Мартынов_силаI

Анализируявыражение(198),можноустановить,чторегулировочная характеристика СИФУ при линейном изменении опорного сигнала во времени линейна на всем диапазоне изменения сигнала управления:

+Uоп m < Uу < –Uоп m.

Регулировочная характеристика собственно самого выпрямителя (т. е. силовой схемы) при активно-индуктивном характере нагрузки (Ld → ∞) изменяется по косинусоидальному закону:

Ud = Ud0cosα

Регулировочная характеристика выпрямителя вместе с СИФУ представляет собой зависимость выпрямленного напряжения от сигнала управления Ud =f(Uy) :

Ud =Ud / Ud0 =cosα=cos[π(1-Uy) / 2] =sin(πUy / 2). (200)

Анализируя выражение (200), можно установить, что результирующая регулировочная характеристика выпрямителя вместе с СИФУ, опорный сигнал которой изменяется во времени по линейному закону, изменяется по синусоидальному закону, т. е. имеет нелинейный характер. Следовательно, коэффициент передачи такого выпрямителя переменный и величина его зависит от величины сигнала управления. Действительно:

Из формулы (201) видно, что при Uy =0 напряжение на выходе выпрямителя также равно нулю, а относительная величина коэффициента передачи выпрямителя равна максимальному значению,

kв = π/2.

При Uy =1 напряжение на выходе выпрямителя достигает максимального значения (Ud =1) , а относительная величина коэффициента передачи выпрямителя равна нулю.

Переменное значение коэффициента передачи выпрямителя при регулировании его выходного напряжения крайне нежелательно с точки зрения обеспечения устойчивости работы выпрямителя и точности поддержания его выходного напряжения. Другими словами, система с нелинейной регулировочной характеристикой управ-

161

ляемого выпрямителя в этом случае является сугубо нелинейной и настройка ее существенно усложнена.

Отметим, что на практике часто компенсируют нелинейность результирующей регулировочной характеристики с помощью нелинейного устройства, устанавливаемого на входе СИФУ, и нелинейность результирующей регулировочной характеристики оказывается несущественной.

Рассмотрим второй случай выполнения СИФУ – опорный сигнал изменяется во времени по косинусоидальному закону, т. е.

При равенстве напряжения управления Uу и опорного сигнала uоп (при ωt = α) происходит формирование импульса управления и формула (202) приобретает вид

Из (204) получим регулировочную характеристику СИФУ при косинусоидальной форме кривой опорного сигнала

α=arccosUy.

Учитывая, что регулировочная характеристика силовой схемы выпрямителя соответствует формуле (199), получим выражение регулировочной характеристики управляемого выпрямителя при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения в целом:

Из (205) видно, что при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения результирующая регулировочная характеристика управляемого выпрямителя в целом линейна, а коэффициент передачи выпрямителя имеет постоянное значение на всем диапазоне изменения сигнала управления.

162

Таким образом, при косинусоидальной форме кривой опорного напряжения управляемый выпрямитель представляет собой линейное звено с постоянным коэффициентом передачи, равным

Отметим, что вид регулировочной характеристики (205) весьма желателен, если выпрямитель работает в той или иной системе автоматического регулирования, так как можно не заботиться об устойчивости такой системы во всем диапазоне регулирования, если произведена ее стабилизация в одной точке. Естественно, это дает также известные удобства при анализе таких систем.

Вопросы для самоконтроля

1.Как рассчитать коэффициент передачи управляемого выпрямителя?

2.При какой форме опорного сигнала СИФУ регулировочная характеристика управляемого выпрямителя имеет линейный характер, а коэффициент передачи постоянный?

6.11.Передаточная функция управляемого выпрямителя (без учета сглаживающего фильтра в цепи постоянного тока)

Управляемый выпрямитель управляется не непрерывно, а дискретно. Интервал между управляющими импульсами является переменной величиной и определяется не только числом фаз управляемого выпрямителя, но и скоростью изменения управляющего сигнала. С учетом сказанного, управляемый выпрямитель, как и любое импульсное устройство, имеет ограниченную полосу пропускания частот управляющего сигнала.

Напомним, что тиристоры являются не полностью управляемыми полупроводниковыми приборами, поскольку открытие тиристора происходит в момент подачи импульса управления, а запирание его происходит в моменты спада тока, протекающего через него, до нуля.

Нетрудно показать, что при уменьшении напряжения управления продолжительность интервала между соседними импульсами управления λ увеличивается на некоторую величину Δλ = α2 – α1, так как за время работы тиристора сигнал управления успевает измениться и вызвать соответствующее увеличение угла регулирования α2.

