Электроника и микросхемотехника

Рис. 22. Условное обозначение SITh (а) и эквивалентая структурная схема (б)

Широкого применения SITh не получили из-за сложного технологического процесса (дорогие) и необходимости поддержания отрицательного смещения в управляющей цепи при выключенном состоянии ключа (большинство приборов имеют нормально открытую структуру). Даже кратковременное отключение смещения может вызвать катастрофические последствия в схеме.

1.3.8 Полевые транзисторы (МСТ)

МСТ - это двухоперационные ключи, представляющие собой новый класс силовых полупроводниковых приборов, по мощности и плотности тока соответствующий тиристорным аналогам и управляемый по изолированному затвору. Существуют различные подклассы этих приборов: p-n-p- канальные с симметричной и ассиметричной блокирующей способностью, одно- или двусторонним затвором управления, с различными способами включения (например, с помощью света). Все приборы имеют одно общее свойство: выключение полупроводниковой структуры можно реализовать с помощью интегрированного МПД-транзистора, который при включении закорачивает один или оба эмиттерных перехода транзисторов внутренней структуры (рис. 23).

Как правило, силовые полупроводниковые приборы выполняются на основе n-канальных структур, так как подвижность электронов выше, чем дырок. По этой причине для получения идентичных усилительных и частотных характеристик p-канальным приборам требуется более объемная структура. Для современных MCT-ключей n- канальные структуры обладают вдвое меньшими потерями на переключение и областью безопасных режимов примерно на 30% больше, чем у p-канальных. Но все же развивается технология p-канальных МСТ. Все дело заключается в типе проводимости запирающего МДП-ключа. Она противоположна типу проводимости самого прибора. То есть p-канальная структура запирается n-канальным полевым транзистором. Фактически это обозначает, что плотность тока выключения может быть обеспечена с двух-трехкратным перекрытием, если используется n-канальный запирающий ключ. Однако недостатки p-МСТ-ключей могут оказаться критическими в схемах высокочастотного применения, где потери и безопасность траектории переключения стоит на первом месте.

Структуры МСТ имеет четырехслойный p-n-p-n как и тиристоры типа SCR. Принцип работы МСТ рассмотрим на примере p-канальной структуры (рис. 23,в). При подаче отрицательного напряжения на затворы управляющих транзисторов происходит включение p-канального полевого транзистора и в базе n-p-n транзисторе будет приложено положительное напряжение анода. В структуре развивается уже рассмотренный при включении SCR регенеративный процесс, приводящий к полному открытию структуры МСТ. Открытое состояние МСТ будет сохраняться до тех пор, пока не изменится направление анодного тока либо Ia не станет меньше тока удержания (см. SCR). Кроме того выключение структуры можно обеспечить путем подачи положительного напряжения на затвор МСТ при любом допустимом анодном токе. В этом случае в структуре откроется n-канальный МДП транзистор, который закорачивает эмиттерный переход p-n-p-транзистора.

Рис. 23. Условное обозначение полевого МСТ (а), эквивалентная схема структуры n-канального МСТ (б) и p-канального МСТ (в)

Тиристоры типа МСТ по сравнению с аналогами имеют преимущество по прямому остаточному падению напряжения, ударному току и стойкости (di/dt) поддерживать блокирующую способность при высоких температурах. Испытания показали возможность коммутации тока 80 А при 300°С. МСТ способны выдерживать dU/dt ? 10 кВ/мкс при 250° С. Рабочий диапазон 235…275°С при напряжении от тысяч вольт.

Общая диаграмма современного уровня силовых полупроводниковых ключей в координатах предельных токов, напряжений и частот представлена на рис. 24.

Рис. 24. Диаграмма современного развития силовых полупроводниковых ключей

1.4 Силовые источники постоянного тока в СУ

Несмотря на широкое применение и продолжающийся рост различных систем переменного тока, остается потребность в постоянном токе. Рассмотрим вопрос преобразования переменного тока в постоянный. Термины «выпрямитель» и «преобразователь» часто используются как синонимы, однако в настоящее время выпрямитель чаще обозначает неуправляемую систему преобразования переменного тока в постоянный, а преобразователь - управляемую.

1.4.1 Однофазные выпрямительные схемы

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 25. Эта схема часто применяется в маломощных выпрямителях, работающих прямо от сети. Однополупериодный выпрямитель потребляет от сети постоянный токи четные гармоники тока сетевой частоты, в дополнение к нечетным гармоникам, характерным для большинства нелинейных нагрузок. При питании однополупериодного выпрямителя через трансформатор постоянная составляющая потребляемого тока способна вызвать насыщение сердечника, но если использовать сердечник с зазором, то этой неприятности можно избежать.

Рис. 25. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы (б)

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения часто применяют конденсаторные фильтры. Тогда сам выпрямительный диод VD в этой схеме подвергается воздействию обратного напряжения, равного напряжению на конденсаторе плюс пиковое входное напряжение, т.е. Uобр >> 2Uпик.

1.4.2 Двухполупериодная схема выпрямителя

Схема имеет две разновидности: при наличии трансформатора с двумя обмотками используется только два диода, если трансформатор с одной обмоткой, то необходимо четыре диода (рис. 26) . Схема рис. 26,а подходит для низковольтных выпрямителей, в ней последовательно с нагрузкой используется только один диод. В схеме с четырьмя диодами (мостовая) трансформатор используется лучше, хотя последовательно с нагрузкой включены два диода, поэтому потери в диодах в два раза больше. Но потери в трансформаторе меньше за счет меньшего возбуждения гармоник.

Однако эти простейшие выпрямители все чаще заменяют импульсными преобразователями, в которых использование высокой рабочей частоты позволяет применять маленькие и легкие трансформаторы, имеющие значительно большой КПД.

Рис. 26. Схема двухполупериодных выпрямителей (а, б) и временные диаграммы (в)

1.4.3 Многофазные выпрямительные схемы

Существует множество разновидностей выпрямительных схем этого класса. На рис. 27 приведена наиболее простая мостовая схема. Среднее выходное постоянное напряжение составляет 0.955 от пикового значения напряжения между фазами. На выходе выпрямителя также можно включить фильтрующую емкость.

