Введение
Современные автоматизированные электроприводы представляют собой сложныединамические системы, включающие в себя различные линейные и нелинейныеэлементы (двигатели, генераторы, усилители, полупроводниковых и другиеэлементы), обеспечивающие в своем взаимодействии разнообразные статические идинамические характеристики.
Двигатели постоянного тока используются впрецизионных приводах, требующих плавного регулирования частоты вращения вшироком диапазоне.
Свойствадвигателя постоянного тока, так же как и генераторов, определяются способомвозбуждения и схемой включения обмоток возбуждения. По способу возбужденияможно разделить двигатели постоянного тока на двигатели с электромагнитным имагнитоэлектрическим возбуждением.
Двигатели сэлектромагнитным возбуждением подразделяются на двигатели с параллельным,последовательным, смешанным и независимым возбуждением. Электрические машиныпостоянного тока обратимы, то есть, возможна их работа в качестве двигателейили генераторов.
Например, если в системе управления с использованием генератора вобратной связи отсоединить генератор от первичного двигателя и подвестинапряжение к обмоткам якоря и возбуждения, то якорь начнет вращаться и машинабудет работать как двигатель постоянного тока, преобразуя электрическую энергиюв механическую. Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяютосновным требованиям к исполнительным двигателям самоторможение двигателя приснятии сигнала управления, широкий диапазон регулирования частоты вращения,линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы вовсем диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие,малые габариты и масса.
Теориярегулируемого электропривода, насчитывающая уже ни один десяток, лет, постоянносовершенствуется вместе с совершенствованием конструктивных решений. Особенноинтенсивное развитие она получила в последнее время благодаряусовершенствованию традиционных и созданию новых силовых управляемых полупроводниковыхприборов, интегральных схем, развитию цифровых информационных технологий иразработке разнообразных систем микропроцессорного управления.
Современные компьютерные технологии, в основе которых лежатприкладные пакеты, предоставляют возможность более глубокого изучения вопросов;связанных с проектированием полупроводникового электропривода. Они позволяюткачественно изменить и существенно улучшить технологию изучения, перевести ее ввиртуальную действительность, осуществить в этой виртуальной лабораториинеобходимые исследования с получением количественных результатов.
В настоящее время имеется обширная литература по теорииэлектропривода. С другой стороны, имеется литература по прикладным пакетам.Однако практически отсутствуют работы, в которых теоретические вопросырегулируемого электропривода исследовались бы с привлечением компьютерныхприкладных программ.
Правда, в последнее время появилось много хороших книг,посвященных прикладным техническим пакетам, но в основе их лежит сам пакет;конкретные примеры, приведенные в этих монографиях, призваны демонстрироватьвозможности пакета и компьютера.
Литература по силовым полупроводниковым преобразователям,предназначенным для управления электрическими машинами в системахэлектропривода, нуждается в постоянной корректировке, посколькусовершенствуются предмет и методы исследования. Силовые полупроводниковыепреобразователи, существенно улучшая энергетику, позволяют реализовать(конечно, при современном микропроцессорном управлении) качественно новые способырегулирования электрическими машинами. При этом классические машины приуправлении от полупроводникового преобразователя приобретают новые свойства икачественно новые, лучшие характеристики. Силовые полупроводниковыепреобразователи позволяют также реализовать новые конструктивные итехнологические решения, обладающие свойствами, недоступными классическомуэлектроприводу.
Современный электропривод с использованием полупроводниковых узлов(далее – «полупроводниковый электропривод») состоит из трех основных отличныхчастей:
1.Силоваяпреобразовательная часть, содержащая силовой полу проводниковыйпреобразователь. Основная функция заключается в преобразовании электрическойэнергии между источником питания и электрическим двигателем.
2.Электромеханическаячасть, содержащая рабочий механизм, соединенный посредством механическойпередачи с электрическим двигателем.
3.Информационная(управляющая) часть, служащая для управления силовым полупроводниковымпреобразователем и обеспечивающая заданные свойства электроприводу.
Представим очень короткий обзор современных прикладных пакетов,которые могут быть использованы для проектирования полупроводниковогоэлектропривода.
