3.3 Статичні перетворювачІ на керованих електронних приладах

Масове виробництво перетворювачів для електропривода на ос­нові сучасних двоопераційних приладів освоєно практично усіма провідними електротехнічними компаніями світу. При всьому різноманітті існуючих перетворювачів, їм властиве використання силової схеми однієї і тієї ж класичної структури (рис.2.27): трифаз­ний мостовий некерований (нерегульований) випрямляч В, ЬС — фільтр ланки постійного струму, трифазний мостовий автономний інвертор напруги (АІН) із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Некерований режим роботи випрямляча і властивості силових керованих ключів інвертора знімають питання обмеження Л/Л і сІи/А у копах вентилів, застосування громіздких снабберів для за­хисту від перенапруг тощо.

Розмаїтість силових схем зводиться лише до розходження типів і способів увімкнення комутаційних і захисних апаратів (електро­магнітні пускачі, автоматичні вимикачі, запобіжники, струмооб- межувальні реактори), датчиків струму і напруги, пристроїв галь­мування (мережний інвертор для рекуперації, ключ електродина­мічного гальмування). Акцент розробки силової частини перетворювачів змістився з галузі схемотехніки (істотної для ти­ристорних пристроїв) в галузь оптимізації конструкторсько-ком­понувальних рішень і теплофізичних розрахунків, підвищення стійкості до аварійних режимів.

Основний вплив на споживчі властивості перетворювачів і електроприводів чинить їх інформаційний канал - використову-

вані алгоритми керування і регулювання та реалізуючі їх мікро- контролерні системи МСУ. Саме останні визначають регулювальні властивості і динамічні характеристики електропривода, його фун­кціональність і адаптованість до складних систем автоматичного керування різними технологічними процесами.

Автономний інвертор (рис. 2.27) живиться від постійної напру­ги з виходу некерованого діодного випрямляча або від автоном­ного джерела постійної напруги. Ємність С згладжує пульсації на виході випрямляча. Ключ складається з біполярного ключа ѴТ з польовим керуванням (ІОВТ-ключ) і діода КД ввімкненого про­тилежно напрузі живлення. Діод ѴО призначений для повернен­ня енергії в мережу у випадку, коли струм через ключ має напря­мок протилежний напрямку напруги на ньому. Подібна ситуація спостерігається при реактивно-активному навантаженні. Схема сполучення діодів КІЛ- К06 є трифазним мостовим шестинапів- періодним діодним випрямлячем, що дозволяє здійснити повер­нення енергії від двигуна в мережу.

Для реалізації режиму рекуперації замість некерованого вип­рямляча використовують керований реверсивний перетворювач на тиристорах. Режим електродинамічного гальмування здійснюється підключенням зовнішнього реостата через додатко­вий ключ ІОВТ паралельно автономному інвертору.

У типовій схемі автономного інвертора напруги міститься 6 ключів. Транзисторні ключі, перемикаючись у певній послідов­ності, формують на виході інвертора періодичний трифазний сиг­нал. У такому інверторі фази двигуна можуть бути підключені до потенціалів постійної напруги 2³=8 різними способами. Результу­ючий вектор напруги на виході АІН має, відповідно, 8 положень, з яких 2 положення є виродженими, тому що вони призводять до нульового значення результуючого вектора.

Регулювання частоти трифазної напруги на виході АІН здійснюється шляхом зміни частоти перемикань транзисторних ключів. Зміна амплітуди трифазної напруги здійснюється за до­помогою широтно-імпульсного регулювання.

У сучасних ІСВТ час перемикання менше однієї мікросекун- Ди. Така висока швидкість перемикання дозволяє повною мірою використовувати переваги методу широтно-імпульсної модуляції: здійснювати комутацію на частоті понад 16 кГц, що вирішує про­блему акустичних шумів, зменшує масу і габарити реактивних еле­ментів - фільтрів вищих гармонік. Нарешті при великій кратності частоти комутації і низькою частотою вихідної напруги значно

підвищується швидкодія системи регулювання, що дозволяє ІК ліпшити динамічні характеристики перетворювача.

У той же час при підвищенні частоти комутації значно зросте частка комутаційних втрат, через що приходиться знижувати прѵ пустимі струми і напруги при частотах 5 кГц і вище. Збільшенн комутаційних втрат зменшує перевантажувальну здатність трак зисторів. Швидке перемикання транзисторів через ефект сіі/сії н паразитних індуктивностях у контурі комутації призводить до пс яви значних перенапруг на елементах схеми. При швидких пере миканнях транзисторів на виході перетворювача швидкість змін; напруги може досягати значень 5000 В/мкс. При довжині сполуч них кабелів між перетворювачем і навантаженням 10- І 00 м і більш напруги можуть досягати двократних стосовно номінальних зна чень. Це явище особливо небезпечне в регульованих електропри водах. Під впливом цих швидкозростаючих, із крутим фронтом значних за величиною імпульсів напруги може бути ушкоджені ізоляція двигуна.

