Pankratov_V_V_Uchebnoe_posobie_po_AUEP_Avtorsk

1983 г. Коммерческие серии биполярных транзисторов с изолированным затво-

ром активно разрабатываются в 1985 – 1990 гг., после того как их структура была усовершенствована фирмами General Electric и RCA (США), а рабочее напряжение увеличено до необходимых значений.

В настоящее время в электроприводах с транзисторными преобразовате-

лями используются как единичные транзисторы, так и сборки (модули) IGBT и MOSFET, области применения которых достаточно четко разграничены. Пре-

образователи на базе MOSFET применяются в ЭП малой мощности (до не-

скольких кВт) с напряжениями в несколько десятков (иногда – сотен) вольт и токами в несколько десятков ампер. На основе MOSFET строятся, например,

большинство устройств автоэлектроники. Частоты коммутации силовых МОП-

транзисторов могут составлять до нескольких десятков килогерц. Менее быст-

родействующие, но имеющие относительно низкое прямое падение напряжения в проводящем состоянии IGBT применяются в промышленных и тяговых ЭП малой, средней и даже большой мощности (до нескольких мегаватт). Рабочие напряжения современных IGBT составляют от 600 до 4000 В, а токи – до 2500

А. Частоты коммутации IGBT самого распространенного, 12-го класса по напряжению (рекомендованное рабочее напряжение до 600 В) могут составлять до 10…12 кГц без значительной деноминализации транзисторов по току.

Обычно для уменьшения динамических (коммутационных) потерь используют-

ся частоты не выше 3…5 кГц.

И IGBT, и MOSFET имеют низкую мощность управляющего воздействия,

т.к. коммутируются потенциалом, а ток управления «расходуется» лишь на пе-

резаряд емкости затвора.

В настоящей главе пособия рассматриваются: функциональная схема, си-

ловая часть транзисторного электропривода постоянного тока, способы управ-

ления мостовым импульсным усилителем мощности, структура и методики расчета параметров однозонной САР скорости ЭП постоянного тока с питанием цепи якоря двигателя от транзисторного широтно-импульсного преобразовате-

ля напряжения.

131

6.1. Силовая схема транзисторного ЭП постоянного тока

Укрупненная функциональная схема ЭП постоянного тока с транзистор-

ным преобразователем изображена на рис. 6.1. Здесь: Т – согласующий транс-

форматор; СИП – силовой источник питания; Ф – силовой фильтр; ИУМ – им-

пульсный усилитель мощности; БТ – блок торможения. Остальные обозначения соответствуют принятым ранее, в частности – на рис. 4.10.

	Ф			LM
Сеть Т	Ld		+	М
СИП	Cd		Ud ИУМ
			-	Пв
				BAя
	БТ	Rб		BR

VTб

САР ЭП

Рис. 6.1 – Функциональная схема транзисторного электропривода

Как правило, в электроприводах малой мощности силовой источник пи-

тания обеспечивает только однонаправленное преобразование энергии и пред-

ставляет собой неуправляемый (диодный) или полууправляемый (диодно-

тиристорный) выпрямитель с минимальным углом регулирования, оснащенный дополнительными устройствами, которые обеспечивают плавный заряд емко-

сти фильтра Cd при первоначальном подключении преобразователя к питаю-

щей сети (рассмотрены в приложении П2). Вместе с дросселем Ld конденсатор

Cd образует Г-образный фильтр, сглаживающий пульсации выпрямленного

132

СИП напряжения. Кроме того, Cd обеспечивает обмен реактивным током меж-

ду активно-индуктивной нагрузкой с противоЭДС, каковой является цепь якоря ДПТНВ (М), и преобразователем. Для обеспечения режимов рекуперативного торможения электропривода транзисторный преобразователь опционально оснащается блоком торможения, который посредством транзисторного ключа

VTб управляет процессом рассеяния энергии торможения на балластном рези-

сторе Rб соответствующей мощности (на схеме в качестве VTб показан IGBT).

В двигательных режимах работы ЭП транзистор VTб заперт. Для исключения перенапряжений при коммутации VTб резистор Rб охвачен обратным диодом.

Заметим, что для реализации режимов генераторного торможения с реку-

перацией энергии в питающую сеть переменного тока в ЭП может использо-

ваться СИП на базе транзисторного активного выпрямителя напряжения. В за-

рубежной литературе такое решение получило название AFE – Active Front End.

Работая совместно, трансформатор, СИП, фильтр и БТ обеспечивают им-

пульсный усилитель мощности достаточно стабильным питающим напряжени-

ем постоянного тока Ud , которое по величине с запасом в 5…10% должно пре-

вышать номинальное напряжение двигателя Uян .