В первую очередь следует отметить пакет MatLab с широко развитымидополнениями (Toolboxes), из которых ToolboxSimulinkнаиболее приспособлен для анализа исинтеза различных систем.
Пакет Simulink со своими дополнениями – основной инструмент изученияразличных электромеханических систем, используемый в данной монографии. Я невстретил ни одной задачи, связанной с исследованием систем электропривода,которую нельзя было бы решить в этом пакете.
Simulink предоставляет исследователю самые различные возможности,начиная от структурного (математического) представления системы и кончаягенерированием кодов для программирования микропроцессора в соответствии соструктурной схемой модели.
/>
Рисунок 1. Виртуальная модель энергосистемы в пакете Simulink
вал двигатель электропривод преобразователь
Представленная на рис. 1 модель (файл psbturbine из библиотеки Powerdemos) наглядно демонстрируетуровень сложности задач, которые можно исследовать в пакете Simulink. Это модельэлектромеханической системы мощностью 220 МВА, состоящей из гидротурбины (блок HTG), синхронного генератора(блок. SynchronousMachine), трёхфазного трансформатора (блок Three-PhaseTransformer) и различного виданагрузок. Система работает параллельно с энергосетью мощностью 10 000 МВА.Модель (рис. 1) позволяет исследовать переходные и установившиеся режимыгидроэлектростанции с синхронным генератором, имеющим систему управлениявозбуждением (блок ExcitationSystem).
Специальнодля решения задач проектирования электронных блоков систем электропривода внастоящее время также разработано значительное количество прикладныхкомпьютерных пакетов.
Дляисследования и проектирования хорошо зарекомендовали себя прикладные пакеты, воснове которых использовался пакет Pspice. КэтимпакетамотносятсяOrCAD9 Realise, DesighnLab, Worbench, CircuitMarkerидругие.
Для изучения и анализа несложных схем привлекательным являетсяпакет Workbench, который по существу представляет собой виртуальную лабораторию сдостаточно широкими возможностями.
Гораздо более широкими возможностями обладает пакет OrCAD9, объединивший в себевозможности анализа, синтеза, расчёта и конструирования электронных схем иобладающий к тому же очень обширной библиотекой (более 200 тыс.) электронныхкомпонентов.
Следует остановиться еще на одном пакете. Это пакет TCAD, разработанный идостаточно широко используемый в Польше, не получил широкого распространения вмире, не очень удобен при исследовании полупроводниковых преобразователей исистем электропривода.
Одна из, основных проблем, на которую наталкивается исследовательполупроводникового электропривода, является проблема декомпозиции. Дело в том,что различные процессы в системе имеют разный масштаб времени. Например,переходные процессы в электромеханической части системы протекают в течениеединиц – десятков секунд, а электромагнитные переходные процессы припереключении силовых транзисторов длятся микросекунды, Как видим, разница вдлительности процессов здесь составляет девять порядков.
В настоящее время нет прикладных пакетов, которые позволили быисследовать систему с одновременным учётом тех и других переходных процессов.Однако и те, и другие оказывают существенное влияние на характеристики системыи должны быть учтены.
Решение этой проблемы базируется на разделении (декомпозиции)системы в пространстве и во времени, с обоснованным выбором на каждом шагеопределённой модели, а иногда и отдельного прикладного пакета. Задачипроектирования полупроводникового электропривода с достаточной точностьюрешаются в пакете MatLab, Simulink. Поэтому он и выбран в качестве средства моделирования вдипломной работе.
1. Основные понятия термины и определения
Электропривод (рис. 1.1) – это электромеханическая система,состоящая из электрической машины (ЭМ), связанной посредством механическойпередачи (редуктор (Р) с рабочим механизмом (РМ), силового преобразователя(СП), системы управления (СУ), блока сенсорных устройств (БСУ), которые обычноиграют роль датчиков обратной связи по основным переменным состоянияэлектропривода, вторичных источников питания (ВИП), обеспечивающих напряжениепитания СУ, БСУ и входных цепей СП, и источника электрической энергии (ИЭЭ).
/>
Рисунок 1.1. Блок-схема электропривода.