В трехфазных выпрямителях ток нагрузки по очереди поступает из разных фаз линии питания. Ток не может переключаться мгновенно, хотя бы из-за индуктивности цепей питания. Процесс переключения тока из одной фазы в другую называется коммутацией. На рис. 27,б приведены кривые токов и напряжений, иллюстрирующие процесс коммутации в трехфазном мостовом выпрямителе. A, B, C являются напряжениями между фазами и нейтралью, Ia, Ib, Ic - токи в фазах. В момент, обозначенный позицией 1 , ток течет из фазы А через положительный вывод выхода выпрямителя в нагрузку и возвращается через отрицательный вывод в фазу С. Напряжение положительного вывода совпадает с напряжением фазы А. В момент времени 2 положительное напряжение фазы В становятся больше, чем напряжение фазы А, и ток начинает переключаться из фазы А в фазу В. Напряжение, управляющее переключением этого тока, в данном случае является напряжением между фазами А и В. В течение периода переключения выходное напряжение выпрямителя равно среднему значению напряжения фаз А и В. Начиная с момента 3, переключение в фазу В завершается и выходное напряжение выпрямителя начинает повторять напряжение фазы В.

Рис. 27. Трёхфазная мостовая схема выпрямителя (а), процесс коммутации в трёхфазном мостовом выпрямителе (б)

Такой же процесс коммутации имеет место и для отрицательных напряжений, а выходное напряжение моста всегда представляет собой разность между положительным и отрицательным напряжениями на его выходе. Переключение диодов происходит каждые 60 градусов периода выходного напряжения.

1.4.4 Импульсные преобразователи напряжения

Если источник питания, показанный на рис. 28,а, быстро подключить к нагрузке и отключать от нее, то получится график напряжения, показанный на рис. 28,б. Изменением рабочего цикла () включено-выключено можно получить среднее напряжение Uср на нагрузке от (почти) нуля до (почти) полного напряжения питания. Слово «почти» из-за того, что реальные ключи всегда имеют реальное время включенного и выключенного состояния.

Рис. 28. Основы широтно-импульсной модуляции

1.4.5 Преобразователи напряжения понижающего типа

Дополнение схемы рис. 28,а дросселем, ключом - IGBT- транзистором - и обратноходовым диодом позволяет получить схему преобразователя напряжения понижающего типа (рис. 29,а, базовая схема чопперного стабилизатора). Когда транзистор включен, ток через дроссель и нагрузку возрастает. Когда IGBT-транзистор выключается, ток через нагрузку замыкается через цепь, включающую дроссель и обратноходовый диод. Амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке зависит от частоты переключения транзистора и индуктивности дросселя.

Рис. 29. Схема преобразователя напряжения понижающего типа (а) и временные диаграммы (б)

Трансформаторы понижающего типа по сути являются трансформаторами постоянного тока. Если рабочий цикл равен 50 %, то преобразователь эквивалентен трансформатору с коэффициентом трансформации 2:1.

1.4.6 Преобразователи напряжения повышающего типа

На рис. 30 приведена мостовая схема преобразователя напряжения повышающего типа с IGBT-транзистором в качестве ключа (бустерный стабилизатор). Когда ключ закрыт, ток протекает через дроссель, и в нём запасается энергия. После закрывания ключа этот ток заряжает конденсатор, включенный параллельно нагрузке, до напряжения, превышающего напряжения преобразователя.

Рис. 30. Преобразователь повышающего типа (бустерный стабилизатор)

1.4.7 Управляемые преобразователи мостового типа

Комбинация из четырех IGBT-транзисторов образует базовую мостовую схему, широко используемую для управления электродвигателями и ряда других применений (рис. 31).

Рис. 31. Преобразователь мостового типа

Необходимо отметить, что параллельно каждому IGBT-транзистору подсоединены инверсно включенные диоды, обеспечивающие защиту ключей от бросков напряжения при коммутации индуктивной нагрузки. При включенных ключах 1 и 2 ток через нагрузку течет в условно-прямом направлении, а при включенных ключах 3 и 4 - в условно-обратном (симметричный закон управления ключами). Ток в обоих направлениях может быть модулирован широтно-импульсным способом, что позволяет создавать синусоидальное напряжение на нагрузке (рис. 32). На практике выходное синусоидальное напряжение будет более искаженным. Поэтому необходимо использовать относительно более высокую частоту коммутации ключей, а так же фильтр в выходной цепи.

Если сама нагрузка выполняет фильтрующие функции, то она будет подвергаться более сильному нагреванию.

Рис. 32. Формирование синусоидального напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

При управлении ключами в мостовой схеме очень важно исключать случаи, когда одновременно оказываются включёнными все ключи, и цепь питания оказывается замкнутой накоротко. Это может происходить, например, при включении ключей 1 и 2, когда ключи 3 и 4 еще не успели выключиться (сквозные токи протекают по стойке - транзисторы 1 и 4 или транзисторы 2 и 3). Для исключения этих ситуаций используется специальная схема задержки включения одной пары ключей на время, необходимое для завершения процесса выключения другой пары. Управляя амплитуду синусоиды, можно регулировать от (почти) нуля до (почти) полного напряжения питания (см. работу схемы рис. 28).

1.4.8 Управляемые тиристорные преобразователи

Это, в основном, промышленные источники питания с мощностями в несколько киловатт; позволяют производить регулировку выходного напряжения как по величине, так и по знаку. Наиболее широко распространена трехфазная мостовая схема (рис. 33). Без учета коммутационных явлений эта схема обеспечивает диапазон регулировки угла открывания тиристоров в 180°, и на выходе позволяет получать напряжение от полного положительного до полного отрицательного. Возможность переплюсовки выходного напряжения и тока в этой схеме позволяет применять ее для рекуперативного торможения электродвигателей постоянного тока в режиме противовключения. На схеме изображены RC-цепи, включенные параллельно тиристорам и служащие для подавления бросков напряжения при их коммутации, а также варисторы, защищающие преобразователь от перенапряжений по цепям его питания.

