от тока стока (в)

При приложении к затвору отрицательного напряжения вокруг управляющих p+- n- переходов формируется (индуцируется) область бедная носителями, которая простирается вглубь n-. При смыкании этих областей решетка отсекает (закрывает) канал между истоком и стоком. Если увеличивать напряжение Uис, то при заданном отрицательном смещении на затворе электрическое поле стока будет проникать вглубь канала и снижать потенциальный барьер затвора. При отрицательном значении Uис барьер исчезает и в канале появляется ток, т.е. СИТ будет работать в качестве полевого (затвор изолирован от канала).

При отсутствии отрицательного смещения, когда напряжение затвор-исток равно нулю, через канал транзистора протекает ток. Так как сопротивление слоя с n--проводимостью велико, то канал обладает большим сопротивлением. Чтобы уменьшить сопротивление структуры в открытом состоянии, через управляющий затвор проводят инжекцию неосновных носителей (как у БТ), осуществляющих модуляцию проводимости канала. Для этого на управляющий затвор падают положительное смещение и СИТ работает в режиме заданного входного тока. Коэффициент усиления по току В имеет падающий характер при увеличении тока стока, но в несколько раз больше аналогичного параметра у БТ.

Переключение СИТ в биполярном режиме кроме перезаряда конструктивных емкостей имеет этап рассасывания неосновных носителей при его выключении. При смене полярности управляющего сигнала в цепи затвора наблюдаются значительные по амплитуде выбросы тока за счет экстракции неосновных носителей из базовой области.

В классическом варианте СИТ является прибором нормально-открытого типа. В то же время уже созданы структуры СИТ нормально-закрытого типа, в которых отсечка канала осуществляется при нулевом смещении на затворе. Очевидно, что в открытом состоянии эти СИТ реализуют только биполярный механизм переноса тока. Такие структуры называют биполярными СИТ или БСИТ (BSIT).

1.3.4 Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

Компромиссным техническим решением, позволяющим объединить положительные качества как биполярных, так и MOS-транзисторов явилось создание биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которые имеют внутренние структуры с модулируемой проводимостью, т.е. можно значительно снизить сопротивление в открытом состоянии, что не свойственно MOS-структурам. Условное обозначение и эквивалентная схема внутренней конструкции IGBT приведены на рис.19. Паразитный транзистор n-p-n появляется на стадии изготовления полевого транзистора. Этот транзистор вместе с необходимым p-n-p реализует замкнутый внутренний контур, где может быть реализован механизм включения, называемый триггерным эффектом. Хотя этот эффект находит положительное применение при создании тиристоров, для IGBT он крайне нежелателен и, как правило, заканчивается катастрофическим отказом. Поэтому уже на стадии изготовления уменьшают коэффициенты усиления обоих транзисторов с целью получения коэффициента передачи в замкнутом контуре меньше единицы (положительная связь в контуре не вызывает триггерного эффекта). Общее усилительное свойство рассматриваемой структуры характеризуют коэффициентом S = Iвых/Uвх = Ic/Uз. Данный параметр определяется произведением усилительных свойств полевого и биполярного p-n-p транзистора и является относительно высоким по сравнению с БТ и MOS (рис. 19,в). Однако в режиме токовых перегрузок высокая крутизна является причиной высоких плотностей тока, достигающих порядка 10…20 А/мм2, что снижает время допустимых перегрузок и требует более быстродействующих методов защиты.

Рис. 19. Условное обозначение IGBT (а), эквивалентная структура (б) и зависимость коэффициентов усиления различных транзисторов от силового тока (в)

Скорость переключения зависит от перезаряда технологических емкостей и при закрывании добавляется эффект рассасывания неосновных носителей в биполярной части транзистора IGBT. Последние поколения имеют остаточные напряжения порядка 1,5 В при токах нескольких сотен ампер. Выпускаются высоковольтные структуры IGBT (HV-IGBT) на рабочие напряжения более 1700В.