В качестве СП в дальнейшем рассматриваются лишь силовыеполупроводниковые преобразователи. Они выполняют, во-первых, согласованиеэлектрических параметров источника электрической энергии (напряжение, частота)с электрическими параметрами электрической машины и, во-вторых – регулированиеэлектрических параметров машины. Известно, что для управления скоростьювращения и моментом электрической машины необходимо регулировать электрическиепараметры на её входе. Система управления (СУ) предназначена для управления СП,она обычно строится на микросхемах либо микропроцессоре. На вход СУ подаетсясигнал задания Uз и сигналы отрицательных обратных связей от БСУ. Системауправления, в соответствии с заложенным в нее алгоритмом, вырабатывает сигналыуправления СП, управляющего электрической машиной.
Следует оговорить некоторые особенности терминологии, касающиесяэлектрических машин. Электрической машиной будем называть обобщенныйэлектромеханический преобразователь, обес/>печивающийпреобразование электрической энергии в механическую при работе в двигательномрежиме, механической – в электрическую при работе в генераторном режиме, а такжеобеспечивающий преобразование электрической и механической энергии в тепловуюпри работе в режиме электромагнитного тормоза. В электроприводах в переходных иквазиустановившихся режимах все эти процессы преобразования имеют место.Однако, отдавая дань традиции, часто для электропривода будет использоватьсятермин электрический двигатель. При этом читатель должен понимать, что речьидет об электрической машине.
Электроприводы делятся:
· похарактеру движения – на вращательный электропривод и линейный электропривод;
· понаправлению движения – на реверсивный электропривод, обеспечивающий вращение(движение) в обоих направлениях, и нереверсивный, обеспечивающий движениетолько в одном направлении;
· поэлектрическим параметрам электрической машины – на электропривод постоянноготока и электропривод переменного тока;
· по электрическимпараметрам источника электрической энергии – на электропривод, питающийся отпромышленной сети 50 Гц и электропривод, питающийся от автономного источникапитания (аккумулятор, солнечная батарея, дизель-генератор и т.д.);
· попринципу действия – на электроприводы непрерывного действия, подвижные частикоторого в установившемся режиме находятся в состоянии непрерывного движения, идискретный электропривод, подвижные части которого находятся в состояниидискретного движения в установившемся режиме;
· посоотношению между числом электрических машин и рабочих механизмов – нагрупповой электропривод, обеспечивающий движение нескольких рабочих механизмовот одной электрической машины, и индивидуальный, обеспечивающий движение одногорабочего механизма от одной электрической машины.
Наиболее совершенным электроприводом является автоматизированныйэлектропривод – регулируемый электропривод с автоматическим регулированиемпеременных состояния (момента и скорости).
Автоматизированные электроприводы делятся на:
· стабилизированныйпо скорости или моменту электропривод;
· программноуправляемый электропривод, осуществляющий перемещение рабочего механизма всоответствии с программой, заложенной в сигнал задания;
· следящийэлектропривод, осуществляющий перемещение рабочего механизма в соответствии спроизвольно изменяющимся входным сигналом;
· позиционныйэлектропривод, предназначенный для регулирования положения рабочего механизма.
1.1 Приведение переменных и параметров рабочего механизма к валуисполнительного двигателя
Исполнительный двигатель электропривода связан с рабочиммеханизмом через механическую передачу. На рис. 1.2 представлено несколькотипов механических передач.
/>
Рисунок 1.2. Типымеханических передач в электроприводе
Механическая часть электропривода в дальнейшем рассматривается вкачестве «жесткой» механической модели. Это значит, что все звенья модели впроцессе передачи момента не деформируются, кинематические пары не имеют люфтови зазоров, а потери в механической передаче учитываются только её коэффициентомполезного действия.
/>
Рисунок 1.3. Функциональная схема «жесткой» механической передачи
В этом случае динамические и статические моменты рабочегомеханизма могут быть пересчитаны и приведены к валу исполнительного двигателя.На рис. 1.3 представлена функциональная схема «жесткой» механической частиэлектропривода. Уравнение движения в этом случае имеет известный вид:
/> (1.1)
где />
– моментсопротивления нагрузки, приведенный к валу двигателя,
/>угловая скорость вращениявала двигателя,
/> – момент инерции, приведенный к валудвигателя,
М’ – собственный момент сопротивления двигателя,
МР – момент сопротивления редуктора,
МРМ – момент сопротивления рабочего механизма,
J’, JP, JPM – моменты инерции двигателя, редуктора и рабочего механизма,
/> – передаточное число и коэффициентполезного действия редуктора.
