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

мощью самостоятельного полупроводникового ключа [28 ] . При питании от сети переменного тока вторичная цепь силового трансформатора выполняется в виде нескольких обмоток, работающих на выпрямительные мосты, напряжения на выходе которых несколько ниже допустимого для транзистора значения. Число

т

Рис. 1-8

транзистором Т1\, Т1ц, Т1щ. Транзисторы 77 и Т2 переключаются импуль­ сами противоположной полярности. Когда транзисторы Тії, 77JI, Т1щ насы­ щены, а Т2\, Т2ц, Т2щ заперты, то все ступени напряжения Uj, 11ц , . . . , Vm включены последовательно с нагрузкой и ток в ней возрастает. Во второй интервал периода транзисторы Тії, Т1ц . . . . заперты и цепь нагрузки замы­ кается через диоды Д2\, Д2ц , . . . или транзисторы Т2і, Т2ц , . . .

В рассмотренной схеме все силовые транзисторы работают независимо друг от друга и управляющие импульсы, поступающие на базы, могут иметь различ­ ную относительную продолжительность и частоту следования. Одна или не­ сколько ступеней напряжения могут быть выполнены некоммутируемыми. По­ добный же принцип может быть использован в реверсивных выходных каскадах, проектируемых на повышенное напряжение. В этом случае нагрузка шунти­ руется цепью, состоящей из нескольких последовательно включенных транзи­ сторно-диодных мостов (рис. 1-8).

Каждый мост питается от отдельной вторичной обмотки силового трансфор­ матора через выпрямительную схему. Транзисторы мостов обычно переклю­ чаются по несимметричным законам.

В первый интервал периода, когда насыщены транзисторы 77, Т4 и заперты Т2, ТЗ всех мостовых схем, отдельные ступени напряжения оказываются вклю­ ченными последовательно в цепь нагрузки. Во второй интервал периода тран­ зисторы 77, ТЗ всех мостов заперты, а транзисторы Т2, Т4 насыщены. При этом цепь нагрузки замкнута накоротко верхними диодами и транзисторами мосто­ вых схем (рис. 1-8). Заметим, что при рассогласовании моментов переключений увеличения напряжения на силовых транзисторах не происходит благодаря тому, что диоды моста Д1—Д4 фиксируют напряжение на выходной диагонали моста на уровне питающего напряжения.

Таким образом, используя принцип ступенчатого построения выходного каскада, легко можно получить нужное значение напряжения на выходе им­ пульсного полупроводникового усилителя.

В некоторых случаях, например в приводах с малоинерционными двига­ телями, желательно увеличить частоту импульсов выходного напряжения до 4—10 кщ. Для использования в высокочастотных преобразователях обычных силовых транзисторов и тиристоров целесообразно использовать многофазный принцип управления полупроводниковыми ключами, которые могут быть вклю­

ниє т транзисторов также позволяет увеличить частоту импульсов выходного напряжения в т раз. При этом транзисторы переключаются со сдвигом во вре­

довательное соединение полупроводниковых приборов приводит к увеличению частоты коммутации в тп раз. При этом диапазон изменения относительной про­ должительности включения каждого прибора уг сужается, 1/(отя) < у < 1/т (рис. 1-9, в). Недостатком рассмотренных схем является увеличенная установ­ ленная мощность полупроводниковых приборов, так как максимальные значе­ ния напряжений и токов в каждом из них равны максимальному току нагрузки ^н. макс и напряжению источника питания силовой цепи U. Можно уменьшить максимальное значение тока в каждом из т параллельно включенных прибо­ ров, включив в фазы сглаживающие дроссели Ы, L2 . . . (рис. 1-9, б) и раздель­ ные диоды, шунтирующие нагрузку и каждый из дросселей (см. § 1-5). При иде­ альном сглаживании ток в каждом приборе приближается к среднему току фазы,

в многоступенчатых преобразователях. Коммутируя транзисторы т ступеней

напряжения (рис. 1-9, г). При этом полупроводниковые приборы должны быть выбраны на максимальное напряжение, равное напряжению питания U-i одной ступени.

1-2. Электромагнитные процессы в системе электропривода «ШИП — двигатель» при неизменной структуре

силовой цепи

Уравнения электромагнитных процессов в силовой цепи системы. В большинстве транзисторных ШИП для переключения приборов ис­ пользуются законы, при которых на всех интервалах цепь нагрузки (якоря машины) остается замкнутой. Для таких преобразователей характерна симметричная двусторонняя проводимость всех ветвей схемы, и при анализе процессов в системе могут быть сделаны следую­ щие допущения: 1) полупроводниковые приборы являются безынер­ ционными ключами; 2) сопротивление элементов преобразователя и источника питания, входящих _в состав цепи нагрузки на отдельных коммутационных интервалах, остается неизменным; 3) поток воз­ буждения машины не зависит от нагрузки (Ф = const), а сопротивле­ ние цепи якоря г и ее индуктивность Ья — величины постоянные.