Структурная схема IGBT не содержит внутреннего антипараллельного диода, свойственного структурам MOS и частично составным БТ. Поскольку наличие быстро восстанавливающегося демпферного диода становится необходимым по условию применения и защиты ключей, используют отдельные кристаллы диодов, согласованные по характеристикам с IGBT, которые встраивают на стадии изготовления в корпус транзистора.

Транзисторы одного номинала можно соединить параллельно без выравнивающих резисторов в цепи эмиттера, но с резисторами в цепи затворов. Следует привести несколько советов по правильному выполнению параллельного соединения IGBT (которые в основном остаются актуальными для других типов транзисторов).

1. Схема управления затворами IGBT должна быть источником напряжения (иметь малое Rвн.).

2. В цепь затвора каждого транзистора включается резистор Rзат, величина которого выбирается с помощью документации на транзистор.

3. Резистор Rзат необходимо размещать как можно ближе к управляющему выводу транзистора во избежание выбросов на паразитных индуктивностях в цепи затвора.

4. Важность близкого расположения элементов силовой части возрастает с увеличение рабочего тока и рабочей частоты. Длинные связи между элементами могут привести к чрезмерным перенапряжениям и низкой нагрузочной способности. Размещение элементов схемы должно быть компактным и по возможности симметричным.

5. Для обеспечения равномерного прогрева транзисторов необходимо устанавливать их на общий радиатор.

6. Необходимо снизить рабочий ток, протекающий через параллельно соединенные транзисторы, относительно каждого прибора на 10-15% по сравнению с одиночным транзистором.

Несомненные достоинства IGBT-транзистора (благодаря которым практически 95% выпускаемых модулей для управления двигателями реализуются на этих ключах):

а) высокий коэффициент усиления;

б) малая мощность управления;

в) низкий уровень прямого падения напряжения во включенном состоянии (1,2-3,5В);

г) достаточное быстродействие (сравнительно малое время переключения); оно несколько больше, чем у полевых структур типа MOSFET;

д) область безопасной работы IGBT позволяет обеспечить надежную работу без использования специальных цепей формирования траектории переключения при частотах до 25 кГц для модулей с номинальными токами в несколько сотен ампер.

1.3.5 Однооперационные тиристоры (SCR)

Полупроводниковые ключи с p-n-p-n-структурой, обладающие двумя стабильными состояниями и содержащие три p-n-перехода, называются управляемыми полупроводниковыми вентилями или просто тиристорами. Общим свойством всех типов тиристоров с четырехслойной p-n-p-n структурой является регенеративный механизм отпирания, который обусловлен внутренней положительной обратной связью, а на вольт-амперных характеристиках это отражается участком с отрицательным сопротивлением (рис. 20,в). Механизм действия положительной обратной связи может быть продемонстрирован на основе двухтранзисторного аналога рассматриваемой внутренней структуры тиристора. В такой модели коллекторный ток каждого из транзисторов одновременно является базовым током другого. Переключение структуры тиристора в проводящее состояние происходит при выполнении условия, при котором сумма коэффициентов передачи токов транзистора от эмиттера к коллектору (л1+л2) становится равной единице (см. структуру IGBT). В открытом состоянии все переходы тиристора смещены в прямом направлении. Сумма напряжений на этих переходах определяет прямое напряжение открытого ключа.

Рис. 20. Условное обозначение SCR (а, б), двухтранзисторный аналог структуры SCR (б), вольт-амперная характеристика с нагрузочной прямой (в)

Подавая ток в управляющий электрод, можно изменять коэффициент л2 транзистора n-p-n и и регулировать величину напряжения Uак, при котором начинается регенеративный процесс открывания структуры. Так при определенной величине Uакн и нагрузке Rн (см. нагрузочную прямую рис. 20,г) для открывания тиристора необходимо подать ток Iу > Iу2.

Другими механизмами переключения могут быть: тепловой нагрев структуры, превышение допустимого уровня напряжения в анодной цепи тиристора, повышенная скорость изменения данного напряжения, ионизирующее напряжение. Все эти факторы следует учитывать при обеспечении надежной работы тиристорных ключей.