При этом /> в случаевращающегося рабочего механизма, и /> вслучае линейно перемещающегося рабочего механизма.
Часто при расчетах моментами сопротивления двигателя и редукторапренебрегают и учитывают только приведенный момент рабочего механизма. Какправило, нагрузочный момент является случайной величиной. Точное егоопределение возможно лишь при статистической обработке результатов измерений нареальном объекте. Тем не менее все разнообразие нагрузок можносистематизировать по характеру изменения момента от скорости либо от углаповорота рабочего механизма и представить в виде типовых зависимостей.
/>
Рисунок 1.4. Типовые зависимости нагрузочного момента
Типовые зависимости МРМ = f (wРМ) представлены на рис. 1.4.
При этом нагрузочный момент/>имеет тот же вид, что имомент рабочего механизма.
а) Наиболее простым видом нагрузочного момента, удобным дляаналитического решения задачи выбора двигателя, является постоянный момент, независящий от параметров ни по значению, ни по знаку: Мн = const. Классическим примеромтакого вида нагрузки является подъём или спуск груза. Близок к этому момент,создаваемый в системе регулирования скорости движения лентопротяжных механизмови намоточных устройств с постоянным натягом ленты, провода и т.п.
б) Другим видом нагрузочного момента является момент сухоготрения, неизменный по значению, но приложенный навстречу направлению вращения(скорости) Мн= МHsign(wm). В следящих системах и в станочныхэлектроприводах подачи этот вид нагрузки является основным.
Кроме того, приводы вентилей, дросселей, клапанов в системахавтоматического регулирования температуры, расхода газа и жидкости, винтовкареток некоторых станков, щеток потенциометров и т.п. устройствхарактеризуется прежде всего моментом сухого трения.
В общем случае момент сухого трения не остаётся постоянным, асложным образом зависит от скорости перемещения. Кроме того, в механизмах,длительно находящихся в покое или в особых средах (например, в вакууме),наблюдается эффект залипания, при котором сопротивление начальному движениювозрастает в несколько раз.
с) Моментом вязкого трения называют нагрузочный момент />.
d) Зависимость нагрузочного момента от угловой скорости, например,вентилятора, центробежного насоса, гребного и воздушного винта, имеет вид,показанный на рис. 5, d. Такой нагрузочный момент описывают формулой />, где n= 1,72÷ 2,5, иназывают вентиляторным.
e) Часто нагрузочный момент зависит от угла поворота механизма а иего положения. Такой момент называют позиционным. Характерной нагрузкойявляется радиолокационная антенна, момент сопротивления которой зависит от еёположения относительно направления ветра. Поэтому в некотором диапазоне угловповорота механизма позиционный момент может принимать отрицательные значения,то есть помогать двигателю вращать антенну. К этому же типу механизмовотносятся приводы рулей летательных аппаратов, момент сопротивления которыхзависит от угла отклонения руля в шарнире и называется шарнирным.
f) В системах автоматики, где определяющую роль играют переходныепроцессы (разгон, торможение), основным моментом, нагружающим двигатель, являетсядинамический момент/>.Характерными динамическими нагрузками являютсяразличного вида следящие системы (стрелково-пушечные турели, приводыкопировально-фрезерных станков, приводы радиолокационных антенн и т.п.).
1.2 Основные характеристики и параметры электропривода
Различают три вида основных характеристик электропривода:
· статическиехарактеристики;
· энергетическиехарактеристики;
· динамическиехарактеристики.
Статические характеристики
Это характеристики при установившемся режиме работы ЭП, когдаскорость на выходе постоянна. В этом случае, как это следует из основногозакона движения (1.1), момент, развиваемый двигателем на валу (M), равен приведенномумоменту нагрузки (Мн).
