книги из ГПНТБ / Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока

6П2.15

Г52 УДК 621.314.632 : 62-83

Рецензент А. В. Башарин

Глазенко Т. А.

Г52 Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л., «Энергия», 1973.

304 с. с ил.

В книге освещен круг вопросов, возникающих при исследовании, проектирова­ нии и расчете тиристорних и транзисторных широтно-импульсных преобразователей (ШИП) и систем электропривода на их основе. Рассматривается теория установив­ шихся и переходных электромагнитных и электромеханических процессов в систе­ мах «ШИП — двигатель постоянного тока>. Особое внимание уделяется методике расчета и выбору параметров силовых и коммутирующих цепей ШИП. Приводятся основные характеристики электроприводов, построенных на основе различных схем транзисторных и тиристорных преобразователей.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников, зани­ мающихся проектированием и эксплуатацией систем электропривода и полупровод­ никовых преобразовательных устройств. Она может быть полезна также студентам вузов, специализирующимся в указанной области.

постоянном токе и упростит процессы управления пусковыми и тормозными режимами. Применение ШИП в приводах подач и главного движения преци­ зионных станков и станков с числовым и программным управлением позволило улучшить их технико-эконо­ мические показатели.

Система «ШИП — малоинерционный двигатель по­ стоянного тока с гладким или полым ротором» спо­ собна в некоторых случаях заменить пневмо- и гид­ ропривод.

Создание столь разнообразных по выполняемым задачам и условиям работы преобразователей с ши- ротно-импульсной модуляцией возможно лишь на основе глубокого понимания электромагнитных про­ цессов в них.

Целью настоящей книги является последователь­ ное рассмотрение комплекса вопросов, возникающих при проектировании, расчете и исследовании полу­ проводниковых ШИП и систем электропривода, со­ здаваемых на их основе. Книга явилась в основном результатом исследований и разработок, проводи­ мых автором с 1960 г. на кафедре электротехники ЛИТМО в области полупроводниковых преобразова­ тельных устройств для систем электропривода. Ав­ тор попытался также обобщить и систематизировать некоторые сведения из литературы по рассматривае­ мому вопросу. Автор выражает благодарность сотруд­ никам и аспирантам кафедры электротехники ЛИТМО С. Г. Герману-Галкину, В. И. Иришкову, Л. А. Мозоляко, В. А. Толмачеву и В. В. Тогатову за помощь в проведении некоторых исследований.

Искренне благодарю проф., доктора техн. наук А. В. Башарина, сделавшего ряд ценных замечаний при рецензировании рукописи.

Отзывы и замечания по книге просьба направлять по адресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение издательства «Энергия».

Автор

Глава первая

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ПОСТОЯННОГО ТОКА С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА ДВУХОПЕРАЦИОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ

1-1. Выходные каскады ШИП на полностью управляемых полупроводниковых приборах

Среди автоматизированных электроприводов большую группу со­ ставляют регулируемые электроприводы. Основными критериями их оценки являются диапазон и экономичность регулирования скорости вращения, возможность обеспечения оптимального протекания пере­ ходных процессов и удобство управления системой. Наиболее совер­ шенными в этом плане являются электроприводы с исполнительными двигателями постоянного тока, регулируемыми по цепи якоря. Область применения систем «регулятор напряжения — двигатель постоянного тока» в последние годы существенно расширилась благодаря появле­ нию малоинерционных машин постоянного тока с гладким и полым ротором. Появилась возможность создания быстродействующих сле­ дящих систем с частотной полосой пропускания, аналогичной полосе пропускания пневмо- и гидропроводов.

Весьма перспективным для создания быстродействующих систем электропривода постоянного тока являются полупроводниковые уси­ лительно-преобразовательные устройства, приборы которых работают в режиме переключения. По сравнению с другими типами силовых усилителей (электромашинными, магнитными, ионными) они обла­ дают рядом существенных преимуществ. Основные из них следующие: малые габариты и вес, практическая безынерционность, высокий ко­ эффициент полезного действия, стабильность характеристик усили­ теля, независимость их от параметров полупроводниковых приборов, долговечность.

Для создания быстродействующих следящих систем и систем с ши­ роким диапазоном регулирования скорости вращения весьма важно, чтобы преобразователь обладал: а) малой инерционностью, что упро­ щает стабилизацию системы; б) двусторонней проводимостью силовой цепи, обеспечивающей обратимость процесса преобразования электри-

ческой и механической энергии и эффективное торможение в системе; в) минимально возможным сопротивлением выходного каскада, не зависящим от величины входного сигнала (это позволяет получить ' механические характеристики в системе, близкие к естественным ха­ рактеристикам машины во всем диапазоне регулирования); г) хорошей перегрузочной способностью.