Рис. 33. Трёхфазный мостовой преобразователь на тиристорах

На рисунках ниже (рис. 34-36) приведены некоторые характеристики управления тиристорным преобразователем. Включение каждого тиристора осуществляется сдвиг на угол б, равный 30°, позже от перехода через нуль соответствующего напряжения фаза-фаза (линейных напряжений АВ, ВС, АС, точки О на рис. 33), хотя на рисунке для лучшего понимая приведены напряжения фаза-ноль каждой фазы (А, В, С), которые сдвинуты относительно друг друга на 120°. Фазы с возрастающим и убывающим напряжением при включении тиристора замыкаются между собой, а выходное напряжение становится равным среднему напряжению между этими фазными напряжениями. Процесс коммутации точно такой же, как у диодного выпрямителя (рис. 27), только тиристор начинает проводить ток с задержкой, определяемой углом задержки включения б. Положительной шиной преобразователя всегда предполагается самое положительное напряжение в системе, а отрицательной шиной - самое отрицательное напряжение после завершения коммутации.

Рис. 34. Напряжения «фаза-нейтраль» и токи в каждой фазе при индуктивной нагрузке

Рис. 35. Напряжения на положительной и отрицательной шинах преобразователя

Постоянное выходное напряжение преобразователя уменьшается при увеличении угла задержки включения тиристоров. При б = 90° с индуктивной нагрузкой среднее выходное напряжение становится равным нулю. Если 90° < б < 180°, то на выходе будет отрицательное напряжение. При приближении угла б к 180° необходимо учитывать коммутационную аварию.

Рис. 36. Напряжение на выходе преобразователя

Если коммутационные процессы (переключение токов в фазах) не завершатся до того как фаза с уменьшающимся напряжением станет более положительной, чем фаза с увеличивающимся напряжением, передача тока из нагрузи в сеть становится невозможной, весь ток вернется в первоначальную фазу с броском напряжения от положительного до отрицательного (Uвых). Весь ток нагрузки в этом случае замыкается через одну пару тиристоров, что чревато их повреждением вследствие их перегрузки по току. Кроме того, на нагрузку воздействует переменное напряжение большой амплитуды, что тоже может быть нежелательно. Для исключения риска коммутационной аварии необходимо обеспечивать некоторый запас по углу б. Часто угол б ограничивают значением 165°, и запас составляет 15°. В некоторых специальных применениях этот запас может быть регулируем так, что угол задержки включения можно увеличить при уменьшении тока нагрузки. Это позволяет увеличить отрицательное напряжение на входе преобразователя и ускорить процессы рекуперации энергии.

1.4.9 Управляемые однофазные мостовые преобразователи

Для получения управляемого напряжения в однофазных сетях можно модифицировать схему рис. 26,б, заменив одну пару диодов на однооперационные тиристоры (рис. 37). Изменяя угол открывания 0° < б < 180°, можно регулировать выходное напряжение от максимального до нуля.

Рис. 37. Однофазный преобразователь (а) и временные диаграммы (б)

Этот источник напряжения позволяет получить регулируемое напряжение, но только одного знака, и иногда его называют полурегулируемым (в отличие от полностью регулируемого источника схемы рис. 32).

2. УПРАВЛЕНИЕ ДПТ

2.1 Параметрическое управление ДПТ

ДПТ малой мощности может управляться параметрическим способом (например, изменением параметров якорной цепи за счёт изменения дополнительного сопротивления, который включен последовательно с отмоткой якоря). К параметрическому способу управления относится и управление двигателем от линейных транзисторных усилителей (транзистор работает в активном режиме). Для реверсивного управления ДПТ при одном источнике питания используют транзисторные мостовые выходные каскады. На рис. 38 показана принципиальная схема усилителя, управляющего ДПТ параметрическим способом. В схеме использована отрицательная обратная связь по напряжению на обмотке якоря, необходимая для придания требуемых показателей качества СУ. Для этой схемы возможны два способа управления двигателем:

1. Управление при большом начальном токе (токе покоя) транзисторов мостовой схемы, равной . Тогда при идентичных характеристиках транзисторов напряжение на обмотке якоря двигателя равно нулю. При появлении сигнала управления на входе схемы Uвх > 0 увеличиваются токи Iк2, Iк3 коллекторов транзисторов VT2, VT3 и уменьшаются токи Iк1, Iк4 коллекторов транзисторов VT1, VT4, в результате на обмотке якоря появляется напряжение соответствующей полярности. При изменении полярности Uвх увеличиваются Iк1 и Iк4 и уменьшаются Iк2 и Iк3 , напряжение на обмотке якоря ДПТ также изменяет свою полярность. Поскольку приращение токов коллекторов Iк1 и Iк3 при управлении будут равны по модулю и противоположны по знаку, то суммарный ток, потребляемый мостовой схемой от источника питания с напряжением Un ,будет равен и не зависит от режима работы двигателя. Поэтому электрические показатели привода будут неудовлетворительными (мощность усилителя равна Uп 2/Rдв - как в пусковом режиме). На транзисторах будет выделяться всегда большое количество тепла, что потребует больших радиаторов, отводящих это тепло (большие габариты устройств).

2. Управление при малом токе покоя транзисторов мостовой схемы, т.е. при Uвх = 0 Iк1 = Iк2 = Iк3 = Iк4 = 0.

При появлении сигнала управления Uвх какого либо знака открываются транзисторы только одной диагонали (например, при Uвх > 0 открываются транзисторы VT2 и VT3, а при Uвх < 0 - VT1 и VT4) и токи увеличиваются пропорционально величине Uвх'. Наибольшая мощность в транзисторах будет выделяться только в пусковом режиме (In ? 8-10 Iн).

Рис. 38. Схема реверсивного параметрического управления ДПТ

2.2 Импульсное управление ДПТ

Находит широкое применение в следящих приводах, что объясняется высокой надежностью и высоким коэффициентом полезного действия полупроводниковых усилителей (преобразователей), работающих в режиме переключения. Сущность импульсного управления угловой скоростью двигателя состоит в регулировании среднего значения напряжения на обмотке якоря ДПТ путем изменения соотношения времени включенного (режим насыщения) и отключенного (режим отсечки) состояний ключей выходного каскада усилителя мощности (ШИМ). Конечно, импульсный характер напряжения на обмотке якоря приводит к пульсации вращающего момента ДПТ, т.е. к пульсации угловой скорости якоря в интервале времени периода импульсного напряжения на якорной обмотке. Размах колебаний угловой скорости зависит от частоты следования импульсов. Чем выше частота переключений ключей, тем меньше колебания угловой скорости при прочих равных условиях (обычно в пределах 1-10 кГц).