В качестве статических характеристик в основном рассматриваются механическиехарактеристики – зависимость скорости на выходе от момента при различныхнапряжениях Uз (Uз выступает в качестве параметра) и регулировочныехарактеристики – зависимости скорости вращения от напряжения на входе приразличных значениях момента нагрузки (МН ыступает в качествепара метра). На рис. 1.5 в качестве примера показаны механические регулировочныехарактеристики ЭП постоянного тока.
/>
Рисунок 1.5. Типовые механическая и регулировочная
характеристики электропривода
Вустановившемся режиме качество электропривода характеризуется следующимипараметрами:
· жесткостьюмеханической характеристики (/>);
· коэффициентомпередачи (усиления) (/>) регулировочнойхарактеристики. Заметим, что жесткость и коэффициент передачи могут бытьпостоянными в линейных системах и изменяться от точки к точке в нелинейныхсистемах;
· диапазономрегулирования по скорости на выходе электропривода (/> приМН = const).
Энергетические характеристики электропривода
К энергетическим характеристикам электропривода относятся рабочиехарактеристики, то есть зависимости тока, активной, реактивной и полной мощности,потребляемой от источника питания, от мощности на выходе электропривода (отмощности нагрузки): I1, P1, Q, S = f(P2).
Эти характеристики определяют к.п.д. (/>)и коэффициент мощности (/>)электропривода. К энергетическим характеристикам также относятся зависимостисредних, действующих и амплитудных токов через полупроводниковые элементыпреобразователя от момента, скорости и мощности на выходе электропривода.
Наличие силового полупроводникового преобразователя, включенногомежду источником питания и двигателем, вносит определенную специфику, которуюнеобходимо учитывать при анализе энергетических характеристик электропривода.Рассмотрим эту специфику.
1.При управлении от силового полупроводниковогопреобразователя обмотки электродвигателя запитываются импульсным напряжением.При этом токи в обмотках также пульсируют. Импульсный характер напряжения ипульсация тока вызывают дополнительные потери в двигателе, которые необходимоучитывать при анализе энергетических характеристик.
2.Силовые элементы преобразователя (диоды,тиристоры, транзисторы) не являются идеальными ключами. Поэтому в режимах,когда они проводят ток (для транзисторов это режим насыщения), на нихрассеивается определенная мощность. Эта мощность, которую называютквазистатической, зависит от среднего и эффективного (действующего) тока и отпараметров полупроводникового прибора в режиме протекания прямого тока. На рис. 1.5в качестве примера приведена характеристика диода для прямого тока и показаныего два основных параметра: Uo – остаточное напряжение на диоде врежимепротекания прямого тока и /> – динамическоесопротивление диода в режиме прямого тока. Квазистатические потери в диодеопределяются из выражения:
/>,
где Iср, I – средний и эффективныйток через диод.
Аналогично определяются квазистатические потери в тиристоре итранзисторе.
Квазистатические потери в силовом полупроводниковомпреобразователе зависят, прежде всего, от мощности на выходе, но, кроме того,они существенно зависят от алгоритма управления преобразователем, от структурызамкнутого электропривода и от его параметров. Все эти обстоятельстванеобходимо учитывать при анализе энергетических характеристик. Такой учетвозможен только в том случае, когда квазистатические потери рассчитываютсяпосле синтеза электропривода.
3. Кроме квазистатических потерь в полупроводниковых элементахпреобразователя при переключениях выделяются значительные потери, которыеназывают динамическими.
При включении транзистора диод закрывается не сразу, и некотороевремя ток протекает в практически короткозамкнутой цепи. Качественные кривыетока транзистора и напряжения на транзисторе в процессе коммутации показаны нарис. 1.7. Мощность, выделяемая в транзисторе в период коммутации, являясьпроизведением напряжения на ток, может оказаться значительной. Аналогичнаякартина наблюдается и при выключении транзистора.
Динамические потери в полупроводниковых элементах силовыхпреобразователей зависят от частоты переключения и от параметров самихприборов. В современных электроприводах переменного тока, например, где частотапереключений составляет десятки (от пяти до пятидесяти килогерц), динамическиепотери могут в два-три раза превысить потери квазистатические. Таким образом,при анализе энергетических характеристик необходимо учитывать динамическиепотери в силовом преобразователе.