Закрывается структура SCR при протекании через него тока Iя < Iуд (см. рис. 20,г). Этого условия можно достичь путем изменения величины анодного напряжения в сторону уменьшения, можно изменить его полярность (знак), увеличить Rн и т.д. При изменении значения напряжения Uак различают время, когда через тиристор протекает уменьшающийся по величине ток обратного знака до нуля - это время восстановления обратной блокирующей способности. По истечении этого времени на тиристор еще нельзя подавать положительное напряжение Uак, так как структура откроется без тока управления: нужно выдержать еще время восстановления прямой блокирующей способности, чтобы в структуре рекомбинировали все неосновные носители. Поэтому тиристоры SCR довольно низкочастотные приборы. Могут иметь в своей структуре встроенные обратные диоды. Такие ключи часто называют тиристорами с обратной проводимостью или просто тиристор-диод. Эти диоды улучшают энергетические показатели схемы и защищают ключ от всплесков напряжения.

1.3.6 Запираемые (двухоперационные) тиристоры (GTO)

Имеют туже структуру, что и тиристоры SCR, но изготавливаются по другой технологии. Физические процессы на открывание сохраняются, но процесс прерывания анодного тока при отрицательном токе управления иные. При достаточной амплитуде и длительности запирающего тока избыточная концентрация неосновных носителей первоначально снижается до нуля вблизи центрального перехода структуры. При этом коллекторные переходы обоих транзисторов (рис. 20,б) одновременно смещаются в обратном направлении (призакрываются), воспринимая часть внешнего анодного напряжения. Так как оба транзистора начинают работать в активном режиме, в структуре работает положительная обратная связь на закрывание (уменьшение тока). Когда один из транзисторов (обычно n-p-n) попадают в область отсечки, действие положительной связи прекращается, и дальнейший спад анодного тока идет за счёт эффекта рекомбинации носителей, затягивая время на выключение. Выключение GTO возможно также и путём снижения тока нагрузки ниже уровня, называемого током удержания аналогично структуре SCR. Тиристоры GTO более быстродействующие, чем SCR. Так же могут выпускаться с встречно-параллельными диодами. Условное обозначение запираемых (двух операционных) тиристоров приведено на рис. 21.

Рис. 21. Условное обозначение тиристоров GTO

1.3.7 Индукционные тиристоры (SITh) (тиристоры с электронным управлением)

Основным отличием от CIT в структуре SITh вместо слоя n+ материала подложки используется слой p+ (см. рис. 18), который представляет анодный электрод. Эквивалентная схема индукционного тиристора приведена на рис. 22. Качественно процесс протекания отрицательного тока в цепи управляющего электрода не отличается от транзисторного варианта. Только при больших амплитудах этого тока на омических контактах управляющего электрода, имеющих конечное сопротивление, возникает заметное напряжение, уменьшающее запирающее смещение. Это может приводить к сохранению открытого состояния части структуры. Причем ток, протекающий в открытой части структуры, может рассматриваться как базовый ток p-n-p- транзистора. Тогда увеличивающийся Iк при отрицательном смещении на управляющем электроде (на коллекторном переходе) может явиться причиной вторичного пробоя структуры. Однако важной особенностью SITh по сравнению с другими управляемыми приборами (SCR, GTO) является отсутствие внутренней положительной обратной связи. Проводящее состояние структуры обеспечивается простым снятием отрицательного напряжения на управляющем электроде. Инжекция из анодной области делает необходимой подачу положительного управляющего тока для модуляции внутреннего сопротивления открытой структуры (что необходимо для CIT) для нормально открытой структуры. Хотя небольшой ток (2-3 А) иногда формируют с целью ускорения включения. Существуют также нормально закрытые структуры SITh, не проводящие ток при нулевом смещении на управляющем электроде. В этом случае для протекания анодного тока положительное напряжение смещения всегда присутствует.

...