В быстродействующих четырехквадрантных (т.е. работающих во всех че-

тырех квадрантах плоскости механических характеристик) электроприводах импульсный усилитель мощности строится по однофазной мостовой схеме,

изображенной на рис. 6.2. ИУМ состоит из двух стоек, каждая из которых со-

держит два транзисторных ключа VT со встречно-параллельно включенными обратными диодами VD. Нагрузка включается в «диагональ» моста. Обратные диоды обеспечивают возможность непрерывного протекания тока нагрузки лю-

бого направления при произвольной коммутации транзисторов ИУМ.

133

+	VT1	VD1		uя VT4	VD4
		iя	+	-
	Ud	BAя		М
	VT2			VT3
-
		VD2			VD3

Рис. 6.2 – Схема мостового ИУМ на базе IGBT

Мостовая схема ИУМ в каждый текущий момент времени способна в управляемом режиме сформировать на нагрузке одно из трех мгновенных зна-

чений напряжения:

uя Ud – для этого должны быть включены транзисторы VT1, VT3 (условимся измерять напряжения слева направо, см. рисунок, таким же примем условно положительное направление тока в нагрузке);

uя Ud – для этого должны быть включены транзисторы VT2, VT4;

uя 0 – включены транзисторы VT1, VT4 или VT2, VT3.

Одновременное включение двух транзисторов, расположенных в одной стойке ИУМ, – VT1 и VT2 или VT3 и VT4 – не допускается, т.к. это привело бы к ко-

роткому замыканию СИП, недопустимо большому сквозному току и выходу преобразователя из строя. При отключении всех транзисторов (т.е. отсутствии управления ИУМ) полярность uя будет определяться направлением тока в нагрузке, замыкающегося на емкость фильтра Cd через обратные диоды ИУМ.

В данном случае источник Ud всегда оказывается включен встречно направле-

нию тока, что при условии Ud eя приводит к снижению последнего до нуля с постоянной времени Tя .

Так как цепь якоря двигателя и электромеханическая подсистема привода являются фильтром нижних частот, то при достаточно высокой частоте комму-

тации транзисторных ключей ЭП будет реагировать, главным образом, на сред-

нее за период повторения T значение uя

134

uя n	1	(n 1)T
			uя (t) dt ,
	T
			nT
где n 0, 1, 2 ... – номер периода	повторения импульсного напряжения			на
нагрузке. Поэтому именно значение uя			является выходной (управляемой)	пе-

ременной ИУМ в регулируемом электроприводе, причем дискретным характе-

ром изменения uя[n] во времени также можно пренебречь, если сориентиро-

ваться на использование квазинепрерывных законов управления с ограничен-

ной полосой пропускания частот.

Процесс преобразования постоянного напряжения питания ИУМ Ud в

регулируемое uя путем формирования импульсной последовательности напря-

жений, информационный параметр которой определяется непрерывным управ-

ляющим воздействием, называется модуляцией. В зависимости от того, по-

средством какого параметра выходной импульсной последовательности ИУМ изменяется значение uя , различают частотно-импульсную (ЧИМ) и широт-

но-импульсную (ШИМ) модуляцию. При ЧИМ длительность прямоугольных импульсов напряжения на нагрузке остается постоянной, а изменяется их ча-

стота. В настоящее время ЧИМ можно встретить в устаревших системах тяго-

вого электропривода (на городском электрическом транспорте). В современных мехатронных системах, промышленных и тяговых электроприводах использу-

ется ШИМ, при которой период повторения импульсной последовательности на выходе ИУМ неизменен, а варьируется относительная «ширина» импульсов,

называемая скважностью (см. следующий раздел).

6.2. Способы управления и регулировочные характеристики ИУМ

В импульсных усилителях мощности с ШИМ применяются два способа коммутации транзисторных ключей, различающиеся формой выходного напряжения, энергетическими и регулировочными характеристиками – сим-

метричное и несимметричное управление [22].

135

При симметричном управлении ИУМ на нагрузке формируется биполяр-

ная (двуполярная) импульсная последовательность напряжений (БИПН), идеа-

лизированно изображенная на рис. 6.3.

uя

Ud

0		tимп		T		2T	t

Ud

Рис. 6.3 – Выходное напряжение ИУМ при симметричном управлении

Идеализация графика на рис. 6.3 заключается в том, что здесь и в даль-

нейшем при математическом моделировании процессов в транзисторных пре-

образователях энергии и синтезе систем регулирования электроприводов ис-

пользуется следующая система упрощающих допущений.

1.Внешняя характеристика СИП считается абсолютно жесткой, т.е. предпо-

лагается, что напряжение питания ИУМ Ud не зависит от нагрузки; так-

же не учитываются падения напряжения на диодах и тиристорах СИП

(силовой источник питания бесконечной мощности).

2.Падения напряжения на проводящих ток полупроводниковых приборах ИУМ (транзисторах и обратных диодах) не учитываются.