2.2.1 Транзисторные нереверсивные схемы управления ДПТ

Простейшая схема для управления ДПТ приведена на рис. 39, где в качестве ключа используется биполярный транзистор. VT1 коммутируется с частотой fком = 1/T и скважностью г = tи / T, в результате чего к обмотке якоря прикладывается последовательность однополярных импульсов напряжения. Диод VD1 в этой схеме предназначен для замыкания цепи тока от ЭДС самоиндукции обмотки якоря при закрытом транзисторе VT1. Кроме того, через диод VD1 замыкается цепь тока под действием противо-ЭДС в обмотке якоря двигателя при закрытом VT во время работы ДПТ в режиме противовключения, если до момента работы схемы двигатель вращался под действием нагрузки в другую сторону. При некоторых режимах двигателя диод VD1 может уменьшать и величину ЭДС самоиндукции (якорь двигателя обладает индуктивностью Lя).

При отсутствии угла рассогласования транзистор VT1 закрыт, напряжение Un к якорю не поступает, и выходной вал привода неподвижен. Если имеется активный положительный момент сопротивления нагрузки, то под его воздействием вал будет двигаться. При этом наводимая в обмотке якоря противо-ЭДС вызывает появление тока по цепи Я-VD1-Я, который создает момент электродинамического торможения (якорь закорочен).



Рис. 39. Простейшая схема нереверсивного импульсного управления ДПТ с БТ (а) и временные диаграммы напряжения и тока в ДПТ (б)

При активном отрицательном моменте нагрузки наводимая в обмотке якоря противо-ЭДС закрывает диод VD1, ток в цепи якоря отсутствует, и двигатель не будет тормозиться (ДПТ в качестве маховика).

Когда появляется угол рассогласования в СУ, на транзистор VT1 от модулятора длительности импульсов начинает поступать последовательность знакопеременных импульсов, скважность которых зависит от величины рассогласования. VT1 во время импульса положительной полярности на базе будет открываться, подключая якорь двигателя к источнику питания. Ток Iя создаст момент, приводящий двигатель в действие. Когда транзистор закрыт, ток Iя будет уменьшаться, будет в обмотке генерироваться ЭДС самоиндукции. В результате диод VD1 откроется, закорачивая якорную обмотку (динамическое торможение). В зависимости от скважности управляющих импульсов г и момента нагрузки ДПТ может работать с непрерывным протеканием тока в цепи якоря или ток Iя имеет прерывистый характер (рис. 30,б). В последнем случае ДПТ, когда Iя = 0, будет работать в качестве маховика.

Главные недостатки схемы рис. 39:

а) отсутствие режима генераторного торможения;

б) могут быть моменты, когда двигатель работает в качестве маховика.

Для устранения этих недостатков схема управления ДПТ реализуется на двух ключах, один из которых VT2 и VD1 включен параллельно обмотке якоря (рис. 40) и работает в противофазе с другим ключом (VT1, VD2). Для уменьшения инверсных токов в транзисторе VT1 последний шунтируется диодом VD2.

В этом варианте схемы при отсутствии угла рассогласования VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт и вместе с диодом VD1 образует контур для закорачивания якоря двигателя для противо-ЭДС при любом знаке активного момента.

При появлении в СУ угла рассогласования транзисторы VT1 и VT2 коммутируются в противофазе (т.е. VT1 открыт, VT2 закрыт, и наоборот), обеспечивая тем самым в отличие от схемы рис. 39 непрерывный ток Iя в обмотке якоря при любых значениях момента нагрузки и угловой скорости. Так, например, при закрытом VT1 и малом моменте нагрузки на валу ток Iя уменьшается до нуля (см. рис. 39,б), протекая чрез шунтирующий диод VD1, а затем под действием противо-ЭДС изменяет направление и увеличивается в другую сторону, замыкаясь по цепи Я-VT2-Я (Iя = Iк2). При появлении следующего импульса, т.е. когда транзистор VT1 откроется, а VT2 закроется, ток в обмотке якоря двигателя не исчезает (хотя VT2 закрывается), так как за счет запасенной энергии в индуктивности якоря возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает в ней ток в прежнем направлении, но по другой цепи Я-VD2-Un-Я. На этом интервале периода коммутации имеет место режим рекуперативного торможения с отдачей энергии в цепь источника питания. Если при Uбэ1 > 0 ток Iя успевает уменьшиться до нуля, то далее он увеличивается под действие напряжения Un, приложенного к обмотке якоря через открытый VT1 (двигательный режим). Затем описанные явления повторяются.

Рис. 40. Улучшенная транзисторная схема импульсного управления ДПТ

Недостатком схемы является возможность появления сквозных токов через транзисторы VT1 и VT2 в моменты их переключения. Другой недостаток схем рис. 39 и рис. 40 - невозможность реализации режима противовыключения для увеличения быстродействия электропривода, так как нет возможности перекоммутировать полярность источника Un.

2.2.2 Транзисторные реверсивные схемы управления ДПТ

Реверсивные импульсные схемы управления ДПТ стандартно выполняются по схеме моста и реализуются с помощью четырех симметричных ключей. Вариант реализации показан на рис. 41. Транзисторы выполняют функции ключей, а диоды в зависимости от состояния схемы защищают насыщенный транзистор от инверсных режимов и уменьшают напряжение Uкэ в момент перехода транзистора в режим отсечки.

Схема рис. 41 обеспечивает все режимы работы ДПТ. Для этого применяют симметричную коммутацию транзисторов (ключей) и несимметричную коммутацию.



Рис. 41. Реверсивная транзисторная импульсная схема управления ДПТ

При симметричной коммутации транзисторов выходного каскада преобразователя противофазно коммутируются транзисторы в диагонали моста VT1, VT4 и VT2, VT3. Когда отсутствует сигнал рассогласования в СУ скважность управляющих диагональю импульсов г = 0,5. В результате в течение половины периода в якорной цепи протекает ток в одном направлении (когда открыты VT1 и VT4, а VT2 и VT3 заперты), в течение второго полупериода состояние ключей в диагонали меняется на противоположное и ток через якорь будет протекать в противоположном направлении (открыты VT2 и VT3, а VT1 и VT4 закрыты). При этом Uдв ср = 0. Если г > 0,5, то Uср > 0 (положительные напряжения), при г < 0,5 Uср < 0 (отрицательные напряжения). За значение tи берётся ширина импульса положительной полярности (рис. 39,б).

