Тема 2. Управление силовыми полупроводниковыми

КЛЮЧАМИ

2.1. Функции и структура систем управления преобразователями

Преобразователи электрической энергии состоят из силовой и управляющей частей, находящихся в непрерывном взаимодействии (рис. 2.1).

Рис.2.1

Силовая часть, выполненная на управляемых ключах, обеспечивает передачу и преобразование энергии от источника питания к нагрузке [5].

Задача управляющей части — управление потоком энергии, а также сбор и обработка информации о состоянии и функционировании всей системы преобразователя и диагностика ее неисправностей. Система управления предназначена для выработки импульсов управления силовыми ключами. Функционально она представляет собой отдельный, самостоятельный блок. В схемотехническом и конструктивном исполнении система управления является частью общей информационной системы. Характеристики системы управления определяются схемой и режимом работы преобразователя. В ведомых сетью преобразователях с естественной коммутацией силовых ключей (управляемые выпрямители, ведомые инверторы, реверсивные преобразователи, преобразователи частоты с непосредственной связью) системы управления строятся на основе регулирования фазы управляющих импульсов (импульсно-фазовое управление). Суть метода управления в изменении момента подачи отпирающих импульсов ключа по отношению к синусоидальной кривой напряжения сети (изменение угла управления α) (рис. 2.2).

Блоки системы управления выполняют следующие задачи:

1 — формирование неискаженного синусоидального напряжения при потенциальной развязке с сетью;

2 — получение последовательности синхронизирующих импульсов с частотой кратной частоте сети;

Рис.2.2

3 — формирование угла управления а, отсчитываемого от начала полупериода напряжения сети и определяемого управляющим сигналом Vу;

4 — формирование длительности управляющих импульсов;

5 — распределение задержанных импульсов по каналам управления;

6 — усиление импульсов управления и формирование форсирующего фронта отпирания;

7 — передача импульсов на управляющие электроды, потенциальная развязка и защита от помех.

Системы управления автономными инверторами требуют модификации алгоритма переключения вентилей. Например, в автономных инверторах напряжения используют различные длительности открытого состояния ключа при широтно-импульсном способе формирования и регулирования выходного напряжения (рис. 2.3).

Система управления импульсными преобразователями постоянного напряжения использует широтно-импульсный метод регулирования, изменяющий длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования, а также частотно-импульсный метод, соответственно изменяющий частоту следования импульсов при постоянной длительности. Распространение получили системы управления, содержащие широтно-импульсный модулятор, управляющий работой регулирующего ключа (рис. 2.4). Для стабилизации выходного напряжения в системах управления импульсными преобразователями создают замкнутый контур регулирования по отклонению выходного напряжения от заданного опорного уровня.

Отличием систем управления автономными инверторами является замена блока синхронизации генератором тактовых импульсов, который определяет частоту выходного напряжения или тока.

Развитие систем управления характеризуется повышением степени интеграции элементов. Микроконтроллеры, обеспечивают переход от жестких алгоритмов управления к более гибким, максимально учитывающим специфику работы ключа и схемы.

Микроконтроллер, управляет логикой переключения вентилей силовой части, получая сигналы обратных связей по токам и напряжениям, и обеспечивает интерфейсные функции для связи с оператором и другими технологическими объектами.

Микроконтроллер управления электродвигателями включает необходимое число программируемых ШИМ-генераторов, которые, получая от процессора информацию о требуемой частоте и скважности, самостоятельно осуществляют согласованное управление силовыми ключами инвертора. Модуль ШИМ выполняет согласования ШИМ-сигналов и управление их полярностью, вставку программируемого так называемого «мертвого времени» для управления верхним и нижним ключами мостовой схемы, а также компенсацию влияния данного времени на искажение выходного напряжения (рис. 2.5).

Мощности выходных сигналов схем управления недостаточно для надежной работы силовых ключей, поэтому используют выходные усилители, называемые также оконечными каскадами. Данные схемы обеспечивают уровни сигналов управления, при которых потери мощности в выключенном или открытом состоянии ключа, а также в динамических режимах переключения были минимальны. Дополнительной функцией выходных усилителей является защита силового ключа. Это осуществляется путем контроля за электрическими параметрами ключа и его выключения подачей запирающего сигнала через оконечный усилитель. Выходной усилитель обеспечивает также потенциальную развязку между силовой и информационной частью преобразователя.

Рис.2.3

Для управления мощными ключами разрабатываются интегральные схемы выходных усилителей, называемые драйверами (driver).

Рис.2.4

Рис. 2.5