4. Включение полупроводникового преобразователя между источникомпитания и двигателем обуславливает влияние преобразователя на источник. Еслиисточником питания является сеть переменного тока, то это влияние проявляется вискажении формы потребляемого тока, то есть в появлении гармоник в потребляемомтоке. Эти гармоники существенно влияют на питающую сеть, приводя ко многимнежелательным последствиям. Поэтому при анализе энергетических характеристикэлектропривода необходимо исследование гармонического состава потребляемоготока.
Четыре перечисленные особенности, влияющие на энергетическиехарактеристики электропривода, необходимо учитывать при анализе ипроектировании.
Динамические характеристики
В качестве динамических характеристик обычно рассматриваютсязависимости изменения скорости от времени на выходе ЭП при скачкообразномизменении входного задающего сигнала (характеристики по управлению) и прискачкообразном изменении момента нагрузки (характеристика по возмущению). Нарис. 1.8 в качестве примера показана динамическая характеристика ЭП поуправлению. В качестве параметра в динамических режимах рассматриваетсяэлектромеханическая постоянная времени – это время, в течение которого ЭПразгоняется от неподвижного состояния до скорости идеального холостого хода поддействием неизменного момента, равного моменту короткого замыкания (пусковогомомента). В этом случае, интегрируя основное уравнение движения, получим:
/>/>/>
В динамическом режиме качество электропривода характеризуетсяследующими параметрами (см. рис. 1.8):
· временемпервого согласования t-1;
· перерегулированием/>;
· временемпереходного процесса tp.
/>
Рисунок 1.8. Параметры переходного процесса в электроприводе
2. Силовые полупроводниковые преобразователи
2.1 Транзисторные преобразователи
Общие замечания
Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного ипеременного тока должны характеризоваться следующими основными свойствами:
· двустороннейпроводимостью энергии между источником питания и исполнительным двигателем,являющимся нагрузкой преобразователя, для обеспечения его работы во всехквадрантах механической характеристики;
· малыми не зависящим от тока выходным сопротивлением для получения механическиххарактеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для полученияхороших статических и динамических характеристик электропривода в целом;
· жесткойвнешней характеристикой и малой инерционностью, высоким КПД, достаточнойперегрузочной способностью для обеспечения необходимых форсировок в переходныхрежимах работы привода;
· высокойпомехозащищённостью и надежностью; малой массой и габаритами; отсутствиемвлияния на сеть.
Основным назначением полупроводникового преобразователя являетсярегулирование скорости исполнительного двигателя электропривода. Вэлектроприводах постоянного тока это достигается регулированием напряжения навыходе преобразователя. В приводах переменного тока необходимо регулироватьнапряжение и частоту на выходе преобразователя по определенному закону.
Перечисленным основным требованиям в наибольшей степениудовлетворяют транзисторные преобразователи, работающие в режиме переключения ипитающиеся от источника постоянного напряжения. Такие преобразователи вэлектроприводах постоянного тока получили название широтно-импульсных (ШИП).
Принципы построения силовых транзисторных ключей
Силовой транзисторный ключ (СТК), является тем элементомпреобразователя, который управляет процессами преобразования энергии. Спецификапротекания этих процессов требует более детального рассмотрения принциповработы СТК и его элементной базы для обеспечения надёжности электропривода вцелом. Рассмотрим классическую схему одного плеча преобразователя. На рис. 2.1представлена схема такого плеча и показаны электромагнитные процессы,протекающие в нем при включении и выключении транзистора. Классическая теориядинамических процессов выделяет четыре коммутационных интервала при работеплеча на активно-индуктивную нагрузку, два при включении транзистора и два привыключении. При включении транзистора выделяются этап восстановления диода вфазе высокой обратной проводимости (t1 на рис. 2.1) и этап установлениястационарного состояния силового высоковольтного транзистора (t2 на рис. 2.1). Напервом из отмеченных этапов по цепи «транзистор-диод» протекает значительныйток, который может превысить номинальный в несколько раз. При этом напряжениена транзисторе остается равным напряжению питания. Этот этап является наиболееопасным для транзистора. На втором этапе ток уменьшается до номинального приодновременном уменьшении напряжения на транзисторе. При выключении транзисторавыделяются этап рассасывания неосновных носителей заряда в коллекторе силовоговысоковольтного транзистора (t3 на рис. 2.1) и этап спада тока коллектора силовоготранзистора и включения диода (t4 на рис. 2.1). На всех отмеченных интервалах коммутациив транзисторе и диоде выделяется значительная мощность. Эту мощность, котораяопределяет динамические потери в преобразователе, необходимо уметь определятьдля того, чтобы иметь возможность уверенно судить о надежности работыпоследнего.