При несимметричной коммутации транзисторы одной стойки моста (VT1, VT3 или VT2, VT4) принимают определенное состояние при одном знаке рассогласования (для одного направления вращения вала). Например, VT4 открыт, VT2 закрыт (можно и наоборот, всё зависит от простоты реализации схемы). Тогда при отсутствии сигнала рассогласования в СУ реализуется управление другой стойкой моста так, чтобы транзистор VT3 был открыт, а VT1 закрыт. Тогда пара ключей VT3,VT4 вместе со своими диодами закорачивают цепь якоря, обеспечивая электродинамическое торможение.

При появлении сигнала рассасывания транзисторы стойки VT1, VT3 коммутируются на время пропорциональное скважности г (следовательно и величине рассогласования СУ). При изменении знака рассогласования коммутируются транзисторы другой стойки моста. Как отмечалось, при управлении мостовой схемы необходимо принимать меры против возникновения сквозных токов в стойках моста при коммутации ключей.

При изучении работы выходных каскадов, питающихся от сети постоянного тока, предполагалось, что через источник питания могут протекать рекуперативные токи (возврат энергии в сеть). К таким источникам относятся генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи.

Если напряжение питания является выпрямленное напряжение источника переменного тока, то следует иметь в виду, что существующие выпрямители обеспечивают протекание тока только в одном направлении, т.е. обладают так называемым вентильным эффектом (см. раздел 1). Рекуперация энергии в таких схемах невозможна, а следовательно, в электроприводах с ДПТ будет отсутствовать режим генераторного торможения, если не считать небольших тормозных моментов, возникающих вследствие заряда конденсатора фильтра выпрямителя.

В СУ этого недостатка можно избежать, применяя специальные цепи для «слива» избыточной энергии. Некоторые варианты таких цепей показаны на рис. 42, где приведена учебная принципиальная схема привода с мостовой схемой выходного сигнала.



Рис. 42. Реверсивная транзисторная схема привода ДПТ со схемами «слива» энергии на IGBT-транзисторах (а) и на БТ (б)

Входное напряжение рассогласования вместе с высокочастотным пилообразным напряжением (генератор пилы DA1, DA2) поступает на вход коммутатора (триггера) (DA3). В результате на выходе DA3 будет иметь последовательность высокочастотных знакопеременных импульсов напряжения, скважность г которых пропорциональна сигналу Uвх.

Импульсные сигналы с выхода DA3 и проинвертированные сигналы с DA4 поступают на транзисторы VT3, VT4, VT6 и VT8 выходного каскада привода, мостовая схема которого выполнена на комплементарных (идентичные характеристики, но разная проводимость - p-n-p и n-p-n ) VT4…VT7. Управление транзисторами VT4, VT5 осуществляется непосредственно с выходов DA3, DA4, а для управления VT5, VT7 используются инверторы напряжения, выполненные на транзисторах VT3, VT8. При положительном напряжении на выходе DA3 этот сигнал положительной полярности поступает на транзисторы VT4 и VT8, вследствие чего эти транзисторы закрываются, и оказывается закрытым и ключ VT7. С выхода DA4 сигнал имеет другую полярность (отрицательное напряжение) и транзисторы VT3, VT5 и VT6 будут отпертыми. В диагонали моста VT5 и VT6 открыты, и через якорь двигателя будет протекать ток. При смене знака напряжения на DA3 состояние ключей моста изменится на противоположное. Частота коммутации диагоналей моста определяется частотой генератора пилы. При отсутствии рассогласования на входе СУ (Uвх=0) скважность импульсов управления транзисторами равна г = 0,5 (половину периода в якоре будет протекать ток в одном направлении, вторую половину - в противоположном) и Uдв ср = 0. Таким образом, в схеме рис. 42 реализован симметричный закон управления силовыми ключами. При г? 0,5 двигатель будет вращаться в одну сторону (г < 0,5), а при г > 0,5 - в противоположную.

При потреблении тока двигателем в схеме «слива»-1 транзистор VT1 заперт, так как стабилитрон VD1 закрыт. При рекуперации энергии напряжение на емкости возрастает, запирается выпрямитель, а напряжение на делителе R1, R2 выбирается так, что стабилитрон пробивается, открывая транзистор VT1.

В схеме «слива» -2 в отсутствии рекуперации энергии транзистор VT2 тоже закрыт вследствие малого падения напряжения на открытом диоде VD2. При рекуперации энергии ток меняет направление, диод VD2 запирается и транзистор VT2 открывается. Если транзистор VT2 имеет те же параметры, что и ключи мостовой схемы, то резистор R5 может отсутствовать (можно не применять).

Существуют транзисторные схемы управления ДПТ, которые запитываются непосредственно от сети переменного тока (без выпрямителя) для параметрического и импульсного управления [5].

2.2.3 Тиристорные схемы управления ДПТ

Тиристорные усилители мощности, допускающие коммутацию токов до нескольких тысяч ампер при напряжении до нескольких тысяч вольт, нашли широкое применение для управления электродвигателями значительных мощностей. Если управление двигателем производится по мостовой схеме от источников постоянного тока с использованием двухоперационных тиристоров (более простые схемы управления), то применяются те же способы коммутации ключей, что и для транзисторных схем. Технология изготовления таких тиристоров интенсивно развивается в последние десятилетия, что позволяет выпускать двухоперационные тиристоры с хорошими характеристиками, но они еще довольно дорогие. Применение тиристоров типа SCR в таких схемах ограничено трудностями с их запиранием (необходимо применение схем искусственного запирания). Поэтому однооперационные тиристоры широко используются при питании схем непосредственно от сети переменного тока. Тогда их запирание осуществляется естественным путем и происходит в моменты времени, когда ток тиристора уменьшается до нуля (меньше тока удержания) под действием напряжения соответствующей фазы источника питания.

Для реверсивного управления ДПТ, в отличие от схемы источника с двухполупериодным выпрямлением, необходимо иметь две группы тиристоров, каждая из которых обеспечивает знак напряжения питания на якоре и одно направление движения вала.