Вследствие первых двух допущений Rп 0 , Lп 0 , Rэ Rя , Lэ Lя ,

Tэ Tя .

3.Пульсации выпрямленного напряжения СИП пренебрежимо малы, иными словами, емкость силового фильтра Cd довольно велика.

4.Влияние эффекта «мертвого времени» – задержки, вводимой в алгоритмы коммутации ключей в одной стойке ИУМ (между отключением одного и

136

включением другого транзистора) для исключения сквозных токов, –

считается пренебрежимо малым.

Зависимость среднего значения выходного напряжения ИУМ в устано-

вившихся режимах uя Uя.ср от скважности импульсной последовательности

tимп / T называется регулировочной характеристикой ИУМ. Для симмет-

ричного способа управления она описывается выражением

Uя.ср Ud (2 1) .

(6.1)

Соответствующий график изображен на рис. 6.4.

Uя.ср

Ud

	0
		0,5		1

Ud

Рис. 6.4 – Регулировочная характеристика ИУМ с симметричным управлением

uя

Ud

0		tимп		T		2T	t

Рис. 6.5 – Выходное напряжение ИУМ при несимметричном управлении и

Uя.ср 0 (положительная ОИПН)

137

Uя.ср

Ud

( )	1	0

1 ( )

Ud

Рис. 6.6 – Регулировочная характеристика ИУМ с несимметричным управлени-

ем: в первом квадранте – положительная ОИПН, в третьем – отрицательная

При несимметричном способе управления на нагрузке формируется од-

нополярная импульсная последовательность напряжений (ОИПН), рис. 6.5,

причем полярность импульсов определяется знаком требуемого uя . В данном случае выражение регулировочной характеристики имеет вид

Uя.ср Ud ,

(6.2)

а ее график изображен на рис. 6.6.

6.3. Управляемые широтно-импульсные преобразователи напряжения и

широтно-импульсные модуляторы, их регулировочные характеристики

Аналогично тому, как в разделе 5.1.3 было введено понятие управляемого вентильного преобразователя, определим управляемый широтно-импульсный преобразователь напряжения (ШИП) как совокупность его силовой схемы – ИУМ и системы управления – широтно-импульсного (ШИ) модулятора, см.

рис. 6.7. Каждый из узлов этой схемы имеет свою регулировочную характери-

стику, и они обе совместно порождают общую регулировочную характеристику ШИП. Внутренняя структура модулятора определяется принятым способом

138

управления ИУМ. Рассмотрим варианты построения модуляторов в соответ-

ствии с принципом вертикального управления (см. раздел 5.1.3).

uу								uя
	Широтно-
	импульсный						ИУМ
	модулятор

Рис. 6.7 – Укрупненная структура ШИП

Структурная схема широтно-импульсного модулятора, реализующего симметричный способ управления ИУМ, приведена на рис. 6.8. Здесь: К – ком-

паратор; ГОС – генератор опорного сигнала; 1 – логический инвертор (элемент

«НЕ»); ФМВ – логическая схема формирователя «мертвого времени»; uVT –

сигналы управления транзисторами ИУМ, подаваемые на их драйверы – специ-

альные схемы, осуществляющие включение и отключение транзисторов, галь-

ванически развязывающие цепи управления с силовой частью ШИП и усили-

вающие управляющие сигналы по мощности.

uу

ФМВ

К

uVT1

uVT3

uоп

1

uVT2

ГОС

uVT4

На драйверы

Рис. 6.8 – Структурная схема симметричного широтно-импульсного модулятора

Возможные графики напряжения ( uя ) и тока ( iя ) нагрузки симметрично-

го ШИП показаны на рис. 6.9. Здесь изображен самый сложный режим работы

139

ИУМ, когда ток нагрузки знакопеременный, и указаны как включаемые транзи-

сторы, так и полупроводниковые приборы, через которые замыкается iя .

uя

Ud

VT1, 3

t

VT2, 4

T

iя

t

1

2

3

4

Рис. 6.9 – Напряжение и ток на выходе симметричного ШИП. Период БИПН T

разделен на интервалы, в течение которых ток нагрузки протекает через различные элементы ИУМ: 1 – VD2, VD4; 2 – VT2, VT4; 3 – VD1, VD3; 4 – VT1, VT3

Наиболее благоприятные с позиций автоматического регулирования свойства ШИП достигаются использованием непрерывного кусочно-линейного

«треугольного» опорного сигнала, форма которого показана на рис. 6.10. В

этом случае: 1) обеспечивается линейность регулировочных характеристик ШИП в целом; 2) за счет модуляции двумя фронтами (двукратного за период сравнения uоп с uу ) частота дискретизации ШИП по каналу управления в два

раза превышает частоту ШИМ, что позволяет достигать предельного быстро-

действия СУЭП «в малом».

140