6. Системы управления полупроводниковыми преобразователями

6.1 Системы импульсно-фазового управления

Формирование импульсов управления ключами полупроводникового преобразователя осуществляется системой импульсно-фазового управления СИФУ. СИФУ преобразователя работает взаимосвязано с его силовой частью, что определяется необходимыми законами управления преобразователя, его защиты и технологического управления приводным электродвигателем. Любая система управления преобразователем состоит из двух частей:

– логические части, определяющей алгоритм образования импульсов, связь с алгоритмами блоков защиты и блоков технологической автоматики;

– усилительной части, осуществляющей усиление по мощности импульсов управления силовыми ключами (транзисторами или тиристорами) преобразователя, а также потенциальное разделение силовой схемы и системы управления.

Усилительная часть формирует импульсы управления, которые должны своими параметрами (длительностью, амплитудой и крутизной переднего фронта) соответствовать параметрам управления силовыми ключами преобразователя. Например, импульс, поступающий на затвор IGBT-транзистора, должен выполнять его включение с максимальным быстродействием. Для тиристора оптимальным с точки зрения уменьшения времени его включения, и ограничения потерь в нем от тока управления является импульс имеющий (рис. 6.1):

– амплитуду тока не меньшую номинального тока управления применяемого тиристора;

– длительность, обеспечивающую нарастание анодного тока тиристора до тока его удержания вне зависимости от характера нагрузки (практически это время должно быть t_упр>1 мс);

–крутизну переднего фронта порядка 10 А/с или t_фр= 0,05 мс.

Короткий пик значительной амплитуды в начале импульса t_фр предназначен для четкого включения тиристора с высоким быстро-действием. Следующий за пиком “поддерживающий” импульс должен обеспечивать нахождение рабочей точки входной вольт-амперной ха-рактеристики тиристора в области гарантированого управления. Дли-тельность импульса на уровне тока “поддержки” должна быть при-мерно равна 50…100мс, и может быть заполнена высокочастотным напряжением. Для увеличения устойчивости тиристора к скорости нарастания анодного напряжения желательно при выключенном тиристоре иметь на управляющем электроде напряжение от-рицательного смещения u_см = 0,5…1,5 В.

Такая идеология управления применяется и для управления транзистора. Быстродействие включения полупроводникового ключа оценивается временем задержки t_зад и временем включения t_вкл. Время задержки t_зад – это время уменьшения прямого анодного напряжения на нем с момента подачи импульса управления до момента, когда прямое напряжение на ключе составит 90% его первоначального значения. Время включения t_вкл – это время снижения указанного напряжения до 10% первоначального его значения и роста тока в нем. Оно составляет единицы микросекунд. Время задержки и время включения уменьшаются при возрастании амплитуды импульса управления. Чем круче передний фронт импульса управления, тем быстрее устанавливается проводящее состояние по всей площади вентельного элемента. Поэтому для преобразователей с большими значениями изменения анодного тока (di_a/dt) требуются импульсы управления большой крутизны, т.е. с большими значениями di_упр/dt).

СИФУ преобразователями могут быть аналого-импульсными или цифровыми, могут выполняться одно- и многоканальными. Последние создаются для многофазных преобразователей и имеют m-идентич-ных каналов, формирующих импульсы управления в необходимой по-следовательности и с необходимыми параметрами. Разброс характе-ристик реальных каналов этой системы вызывает асимметрию углов управления преобразователем. Этот недостаток устраняется примене-нием одноканальных систем.

Принцип построения одноканальных систем уменьшает число параллельных каналов фазового сдвига выходных импульсов, снижает число операций по преобразованию информации и повышает точ-ность преобразования. Сложность одноканальных систем управления определяется диапазоном регулирования угла проводящего состояния силового вентеля (ключа). Рассмотрим обобщенную структуру одно-канальных систем управления (рис. 6.2). Одними функциональными элементами обобщенной структурной схемы является: устройство синхронизации УС; фазосдвигающее устройство ФСУ; распреде-литель импульсов РИ; формирователь выходного импульса ФИ. В систему могут входить входное устройство ВУ и устройства согласо-вания углов УСУ.

Назначение функциональных элементов схемы следующие:

– устройство синхронизации УС вырабатывает последователь-ность импульсов определенной частоты для синхронизации (тактиро-вания) всех функциональных элементов одноканальной системы управления;

– фазосдвигающее устройство ФСУ преобразует управляющий сигнал в импульсный сигнал соответствующей фазы относительно опорных моментов (моментов синхронизации);

– распределитель импульсов РИ выделяет импульсы из общей их последовательности на силовые ключи преобразователя в соответ-ствии с алгоритмом его работы;

– формирователь импульсов ФИ формирует параметры выходных импульсов, соответствующие характеристикам силовых ключей;

– устройство согласования углов УСУ осуществляет согла-сование фазовых положений импульсов и фазосдвигающего устрой-ства относительно опорных моментов, а также ограничение предель-ных углов;

– входное устройство ВУ выполняет различные преобразования сигнала управления (например, усилие, ограничение диапазона регулирования, линеаризация общей передаточной характеристики преобразователя и т.д.);

Формирование синхроимпульсов можно осуществить двумя способами:

– непосредственно из напряжения опорной части U_оп, что носит название непосредственная синхронизация;

– с помощью автономного генератора, управляемого по частоте. Частота этого генератора подстраивается автоматически в функции сигнала, пропорционального фазовому рассогласованию, и называется этот способ синхронизация с автоподстройкой частоты.

Непосредственная синхронизация может осуществляться в функции мгновенных значений опорного напряжения (жесткая синхронизация) или с предварительным интегрированием опорного напряжения (интегральная синхронизация). Фазовый сдвиг, использующий опорные моменты отсчета, называется синхронным, а фазовый сдвиг с независимым отсчетом – асинхронным.

По способу преобразования непрерывного сигнала управления U_упр в фазовый сдвиг α синхронные одноканальные системы делятся на:

– системы развертывающего типа, осуществляющие модуляцию первого и второго рода (вертикальные);

– системы с накоплением сигнала управления (интегрируемые).