2.2.3.1 Раздельное управление тиристорными группами

Схема преобразователя для трёхфазной сети и однополупериодного выпрямления каждой фазы схемы преобразователя показана на рис. 43,а, где изображены только вторичные обмотки фаз A, B, C и А', B', C' силового трансформатора. Для лучшего понимания последующего текста пунктирной линией показаны полярность противо-ЭДС СеЩдв и направление тока Iя в цепи якоря двигателя для одного исправления вращения вала, и полярность ЭДС самоиндукции при уменьшении тока Iя. На управляющие электроды однооперационных тиристоров подаются импульсы сигнала управления. Изменяя моменты включения тиристоров, можно изменять среднее значение напряжения на обмотке якоря двигателя, а следовательно, регулировать его угловую скорость.

На практике используют два основных метода управления тиристорными группами; метод раздельного управления и метод совместного управления. На рис. 43 приведена схема тиристорного управления ДПТ, приспособленная для раздельного метода управления.

Для обеспечения вращения вала двигателя в одну сторону импульсы сигнала управления подаются только на тиристоры одной группы (VS1, VS2, VS3 или VS4, VS5, VS6), работающей как выпрямитель. Для изменения направления вращения вала ДПТ прекращается подача сигнала управления на тиристоры одной группы, а затем после снижения до нуля тока тиристоров этой группы, сигналы управления подаются на тиристоры другой включаемой группы. Момент снижения тока до нуля фиксируется датчиком ток DТ1 или DТ2. Иногда в таких схемах задержка включения тиристоров следующей группы осуществляется введением временного запаздывания в схему управления тиристорами. Управление скоростью вала двигателя (Щдв) осуществляется путем регулирования угла включения тиристоров б, который обычно отсчитывается от точек естественного включения тиристоров - точек пересечения положительных полуволн синусоид фазных напряжений источника питания (линейные напряжения UАВ, UВС , UСD равно нулю (см. рис. 43, а-б). Для схемы рис. 43 угол б может изменяться от нуля до 150° (с этого момента фаза A уже будет отрицательной).

Если управляющие импульсы подаются на тиристоры VS1, VS2, VS3, то в зависимости от значений угла б и угловой скорости Щдв (или момента сопротивления нагрузки) в системе электропривода в ДПТ могут быть режимы прерывных и непрерывных токов.



Рис. 43. Тиристорная схема управления ДПТ методом раздельного управления (а), временные диаграммы в первой группе тиристоров VS1, VS2, VS3 в точке М (б) и временные диаграммы во второй группе тиристоров VS4, VS5, VS6 в точке N (в)

Пусть при некотором значении угловой скорости ?дв1 и соответствующей ей противо-ЭДС CE?дв1 тиристор VS1 включается в момент времени 1 (рис. 43,б). Под действием разности напряжений UА-CE?дв1 ток в обмотке якоря нарастает вследствие работы контура UА-VS1-Я-UА. Поскольку фазное напряжение изменяется по синусоиде, то в некоторый момент времени ток в обмотке якоре достигает максимума, а затем уменьшается. Начиная с момента времени 2 (когда CE?дв1 = UА) до момента 4, ток в обмотке якоря поддерживается за счёт ЭДС самоиндукции этой обмотки. От момента времени 4 до момента 5, когда включается тиристор фазы В, ток в обмотке якоря равен нулю (двигатель как маховик). Таким образом, в области прерывистых токов ток в обмотке якоря нарастает каждый раз с момента времени, соответствующего углу б, если в момент подачи импульса сигнала управления соблюдается условие Uфаз > CE?дв1. На интервале времени 3..4 энергия, запасённая в электромагнитном поле якоря, рекуперируется в источник питания (ДПТ-генератор).

Импульсы сигнала управления тиристором должны быть достаточной длительности, так как в момент его подачи может быть Uфаз < CE?дв1 и тиристор не включится. Поэтому угловая скорость ?дв1 под действием момента сопротивления нагрузки на валу двигателя будет уменьшаться до тех пор, пока в момент подачи импульса сигнала управления на тиристор какой-либо фазы не окажется, что Uфаз > CE?дв1 и тиристор включится. Обычно минимальная длительность импульсов управления должна быть близка к значению р/m, где m - число фаз.

Если при том же угле включения тиристоров б под влиянием момента сопротивления нагрузки на валу двигателя его угловая скорость стала меньше, т.е. уменьшилось значение противо-ЭДС CE?дв2, то ток в обмотке якоря после смены знака фазного напряжения (точка 3) может не успеть уменьшиться до нуля к моменту включения тиристора следующей фазы (момент 3-5). Хотя в этот промежуток времени напряжение фазы А имеет отрицательное значение, тиристор VS1 не закрывается из-за ЭДС самоиндукции, которая стремится сохранить цепь протекания якорного тока. Величина ЭДС самоиндукции равна , и она больше величины UА+CE?дв2. В момент времени 5 открывается тиристор VS2 под действием фазного напряжения UB и ЭДС самоиндукции, начинается процесс коммутации тока из фазы А в фазу В. Так как , то эта составляющая Iя будет компенсировать убывание тока Iя, что соответствует уменьшению ЭДС самоиндукции и тиристор VS1 закроется.

При раздельном управлении только одной тиристорной группой генераторное торможение невозможно, так как тиристоры открываются только при положительной полуволне фазного напряжения Uфаз, а при CE?дв > Uфаз, когда требуется изменение направления тока якоря, тиристоры закрыты напряжением CE?дв - Uфаз.

Для обеспечения режимов генераторного торможения ДПТ при раздельном управлении тиристорными группами используют вторую группу тиристоров (VS4, VS5, VS6), которая работает в инверторном режиме.

Инверторным называется такой режим, когда с помощью импульсов сигнала управления тиристоры открыты большую часть времени в области отрицательных полуволн фазных напряжений питания. При этом направление тока в обмотке якоря противоположно знаку напряжения инверторной группы и соответствует знаку противо-ЭДС ДПТ, работающего в генераторном режиме.

В простейшем варианте схемы рис. 43,а при раздельном управлении импульсы сигнала управления подаются на инверторную группу тиристоров только при уменьшении тока в выпрямительной группе до нуля, и наоборот, сигналы управления поступают на выпрямительную группу только при отсутствии тока в инверторной группе. Отсутствие тока в группах тиристоров в схеме фиксируется датчиками тока, а с помощью логических схем осуществляется блокировка управления соответствующими группами тиристоров.