163

С другой стороны, увеличение Δα уменьшает продолжительность λ на величину Δλ. Выходное напряжение управляемого выпрямителя при этом нарастает с темпом kтп(dUу/dt).

При уменьшении Uу темп снижения выходного напряжения управляемого выпрямителя [kтп(dUу/dt)] будет иметь место только при условии, что скорость изменения сигнала управления (dUу/dt) будет меньше скорости изменения опорного сигнала (dUоп/dt),

т. е. |dUу/dt | < | dUоп/dt|. Исходя из этого можно сделать важный вывод: перевод преобразователя из инверторного режима в выпрями-

тельный режим может осуществляться сколь угодно быстро, а из выпрямительного режима в инверторный – с темпом, не превышающим значение, определяемое частотой сети fc. Теоретически управляемый выпрямитель полностью теряет свою управляемость при частоте сигнала управления больше величины, определяемой произведнием 0,5kтm2fс. Практически полоса пропускания управляемого выпрямителя ограничивается частотой питающей сети. В этой полосе частот управляющего сигнала управляемый выпрямитель может рассматриваться как безынерционное звено с косинусоидальной зависимостью выходного напряжения от угла регулирования α.

В отличие от силовой части управляемого выпрямителя СИФУ может вносить фазовые сдвиги величины угла регулирования α относительно напряжения управления Uу(t). Наличие этого фазового сдвига объясняется инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. Основное влияние здесь оказывает фильтр, который устанавливается на входе СИФУ для повышения помехоустойчивости СИФУ и управляемого выпрямителя в целом. В зависимости от использования, СИФУ, как инерционное звено, обычно приводится к виду апериодического звена первого порядка, или звена с чистым запаздыванием, или к тому и другому вместе.

Управляемый выпрямитель с безынерционной СИФУ при отсутствии в цепи управления апериодических звеньев практически эквивалентен звену чистого запаздывания с постоянной времени

τ = 1/(2kтm2fc).

Передаточная функция управляемого выпрямителя в зоне линейности регулировочной характеристики выпрямителя в целом

Для выпрямителей, питающихся от общепромышленной сети fc = 50 Гц с инерционной системой управления, имеющей постоянную времени Тс.у > 0,0064 с, или при безынерционной СИФУ,

164

но с задатчиком интенсивности изменения входного сигнала (апериодическим звеном с постоянной времени Т0 > 0,0064 c), чистое запаздывание учитывать не нужно. Тогда передаточная функция выпрямителя по управляющему воздействию имеет следующий вид:

В том же случае, когда инерционность управляемого выпрямителя мала по сравнению с инерционностью нагрузки, а частота сигнала управления существенно меньше частоты квантования (равной частоте пульсаций выпрямленного напряжения), т. е. ωу << 2kтm2ωс, управляемый выпрямитель может быть представлен безынерционным звеном с коэффициентом передачи kв, т. е.

Вопросы для самоконтроля

1.При каком соотношении параметров СИФУ можно не учитывать чистое запаздывание в передаточной функции управляемого выпрямителя?

2.В каком случае передаточная функция управляемого выпрямителя может быть представлена безынерционным звеном?

165

7. ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ОТ СВЕРХТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Сверхтоки в полупроводниковых преобразователях возникают при аварийных режимах работы. К аварийным режимам работы рассмотренных выше полупроводниковых преобразователей следует отнести:

–внешние короткие замыкания на стороне переменного и постоянного тока;

–нарушения вентильных свойств полупроводниковых вентилей, т. е. способность вентиля выдерживать обратные напряжения;

–нарушение запирающих свойств полупроводникового вентиля (тиристоров) в прямом направлении;

–пропуск включения отдельных полупроводниковых вентилей (тиристоров), возникающий в результате нарушения работы СИФУ.

В выпрямителях и тиристорных регуляторах первые два вида аварийных режимов приводят к появлению сверхтоков и перенапряжений во всех силовых элементах. Вторые два вида аварийных режимов в выпрямителях и тиристорных регуляторах вызывают ухудшение формы кривой выходного напряжения, перегрузку отдельных вентилей по току, что может привести к пробою вентиля.

Винверторах все четыре вида аварийных режимов приводят

копрокидыванию инвертора – к короткому замыканию цепей постоянного и переменного тока.

Наибольшую опасность для нарушения целостности вентиля представляют сверхтоки и перенапряжения [6]. Для предотвращения повреждений элементов преобразователей при аварийных режимах необходимо предусмотреть в них специальные защитные устройства [11].