Для. получения хороших энергетических показателей в системе весьмэ важно, чтобы силовой -преобразователь обладал высоким к. п. д., что возможно лишь при использовании режима переключений полупроводниковых приборов. Кроме того, для сохранения к. п. д. машины постоянного тока необходимо, чтобы пульсации тока в сило­ вой цепи якоря были бы достаточно малыми. Желательно также, чтобы в процессе эксплуатации не требовалось постоянного обслуживания и настройки усилителя. Для этого преобразователь должен быть про­ стым и надежным, а рабочие характеристики его — стабильными.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводни­ ковые преобразователи с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, питаемые от источника постоянного тока.

Наиболее просто выходные каскады ШИП...реализуются на пол­ ностью управляемых полупроводниковых приборах — транзисторах и двухоперационных тиристорах. При этом включение и запирание полупроводниковых ключей производится, управляющими напряже­ ниями, действующими в базовых цепях приборов.

ВШИП на выходные мощности, превышающие 1—2 кет, а также

ввысоковольтных ШИП используются однооперационные приборы— тиристоры в сочетании с устройствами искусственной коммутации.

Выходная часть транзисторного ШИП включает в себя источник питания

(U) с фильтром нижних частот (С), нагрузку (Н) и силовые транзисторные ключи, производящие периодические переключения в схеме выходного каскада.

В системах электромашинной автоматики преобразователи работают обычно на обмотки возбуждения различных исполнительных элементов (реле, электро­

и э. д. с. якоря машины. Для обеспечения нормальной работы транзисторов схема силового каскада преобразователя и закон переключения транзисторных ключей должны быть выбраны таким образом, чтобы цепь нагрузки активноиндуктивного характера не разрывалась и не меняла существенно своего сопро­ тивления в интервалы существования тока в ней. При разрыве цепи питания нагрузка должна шунтироваться вспомогательной цепью для предотвращения перенапряжений на коммутирующих транзисторах. Для этой цели служат обычно обратные диоды, включаемые параллельно нагрузке или силовым тран­ зисторам.

Источник питания (сеть постоянного тока, аккумуляторная батарея, вы­ прямительное устройство) также обладает определенной индуктивностью. Поэ­ тому разрыв цепи питания полупроводниковым ключом недопустим. Для за­ щиты силовых транзисторов от перенапряжений источник питания ШИП должен содержать фильтр нижних частот, выходным элементом которого должен быть конденсатор. Для нейтрализации индуктивности питающих проводов рекомен­ дуется, кроме электролитического конденсатора фильтра, включать непосредст­ венно на шины выходного каскада ШИП конденсатор небольшой емкости с твер­ дым диэлектриком. Схемы выходных каскадов ШИП могут быть нереверсив­ ными с одним или двумя переключающими элементами (рис. 1-1 и 1-2) и ревер­ сивными (мостовыми) (рис. 1-3), обеспечивающими изменение полярности вы­ ходного напряжения при изменении знака входного сигнала. Простейшая не-

реверсивная схема (с одним коммутирующим элементом) содержит один силовой транзистор, коммутирующий цепь источника питания, и диод, шунтирующий нагрузку (рис. 1-1). В различные интервалы периода в ней возможны следую­ щие состояния: источник питания включен в цепь нагрузки (<х = уТ), нагрузка закорочена диодом D, цепь нагрузки разомкнута. Ток нагрузки может проте-

кать лишь в одном направлении, соответствующем потреблению энергии от ис­ точника питания U.

Аналогичная по свойствам реверсивная схема выходного каскада ШИП изображена на рис. 1-3. Диоды Д1 и ДЗ в ней могут отсутствовать, в состоянии

+С "

переключения находится лишь один из нижних-транзисторов моста, например 77. Транзистор 77 постоянно заперт, а Т4 находится в состоянии насыщения (рис. 1-4, а). При изменении знака входного сигнала переключающие напряже­ ния подаются на базу транзистора ТЗ, транзисторы 77, Т4 переводятся в запер­ тое состояние, а 77 — в состояние насыщения. При указанном законе комму­ тации частота переключения транзистора 77 (или ТЗ) равйа частоте импульс­ ного напряжения на нагрузке. Верхний транзистор моста, находящийся

в режиме насыщения, в течение всего периода нагружен большим током, чем

нижние транзисторы.

Поочередная коммутация транзисторов, расположенных в одной из диаго­ налей моста (например, ТІ, Т4, рис. 1-4, б), обеспечивает одинаковые условия работы верхних и нижних транзисторов. Частота переключения каждого из двух коммутирующих транзисторов при этом законе вдвое меньше частоты вы­ ходного напряжения, имеющего форму знакопостоянных импульсов (рис. 1-4, в). Таким образом, схемы с одним коммутирующим элементом или с поочередной коммутацией приборов в одной диагонали моста не обеспечивают двустороннего обмена энергией между источником и приемником. В этих схемах при определен­

При этом образуются следующие состояния выходной цепи: источник напряже­ ния включен в цепь питания, нагрузка замкнута накоротко насыщенным тран­ зистором и диодом. В этой схеме в любой интервал периода (tt или t2) ток на­ грузки может замыкаться в двух направлениях, что практически обеспечивает неизменность структуры силовой цепи преобразователя.