Подтверждение вышесказанному представлено на рис. 2.2, где напримере показаны потери в транзисторе трехфазного инвертора с ШИМ при включениии выключении. В качестве транзисторов инвертора были использованы IGBT транзисторы типа HGTG24N60D1D, напряжение питанияинвертора U=600V, выходная мощностьинвертора равнялась 50 кВт.
/>
Рисунок 2.1. Динамические процессы переключения СТК
/>
Рисунок 2.2. Динамические потери в транзисторе СТК
Кроме необходимости расчета мощности динамических потерь имеетсяеще ряд факторов, которые необходимо принимать во внимание при проектированиипреобразователя.
Технология изготовления силовых транзисторов до сих пор требуетприменения специальных мер для обеспечения надёжной работы СТК. При этом обычноприходится решать задачи, связанные как с уменьшением статических идинамических потерь в СТК, так и обеспечением области безопасной работы (ОБР)силового транзистора.
При построении высоковольтных СТК основным требованием являетсяобеспечение траектории переключения силового транзистора в области безопаснойработы. Известно, что основной причиной выхода из строя транзистора являетсявторичный пробой (ВП), возникающий при включении и выключении СТК.
Типовая ОБР силового транзистора (СТ), построенная влогарифмическом масштабе, изображена на рис. 2.3. Эта ОБР имеет четыреграницы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ.
/>
Рисунок 2.3. Область безопасной работы силового транзистора
Граница 1 соответствует максимальному току коллектора в режименасыщения. Пробой транзистора на границах 1 и 2 соответствует электрическимрежимам, при которых температура структуры транзистора достигает предельнодопустимого значения.
Граница 3 ОБР соответствует наступлению в приборе вторичногопробоя (ВП). Под ВП подразумевается локальный саморазогрев структуры,приводящий к проплавлению перехода транзистора.
Области локального саморазогрева получили название «горячихпятен».
При ВП однородное распределение тока через транзистор сменяетсянеоднородным. При этом возникает положительная обратная связь, при которойувеличение локальной плотности тока вызывает увеличение температуры в этойобласти, которая в свою очередь вызывает ещё большее увеличение плотности тока ит.д. На рис. 2.4 в качестве примера приведены области безопасной работыреальных транзисторов фирм Fuji и Toshiba.
/>
Рисунок 2.4. Реальные ОБР транзисторов
Для надёжной защиты СТК при переключении в процессе работынеобходимо либо как-то определять предпробойное состояние силового транзистораи принимать меры к его защите, либо заведомо управлять транзистором так, чтобыон не выходил из ОБР.
Конечно, более предпочтителен первый способ обеспечения надёжностиСТК, но здесь возникают две сложности. Во-первых, ВП развивается достаточнобыстро и защита должна быть достаточно быстродействующей. Во-вторых, довольносложно зарегистрировать предпробойное состояние транзистора и принятьсвоевременные меры к его предотвращению. Этот способ возможно реализовать лишьдля процесса включения СТК, основываясь на деформации входных вольт-амперныххарактеристик.
С точки зрения простоты схемной реализации наиболее удобнымоказывается критерий, позволяющий определить границу ОБР по резкому возрастаниютока коллектора. В этом случае СТК включается на 1–2 мкс, по истечении которыхопределяется ток через силовой транзистор. Если этот ток превышает критическоезначение, то поступает команда на выключение силового транзистора, если нет – силовойтранзистор остаётся включённым.
Время развития ВП при изотермическом процессе шнурования тока (впроцессе выключения) составляет несколько десятков наносекунд, поэтомупрактически отсутствует схемная возможность выявить предпробойное состояние ипринять меры к его предотвращению.