Перенапряжения на вентилях возникают не только в тяжелых аварийных режимах, но и в нормальных (штатных) режимах работы преобразователя. Это объясняется тем, что электрические цепи преобразователей содержат реактивные элементы – дроссели и конденсаторы, в которых происходят колебания энергии на интервалах коммутации тока с одного вентиля на другой. Вследствие этого на элементах схемы могут возникать значительные коммутационные перенапряжения, представляющие опасность для вентилей и других элементов преобразователя. Поэтому для уменьшения перенапряжений в контурах с вентилями необходимо устанавливать элементы, способные ограничить величину перенапряжения или устранить их вообще.

166

Наиболее простыми, дешевыми и надежными элементами для защиты от электромагнитных импульсов являются защитные диоды, металлооксидные варисторы и газовые разрядники [11]. Отметим, что эти элементы имеют различные ВАХ, различное быстродействие, различные возможности по поглощению энергии электромагнитного импульса, определяемые в основном теплоемкостью и предельной температурой полупроводникового элемента.

Защитные диоды по принципу действия аналогичны полупроводниковым стабилитронам [11]. Однако они имеют некоторые особенности по сравнению с обычными стабилитронами. Во-первых, большую часть времени они работают в ждущем режиме, т. е. в допробойной области ветви ВАХ. При этом они имеют малые токи утечки

ипрактически не оказывают влияния на работу схемы, в которой они установлены. Обычно этот режим нормируется. В предпробойной области нормируется значение напряжения, при котором обратный ток диода достигает определенной заданной величины (например, 1 или 10 мА).

Вобласти обратимого пробоя защитные диоды имеют крутую ВАХ с малым значением дифференциального сопротивления, что позволяет пропускать через них в течение короткого времени (обычно до 10 мс) весьма большие токи (до сотен ампер). При этом обычно оговаривается максимальное значение импульсной мощности, которую может рассеивать защитный диод при определенных параметрах импульса (обычно ограничивается длительность фронта и длительность импульса). Это говорит о том, что диод может поглотить определенную ограниченную величину энергии (произведение мощности на длительность импульса). Если эта величина по каким-либо причинам превышается, то защитный диод выходит из строя, но он устроен таким образом, что при этом его выводы закорачиваются, что обычно оговаривается фирмой-изготовителем. Это свойство весьма ценно, так как во многих случаях лучше пожертвовать недорогим защитным диодом, чем дорогой аппаратурой, которую он защищает.

Защитные диоды имеют весьма высокое быстродействие (до 1 пс) и пропускают большие токи в импульсе, при этом мощность, рассеиваемая диодом в импульсе, может достигать 1,5 кВт и более. Однако защитные диоды обладают малой теплоемкостью и относительно низкой предельной температурой кристалла, что обусловливает сравнительно небольшую энергию, которую он может поглотить без разрушения.

Защитные диоды выпускаются двух видов – однонаправленные

идвунаправленные. Однонаправленные используются в обратном направлении в режиме обратного пробоя, а в прямом направлении

167

ведут себя как обычные диоды с малым дифференциальным сопротивлением. Двунаправленные защитные диоды эквивалентны встречному включению двух однонаправленных защитных диодов

ив допробойной области имеют большое сопротивление в обоих направлениях. Представляется полезной установка однонаправленного защитного диода на входе преобразователя при питании его от источника постоянного тока. В этом случае он защищает преобразователь от двух неблагоприятных воздействий – перенапряжений

ипереполюсовки входной сети. Если защитный диод установлен после дросселя входного фильтра, то дроссель будет несколько ограничивать амплитуду тока, протекающего через диод при его срабатывании. При длительном перенапряжении или переполюсовке сетевой предохранитель, установленный на входе преобразователя, далеко не всегда спасает защитный диод от выхода из строя. Все зависит от быстродействия предохранителя. Однако даже при выходе из строя защитного диода необходимо помнить, что в этом случае недорогой защитный диод спасает более дорогой преобразователь.

Для защиты цепи нагрузки преобразователя защитный диод устанавливают на выходе преобразователя. В случае отказа цепи обратной связи преобразователя по напряжению, связанного с обрывом этой цепи или с отказом какого-то элемента (например, оптрона), на питаемую преобразователем аппаратуру, содержащую часто очень дорогие компоненты (например, микропроцессоры), может быть подано напряжение, значительно превышающее допустимое, что может привести к выходу из строя всех активных компонентов и конденсаторов. При установке защитного диода в этом случае ток через него резко возрастает, что приводит либо к срабатыванию устройств защиты по току преобразователя, либо, в крайнем случае, к срабатыванию сетевого предохранителя.