При работе инверторной группы тиристоров положение импульсов сигнала управления отсчитывается так же, как и для выпрямительной группы: от точки пересечения фазных напряжений (соответствующие линейные напряжения равны нулю). Углы включения инверторных тиристоров носят название углов опережения в (см. рис. 43,в). Как и ранее, в зависимости от угла в и величины противо-ЭДС CE?дв (или величины момента на валу ДПТ), при работе с инверторной группой тиристоров могут быть режимы прерывистых и непрерывных токов в обмотке якоря (рис. 43,в).

Пусть в момент времени 1 тиристор VS4 был закрыт, а на тиристор VS5 поступил отпирающий импульс сигнала управления. Тогда ток в обмотке якоря начинает увеличиваться под действием суммы напряжений CE?дв1+UВ' до момента времени 2. На интервале 1..2 имеет место режим противовключения. На интервале 2..3 ток в обмотке якоря определяется разностью напряжений CE?дв1-UВ'. Двигатель работает в режиме рекуперативного торможения. Далее на интервале 3..4 ток в обмотке якоря определяется ЭДС самоиндукции обмотки якоря (ток Iя уменьшается) и также имеет место режим рекуперативного торможения. В момент времени 4 ток в обмотке якоря равен нулю, тиристор VS5 закрывается. В момент 5 отпирающий импульс сигнала управления поступает на VS6 и т.д.

Если при данном значении CE?дв1 увеличить угол в или при неизменном в увеличить CE?дв1, то к моменту открывания тиристора следующей фазы ток в тиристоре предыдущей фазы может не успеть уменьшиться до нуля. Тогда в схеме будет иметь место режим непрерывных токов (рис. 43,в). В режиме непрерывных токов тиристор предыдущей фазы напряжения питания закрывается под действием разности фазных напряжений сети питания (например, UС'-UВ' напряжение) в момент поступления импульса сигнала управления на тиристор последующей фазы и с уже ранее описанным процессом коммутации. При этом необходимо чтобы минимальное значение угла в было не меньше, чем соответствующее ему время восстановления запирающих свойств тиристора. Иными словами, тиристор предыдущей фазы (например, VS4) должен успеть закрыться под действием разности напряжений UВ'-UА' до момента времени, соответствующего точке пересечения отрицательных полуволн фазных напряжений UА' и UВ', иначе знак разности UА'-UВ' изменится и тиристор VS4 останется в открытом состоянии. После изменения знака UА' ток через тиристор резко возрастает, так как в контуре Я-UА'-VS4-Я противо-ЭДС суммируется с UА'. Это порождает коммутационную аварию (см. тиристорный источник питания).

Таким образом, с помощью инверторной группы тиристоров на всех промежутках происходит торможение ДПТ (за исключением промежутков времени, когда Iя = 0 и двигатель работает в качестве маховика). Значение противо-ЭДС уменьшается, если тормозной эффект превышает эффект разгона от действия активного момента на валу двигателя. В противном случае скорость ДПТ будет увеличиваться (этот эффект следует учитывать при выборе ДПТ для активной нагрузки при синтезе электропривода).

Чтобы механические характеристики в двигательном режиме и генераторном совпадали, обычно принимают, что б = в. Для реверса скорости вращения ДПТ функциональное назначение группы тиристоров меняется за счёт изменения моментов подачи сигналов управления.

Достоинство раздельного управления группами тиристоров - высокий КПД.

Недостатки - сложность реализации схем управления тиристорами; возможны промежутки времени работы в режиме прерывистых токов (Iя = 0) и особенно эти промежутки возрастают при смене группы тиристоров, так как датчики тока должны быть отстроены от ложного срабатывания от прерывистых токов.

2.2.3.2 Совместное управление тиристорными группами

При совместном управлении тиристорными группами импульсы сигнала управления подаются одновременно на обе тиристорные группы, в которых одна работает как выпрямитель, а другая - как инвертор. Схема включения тиристорных групп показана на рис. 44,а.

Если угол включения тиристоров выпрямительной группы равен б, то угол включения инверторной группы принимается равным в = б (линейное согласование выпрямительной и инверторной групп). При б = в = 90° Uпдв = 0 и двигатель будет находиться в состоянии покоя. Если б > 90°, то функциональное назначение тиристорных групп меняется, и двигатель будет вращаться в другую сторону.

В схеме (рис. 44,а) присутствуют два источника питания (выпрямительная и инверторная группы тиристоров, в которых тиристоры могут быть одновременно открыты и без специальных мер, минуя якорную цепь, могут протекать выпрямительные токи). Так как мгновенные значения этих источников - части синусоид, то с помощью дросселей L1 и L2 в какой-то мере удаётся уменьшить эти токи, т.е. развязать источники и значительно снизить нежелательный эффект. На рис. 44,б показаны процессы, происходящие в схеме при совместном регулировании тиристорными группами при б = в = 60°.

Рис. 44. Тиристорная схема управления ДПТ методом совместного управления (а), временные диаграммы работы схемы (б)

Недостатками совместного управления тиристорами являются присутствие уравнительных токов, большие габариты устройств из-за уравнительных дросселей и увеличение постоянных времени Тм и Тя.

К достоинствам следует отнести более простую реализацию схем управления тиристорами и лучшие качества электропривода из-за меньшего времени работы при Iя = 0 (особенно «мёртвого» времени управления при смене тиристорных групп).

На практике применяются различные методы управления тиристорами в зависимости от мощности следящего привода и предъявляемых к нему требований.

2.2.3.3 Двухполупериодные тиристорные схемы управления ДПТ

Для мощных ДПТ проблема быстрого изменения направления вращения вала двигателя с рекуперацией энергии (например, на сталепрокатных станах) может быть решена благодаря использованию двухполупериодных преобразователей (см. рис. 33), включённых параллельно и инвертно по отношению друг к другу. Если выходы преобразователей непосредственно соединены друг с другом, то, во избежание короткого замыкания, один из них должен быть выключен, когда другой включён (применяется раздельное управление преобразователями). При использовании реакторов (дросселей) для соединения выходов преобразователей с нагрузкой (ДПТ) достигается возможность их одновременной параллельной работы. Реакторы при этом сглаживают пульсации напряжения и обеспечивают развязку преобразователей по постоянному току. Если один преобразователь имеет угол задержки включения б, то другой должен иметь угол задержки включения 180°-б. Схема такой сдвоенной конструкции приведена на рис. 45. Эта схема наряду с быстродействием обеспечивает мягкий переход от положительного к отрицательному току двигателя, что очень важно для формирования оптимального отклика в системе.