При этих допущениях можно считать, что структура силовой цепи преобразователя остается неизменной на всех коммутационных ин­ тервалах (рис. 1-10, а) и процессы в системе электропривода на протя­ жении всего периода характеризуются системой уравнений:

где со — угловая скорость вращения якоря; і — ток в силовой цепи системы; Мс = с м / с = const — статический момент нагрузки на валу

Относительное возмущающее воздействие в системе и (/) для всех транзисторных ШИП может быть представлено в виде суммы некото­ рой постоянной составляющей 0П и импульсной составляющей ия (І)'-

Импульсная составляющая представляет собой периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы относительной продолжительности у = hi Т. Для выходного напряжения ШИП с не­ симметричным управлением (рис. 1-10, б)

Относительные выходные напряжения: а) реверсивного ШИП с сим­ метричным управлением (рис. 1-10, в)

изображений двух составляющих возмущающего воздействия: им­ пульсной 1/я (р) и некоторой непрерывной Р„ (р), являющейся резуль­ татом действия постоянной составляющей выходного напряжения и момента нагрузки ( U n , / с ) , а также начального запаса энергии в эле­ ментах системы со [0], Аг [0].

Переходные процессы в силовой цепи системы «ШИП—двигатель». Реакцию системы электропривода также удобно представить в виде

двух составляющих импульсной о)и (t) или Дги (?) и непрерывной сон (?) или At H (?):

— эквивалентная непрерывная составляющая возмущения по скоро­

в силовой цепи, обусловленная постоянными составляющими выход­

Заметим, что при работе системы электропривода в квазиустановившемся режиме (t-+ со) все непрерывные составляющие становятся

равными нулю и отклонение тока Ді (t) равно лишь импульсной (пе­ ременной) составляющей.

Непрерывная составляющая iH0 (f) определяется значениями пе­ ременных АЇ [0], со [0], — (0) = рм (І [0] + 1С) к началу переход­

і в

ного процесса. Процессу разбега двигателя из неподвижного состоя­ ния соответствуют начальные условия: АІ [0] = і [0] — Іс = 0 и to (0) = 0. Если рассматривается процесс торможения (при реверсе исполнительного двигателя), начало которого соответствует моменту изменения направления тока в силовой цепи, то в уравнениях (1-18) — (1-20) следует принимать нижний знак при слагаемом ?с, а Дг = і + + 7С. Начальные условия в этом случае: Д І = і (0) + / с и со (0) = = — сос (сос — относительная скорость вращения в момент начала торможения, соответствующая М = Мс ).

Импульсные составляющие реакции системы. Слагаемые ія (t), <°и ( 0 в уравнениях (1-17), (1-19) представляют собой реакцию системы, свободной от начального запаса энергии, на импульсное возмущаю­ щее воздействие, которое может быть представлено в виде суммы еди­ ничных ступенчатых функций (рис. 1-10). Для определения импульс­ ных составляющих реакции системы воспользуемся теоремой разло­ жения для периодической импульсной возмущающей функции [34,

Здесь pk — k-к корень характеристического уравнения Я 2 (р) = 0 , имеющего h простых корней; tlt t2, . . . , \ — коммутационные ин­ тервалы периодической возмущающей функции на одном периоде (рис. 1-10, д); v — порядковый номер периода.

В соответствии с видом возмущающих функций, представленных на рис. 1-10, а, б, импульсная составляющая реакции должна быть определена на двух интервалах каждого периода, tx = уТ и tu =

— (1—У) Т, а изображение возмущающего воздействия в первом

периоде йх (р) = (1 — е Pv)/p. Подынтегральная функция, соответст­

и корни характеристического уравнения Я 2 (р) = 0 будут

Используя полученные уравнения, можно рассчитать переходные процессы в силовой цепи системы «ШИП—двигатель» с постоянной частотой коммутации при любых ступенчатых изменениях входного возмущения. На рис. 1-11 изображены расчетная кривая тока якоря двигателя Ai (7), штриховыми линиями нанесены кривые изменения составляющих i„ (if) и ія0 (t) для процесса пуска.

Для расчета элементов ШИП и выбора полупроводниковых прибо­ ров обычно достаточно знать максимальные й минимальные значения тока в силовой цепи, соответствующие границам коммутационных ин-

Лі=і-Іс; ін'Ли

Рис. 1-11

тервалов. Эти величины определяются, если в уравнениях (1-27) по­ ложить t = 0:

Аналогично может быть найдена импульсная составляющая ско­

рости вращения о»и (?).

В современных системах с полупроводниковыми ШИП частота коммутации выбирается достаточно высокой (Тм > Т) и пульсациями