Второй элемент, применяемый для защиты полупроводниковых преобразователей и их элементов, – варистор. Варистор – это переменный и нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление R которого изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. При изготовлении варистора порошкообразный полупроводник, например SiC, запрессовывают вместе со связующим ве-

ществом (глиной, жидким стеклом, органическими лаками) в форму и запекают при температуре 1700 °С. Уменьшение R с ростом напряжения связано с падением сопротивления между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через р-п-переходы, которые образуются на этих контактах из острых участков зерен в результате автоэлектронной эмиссии. Варистор следует включать

168

параллельно защищаемому устройству или элементу. При возникновении импульса перенапряжения варистор в силу нелинейности своей ВАХ резко уменьшает свое сопротивление до долей ома и шунтирует устройство, защищая его и рассеивая поглощенную энергию

ввиде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически не имеет инерции, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление и прохождение тока через него прекращается. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не оказывает никакого влияния на работу этого устройства в нормальных условиях, но мгновенно срезает импульсы перенапряжения при их появлении.

Металлооксидные варисторы имеют быстродействие несколько хуже защитных диодов (до 25 нс), но пропускают значительно большие импульсные токи и могут поглотить значительно большую энергию – до нескольких десятков джоулей (в зависимости от размеров варистора).

Для уменьшения импульсов перенапряжения, возникающих на полупроводниковых вентилях, параллельно вентилю часто подключают защитные R-C-цепочки, которые часто называют снабберными цепочками.

Перенапряжения в преобразователях могут возникать также во время различного рода включений, отключений, переключений

всхеме с помощью специальных переключающих устройств, контакторов и реле. Чтобы уменьшить подобные перенапряжения, необходимо обеспечить правильный выбор местоположения переключающих элементов и соответствующую последовательность их переключения, выбор оптимальной скорости прерывания тока, использования специальных разрядников (например, варисторов), уменьшающих величину этих перенапряжений.

Сверхтоки приводят к перегрузке вентиля по току, которая в свою очередь может привести к выходу вентиля из строя. Полупроводниковые структуры вентилей обладают низкой теплоемкостью, поэтому их перегрузочная способность оказывается невысокой. Это объясняется тем, что в процессе изготовления вентилей имеется тенденция к интенсивному использованию р-n-перехода путем повышения плотности тока при усиленном теплоотводе. Перегрузочная способность вентиля определяется предельной температурой нагрева p-n-переходов и допустимым числом циклов изменения температуры от предельно допустимой до минимальной величины.

169

Температура p-n-перехода определяется мощностью потерь и условиями охлаждения, которые в свою очередь зависят от среднего значения тока в вентиле, величины прямого падения напряжения на вентиле, формы тока и теплового сопротивления вентиля.

Допустимое число циклов изменения температуры связано с изнашиванием полупроводниковой структуры вследствие возникновения механических усилий, стремящихся изменить размеры структуры при перепадах температур. Ввиду низкой теплоемкости и структурного износа от чрезмерного нагрева для полупроводниковых вентилей недопустимы перегрузки по току, которые могут возникнить при аварийных режимах работы преобразователя. Поэтому каждый полупроводниковый преобразователь должен снабжаться защитой от перегрузок, вызванных сверхтоками.

Защита от сверхтоков может осуществляться с помощью различныхустройстввзависимостиотхарактераперегрузки.Еслиперегрузки возникают при наличии в схеме достаточных индуктивных сопротивлений, ограничивающих нарастания тока в течение нескольких периодов сети переменного тока, то необходимая защита может быть выполнена в виде плавких предохранителей и контакторов. При выборе плавкого предохранителя следует помнить, что срабатывание предохранителя происходит от действующего значения протекающего через него тока, а не среднего или мгновенного. Поэтому предохранитель следует выбирать по действующему значению тока.

На практике находят применение и самовосстанавливающиеся предохранители (multifuse) – компоненты, предназначенные для защиты электронных и полупроводниковых устройств от перегрузки по току или от перегрева. Принцип их работы основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои первоначальные свойства после устранения этих причин. Диапазон рабочих температур от минус 40 до 85 °С.

Может быть применена защита, в которой используются запирающие характеристики тиристоров. В последнем случае при установлении обратной связи с нагрузкой управляющий сигнал может быть снят с тиристора, в результате чего тиристор надежно запирается в течение последующего цикла после возникновения аварийного режима.

Если сверхток возникает при наличии незначительных индуктивных сопротивлений в схеме (режим глухого короткого замыкания на выходе преобразователя или внутреннего короткого замыкания вследствие пробоя вентиля), в результате чего сверхток достигает максимальной величины в течение одного полупериода, то необходи-

170