Таким же свойством обладает мостовая транзисторная схема с обратным диодным мостом (Д1—Д4, рис. 1-3), в которой могут быть использованы три способа переключения транзисторов. При первом способе переключения (сим­ метричный) коммутируются все транзисторы моста. Транзисторы одной диаго­ нали моста управляются одинаковыми знакопеременными напряжениями Mgi>

включения транзисторов Yo — 0.5. когда среднее напряжение на выходе ШИП равно нулю. При симметричном законе переключения состав силовой цепи на всех интервалах неизменен, меняется лишь полярность включения источника

питания в цепь нагрузки (рис. 1-5, б). Такой закон переключения силовых тран­ зисторов используется в маломощных ШИП следящих систем с исполнительными' двигателями постоянного тока. Реализуется он с помощью весьма простых схем модуляторов длительности импульсов в сочетании с триггерными или релей­ ными схемами [27, 28, 62, 63] . Недостатком ШИП с симметричным управлением является изменение знака напряжения на нагрузке и повышенные пульсации тока в выходной цепи. При втором способе переключения коммутируются лишь два транзистора, расположенные на одной стороне моста, 77, Т2 (или ТЗ, Т4 при обратной полярности входного сигнала). Второй верхний транзистор Т4 постоянно насыщен, а нижний ТЗ заперт (рис. 1-6, а). При этом на выходе ШИП формируются знакопостоянные импульсы напряжения, и положению равнове­ сия в системе соответствует относительная продолжительность включения од­ ного из нижних транзисторов y0 = 0. Такая мостовая схема представляет собой соединение двух нереверсивных каскадов с двумя коммутирующими тран­ зисторами (рис. 1-2). В различные интервалы периода здесь возникают следую­ щие состояния выходной цепи: нагрузка включена в цепь источника питания, нагрузка замкнута накоротко с помощью одного из верхних транзисторов и диодов моста.

При достаточно малом внутреннем сопротивлении источника питания со­ противление цепи нагрузки в оба интервала периода t1 и t2 остается практически постоянным. При третьем способе управления мостовой схемой (рис. 1-3) в со­ стоянии переключения при любом знаке входного сигнала находятся все четыре транзистора, однако частота коммутации каждого прибора вдвое меньше ча­ стоты коммутации тока в нагрузке.

Транзисторы, находящиеся в одной стороне моста (77, Т2 и ТЗ, Т4), управ­ ляются знакопеременными импульсами противоположной полярности, при этом они переключаются через период Т (рис. 1-6, б). Этим достигаются одина­ ковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме. На ин­ тервалах tx в этом случае нагрузка включена в цепь источника питания через диагонально расположенные транзисторы, а на интервалах t2 она закорочена с помощью верхних или нижних транзисторов и диодов моста. При изменении знака входного сигнала включающие импульсы продолжительностью (1 -f- у) Т подаются на транзистор ТЗ, а длительность включающих импульсов на Т1 (и, соответственно, запирающих импульсов на Т2) становится равной (1 — v) Т. При таком законе переключения приборов на нагрузке также формируются знакопостоянные прямоугольные импульсы напряжения с относительной про­ должительностью уТ (рис. 1-6, в) и обеспечивается двусторонняя проводимость цепи на любом интервале периода. При одновременном переключении транзи­ сторов в одной стороне моста (77, Т2 или ТЗ, Т4) возникает опасность сквозных коротких замыканий источника питания в течение коротких интервалов расса­ сывания неосновных носителей в базовых областях приборов. Для предотвра­ щения коротких замыканий включение очередного транзистора осуществляется с некоторым запаздыванием, что обеспечивается специальными схемами блокиро­ вок [63, 64, 84] или применением триггерных схем в выходных каскадах [61, 62]. Таким образом, простейшие схемы ШИП с одним коммутирующим элемен­ том или с поочередной'коммутацией двух транзисторов в одной диагонали моста обеспечивают лишь односторонний обмен энергией между источником и прием­ ником, что делает невозможным перевод машины в генераторный режим.

Структура силовой цепи преобразователя в этом случае остается неизмен­ ной лишь в режиме непрерывных знакопостоянных токов в нагрузке.

Схемы ШИП с двумя коммутирующими элементами и мостовые схемы с сим­ метричным и несимметричным управлением обеспечивают неизменность струк­ туры силовой цепи в любых режимах работы машины. Для этого, однако, ис­ точник питания должен обладать двусторонней проводимостью. В случае пита­ ния ШИП от выпрямителя, если возможен переход электрической машины в ге­ нераторный режим, выходной каскад должен быть дополнен еще одним транзи­ стором, диодом и сопротивлением RT {ТЗ, ДЗ и Rr на рис. 1-7 и Т5, Д5, RT на рис. 1-8) [28]. Если машина работает двигателем, то транзистор ТЗ (Т5) заперт положительным смещением на диоде ДЗ (Д5). В режиме динамического торможе­