В ранее рассмотренной схеме (рис. 44) использованы два однополупериодных выпрямителя. Поэтому один их них разгонял двигатель до нужной скорости, а другой притормаживал. В схеме рис. 45 как один, так и другой выпрямители в точке М выравнивают напряжения одного знака, что позволяет управлять очень мощными ДПТ.



Рис. 45. Схема управления ДПТ с реверсированием и рекуперированием

При угле задержки включения б=90° на выходе каждого из источников напряжение равно нулю. При увеличении б (б > 90°) источники меняют полярность выходного напряжения - двигатель будет вращаться в другую сторону.

3. УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

3.1 Управление трёхфазными АД

При пуске двигателя в ход на полное напряжение сети возникает большой бросок тока, который в двигателях большой мощности или в сетях с ограниченной мощностью может вызвать значительные падения напряжения, отрицательно сказывающиеся на других потребителях энергии. К тому же пусковой момент невелик. Тем не менее, при пуске двигателей небольшой мощности с короткозамкнутым ротором (часто используются в СУ) применяют включение, называемое прямым пуском.

Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором большой мощности, а также двигателей средней мощности при ограниченной мощности сети осуществляют при пониженном напряжении. Например, между сетью и обмотками статора на время пуска подключают добавочные активные или индуктивные сопротивления (рис. 46), на которых создаются падения напряжения, пропорциональные пусковому току, в результате чего при больших пусковых токах к статору прикладывается пониженное напряжение. По мере разгона ротора ток и падения напряжения на сопротивлениях уменьшаются, а напряжение на статоре возрастает.

Рис. 46. Схема пуска АД с добавочном резистором (а), с добавочной индуктивностью (б)

В некоторых промышленных установках используют переключение обмоток статора со «звезды» на «треугольник». Пуск происходит при соединении обмоток статора в «звезду». В этом случае фазные напряжения и ток уменьшаются в раз, а линейный ток в 3 раза по сравнению с прямым пуском. После разгона двигателя обмотки статора переключают в рабочее положение, т.е. соединяют «треугольником».

Особенностью способов пуска при пониженном напряжении является значительное по сравнению с прямым пуском уменьшение вращающего момента. Поэтому такой пуск применяют, как правило, на холостом ходу без нагрузки, хотя множество механизмов (например, вентиляторы, насосы) способны стартовать и при пониженном пусковом моменте. При этом, вопреки здравому смыслу, при использовании уменьшенного пускового тока двигатель подвергается большим температурным воздействиям, чем при прямом включении его в сеть. Интеграл оказывается больше из-за увеличенного времени выхода на рабочий режим , хотя ток меньше. При этом следует ещё проявлять осторожность, так как из-за воздушного охлаждения (вентилятор на валу ротора), пока вал не начнёт вращаться, существенного отвода тепла не происходит.

Пуск двигателей с фазным ротором целесообразно проводить путём включения в цепь ротора добавочного сопротивления. При таком пуске не только уменьшается бросок тока в статоре, но и резко возрастает пусковой момент. Автоматический пуск рассматриваемым способом можно также осуществить в функции частоты тока в роторе. Для этого обмотки реле частоты, срабатывающих при определённом скольжении S, подключают к щёткам одной из фазных обмоток ротора.

Для регулирования частоты вращения АД очень широко используют ключевые мостовые схемы, элементы которых могут выдерживать большие напряжения и токи, зачастую действующие одновременно. Если в схему мостового преобразователя (рис. 31) добавить ещё одну секцию их двух транзисторов, то получится схема управления трёхфазным АД (рис. 47). Данная схема (инвертор) должна преобразовывать энергию источника постоянного тока в энергию сигнала переменной частоты с низкочастотным гармоническим составом и регулируемым выходным напряжением и частотой. Выполнение этих требований обеспечивает применение инверторов напряжения с ШИМ. Схема (рис. 47) содержит входной неуправляемый выпрямитель, емкостной фильтр и собственно трёхфазный мостовой инвертор. Мостовое соединение транзисторных ключей позволяет получить двухполярное напряжение на обмотке двигателя при однополярном источнике питания. Индуктивный характер нагрузки учитывается подключением к основным ключам встречно-параллельных диодов, обеспечивающих непрерывность протекания тока в обмотке при отключении её от источника и возврат запасённой магнитной энергии только в конденсатор фильтра. Так как входной диодный выпрямитель не проводит ток в обратном направлении, для двигателей с высокой интенсивностью тормозных режимов предусмотрена специальная схема рассеивания рекуперативной электрической энергии (цепь «слива», см. также рис. 42). В данной схеме применяется поочерёдная коммутация ключей при модулируемом по ширине (ШИМ) сигнале управления. То есть коммутируются ключи VS1, VA2, Vs3, Vs4,VS5, VS6 в разнице во времени T\6 и каждый транз-р остаётся включённым в течении Т\2. В результате выходной сигнал инвертора состоит из прямоугольных импульсов напряжения различной ширины (рис. 47,б).

Схема управления должна обеспечить выходные напряжения в стойках схемы, сдвинутых относительно друг друга на 120°.



Рис. 47. Транзисторный инвертор напряжения (а) и выходное напряжение фазы ШИМ-инвертора (б)

Обмотка АД представляет собой RL-нагрузку. Для управления скоростью вращения трёхфазного двигателя чаще всего изменяют частоту источника питания АД (инвертора), при этом изменяется индуктивное сопротивление обмотки статора и, соответственно, ток. Чтобы поддержать ток в обмотке статора постоянным, для сохранения неизменным (постоянным) вращающего момента используют соответствующее регулирование выходного напряжения от частоты. Для постоянства момента необходимо соблюдать соотношение . Эта зависимость для АД может задаваться графически (рис. 48,а). Такое частотное управление позволяет решить вопросы пуска АД при малой частоте (малое напряжение). При частотном управлении скорость АД почти не зависит от его нагрузки (а значит, и от вращающего момента, вплоть до критических значений, при которых возникает эффект скольжения), но сильно зависит от частоты выходного сигнала преобразователя (рис. 48,б).

...