Відмічені проблеми виникають при так званій жорсткій кому тації і використанні широтно-імпульсної модуляції в її класично­му варіанті. Очевидний шлях подолання зазначених труднощів - зниження швидкості перемикань. Зниження частоти ІІІІМ є ба­жаним, однак воно призводить до зростання амплітуд найближ­чих до основної вищих гармонік на виході інвертора, що спричи­няє збільшення втрат у двигуні. З іншого боку, ШІМ істотно по­слаблює лише найближчі до основної гармоніки. Для ослаблення гармонік більш високої частоти необхідно підвищувати частоту комутації ключів інвертора, шо, природно, призводить до збільшення втрат у перетворювачі частоти.

Інший напрямок цих робіт пов’язаний з відродженням техні­ки резонансних інверторів, при якій «м’яке» перемикання вентилів відбувається при нулі струму чи напруги.

Недоліком такої схеми є те, що форма одержуваної фазної на­пруги відрізняється від синусоїди. У результаті енергетичні харак­теристики АД погіршуються, якщо їх порівняти з енергетичними характеристиками двигуна, що живиться від трифазної синусої­дальної напруги. Для поліпшення енергетичних характеристик привода використовуються різні способи широтно-імпульсної модуляції: синусоїдальні, лінійні і їх різні модифікації. Широтно- імпульсна модуляція має на меті послаблювати істотні по амплі­туді вищі гармоніки, найбільш близькі до основної. Це досягаєть­ся тим, що протягом періоду повторюваності Т/6 здійснюється

періодична зміна основної діаграми роботи ключів інвертора при одночасному введенні нульових ділянок.

На рис. 2.28 показані фазові плечі СТО, ІОСТ і ЮВТ інвер­торів напруги, звідки видно число основних компонентів в інвер­торі. У цьому відношенні ЮВТ пропонує найбільш витончене рішення, оскільки є можливість використання мінімальної кількості елементів, керуючі блоки є частиною ЮВТ модулів. Дійсно, для струмів до 200 А повний інвертор міг би бути виготов­лений у вигляді одного модуля і число компонентів буде 1, але при 1200 А це число дорівнює 6 (6 окремих ключових модулів), а для 3600 А — 18 (3x1200 А).

З погляду надійності число компонентів — це число необхід­них дискретних компонентів у модульному чи іншому виконанні, що поставляються виготовлювачем напівпровідників. Таким чи­ном, інвертор на силових ЮВТ на струм 50 А (за вимоги не засто­совувати паралельного сполучення приладів) мав би 18 пристроїв (ЮВТ + діод + керуючий блок), у кожного з яких визначена нор­ма наробітку на відмовлення. Ці норми залежать від багатьох фак­торів: числа кристалів, монтажних проводів, паяних та рознімних з’єднань, робочої температури, електричних і механічних наван­тажень тощо. Одиничний напівпровідниковий елемент буде мати типову, властиву йому норму наробітку на відмовлення, наприк­лад 10 (10 відмовлень протягом 1000000000 год. роботи), і безпосе­редньо керуючий драйвер, що складається з багатьох активних і пасивних компонентів, мав би норму відмовлення приблизно 500.

ЮВТ складаються з багатьох стандартних індивідуальних кри­сталів, установлених паралельно, що одночасно є як сильною, так

До іншої фази

■г-а

¹—►

х

ІОСТ

ювт

ото

Рис. 2.28

8 О. М. Закладний

і слабкою стороною. Стандартні кристали дозволяють робити стан­дартні пластини, що закінчуються одним виробом на струм від 50 до 1000 А, а немонолітний підхід, заснований на використанні кри­сталів, вирізаних з великої пластини, гарантує найкраще викори­стання кремнію. З іншого боку, з ростом струму приладу пропор­ційно збільшується норма відмовлення.

У той час СТО, незважаючи на монолітну провідникову струк­туру, вимагає багатьох допоміжних компонентів, і, як видно з рис.2.28, кожен ключ має певний коефіцієнт норми відмовлення (не говорячи вже про вартість і масогабаритні параметри).

Характерною рисою переліку якостей «ідеального» ключа є надійність, тобто щоб повний складовий показник був обмежений, незалежно від того, досягають компоненти видимих розмірів чи ні. У цьому змісті 1СС технологія гарантує, що не тільки зовнішніх компонентів в інверторі буде небагато (приблизно 3), але і що всі «внутрішні» напівпровідники будуть монолітними. На рис. 2.29 порівнюється число силових компонентів (пасивні елементи +. кристали, крім елемента керування) для інвертора, що працює від 2,8 кВ іздвохпозиційним ШІМ на частоті 600 Гцдля всіхтрьохтех- нологій.

Потужність трифазного інвертора, МВт

Рис. 2.29

На рис. 2.30 зображена схема двоключового «інтелектуально- го» силового ІСВТ-модуля з повними функціями захистів від пе­ревантаження по струму, короткого замикання, перенапруг і пе- регрівання силових елементів.

Рис. 2.30

В електроприводі постійного струму основні способи керуван­ня реалізуються за допомогою зміни напруги якоря і потоку збуд­ження. У загальному випадку потрібно забезпечити керування дви­гуном постійного струму у всіх режимах роботи, у тому числі в ре­версивному режимі з рекуперацією енергії в первинне джерело живлення. Найбільш ефективно всі ці режими реалізуються в схемі, що забезпечує роботу в чотирьох квадрантах на стороні постійно­го струму, виконаній на цілком керованих ключах і регульованої способом широтно-імпульсної модуляції (рис.2.31). На малюнку: а - схема; б — діаграма станів транзисторів.

В Ь

Рис. 2.31