Для обеспечения надёжной работы силового транзистора при запираниив настоящее время используются в основном три разомкнутых способа управления.
Первый сводится к автоматической регулировке управляющего тока собеспечением заданной начальной форсировки и последующим отслеживанием малойглубины насыщения выходного транзистора
Этот способ наиболее просто реализуется цепью нелинейной диоднойобратной связи, охватывающей управляющий транзистор (рис. 2.5 а).
/>
Рисунок 2.5. Схемы защиты силового транзистора
Второй способ, обеспечивающий форсированное выключение силовоготранзистора, эффективно реализуется в каскадной схеме соединенийвысоковольтного и низковольтного транзисторов (рис. 2.5 б)
При этом низковольтный транзистор включен в цепь эмиттеравысоковольтного транзистора.
На рис. 2.6 приведена схема, в которой реализуются обарассмотренных способа. Эту схему можно считать самой надёжной с точки зренияобеспечения ОБР, однако, лишний транзистор в силовой цепи, особенно при большихтоках, делает её малопривлекательной для проектировщиков.
/>
Рисунок 2.6. Универсальная схема защиты силового транзистора
Наконец, третий способ обеспечения надёжной защиты СТК призапирании сводится к использованию цепей формирования траектории выключения.
Примеры выполнения цепей формирования траектории (снаберов) длясиловой транзисторной стойки приведены на рис. 2.7. Здесь же приведенытраектории переключения силовых транзисторов.
/>
Рисунок 2.7. Демпфирующие цепи СТК
Простая RC-цепочка (рис. 2.7 а) обычно не устраиваетпроектировщиков, т. к. допускает значительное превышение напряжения наколлекторе транзистора в процессе запирания.
Типовым решением является схема, приведённая на рис. 2.7 б.
Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК вначальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим разрядноесопротивление.
Ограничение коллекторного напряжения при запирании обеспечиваетсяза счёт выбора достаточно большой ёмкости демпфирующего конденсатора.
Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзисторадо полного напряжения источника питания, а при следующем включении СТКполностью разряжается через разрядное сопротивление. Последнее обстоятельствообуславливает достаточно большие потери в демпфирующих цепях. Избежать ихможно, применив схему (рис. 2.7в), где конденсатор всегда находится поднапряжением питания и стабилизирует напряжение на коллекторе, срезаякоммутационный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но неисключает полностью возможность возникновения ВП.
Наиболее эффективной является демпфирующая цепочка по схеме рис. 2.7г. Здесь емкость С1 выбирается достаточно малой, т. к. она формируетфронт выключения СТК, а емкость С2 выбирается достаточно большой. В результатеограничиваются одновременно пик коллекторного напряжения, потери в СТК и потерив демпфирующих цепях.
Выбор демпфирующей цепочки зависит от условий работ СТК.
Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо определённоевремя, в течение которого конденсатор разряжается через СТК, подготавливаяусловия для последующего его выключения. Отмеченное требование часто не удаётсяреализовать при ШИМ СТК, а именно такая модуляция используется при управлениитранзисторным силовым преобразователем в системах электропривода. Поэтомуприменение демпфирующих цепей может оказаться нерезультативным и следуетобратиться к рассмотренным выше способам управления СТК.
Некоторые модификации демпфирующих цепей СТК представлены на рис. 2.8.
/>
Рисунок 2.8. Схемы формирования траектории СТК
На рис. 2.8а разрядный ток демпфирующего конденсатора С1используется для начальной форсировки тока базы СТК VT2. Это позволит уменьшитьвремя включения СТ и потери при включении.
В схеме рис. 2.8б реализуется форсированное включение СТК засчёт разряда конденсатора по цепи C1-R1-VT1-VT2 и поддержание малой глубины насыщения СТ VT2 за счёт цепи VD1, VT1.
2.2 Транзисторные преобразователи для управления двигателямипостоянного тока
Принципы построения и управления
Как уже отмечалось, в этом случае используется широтно-импульсныйпреобразователь. Упрощённая принципиальная схема ШИП представлена на рис. 2.9.Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1-ТК4. В диагональ моста,образованного транзисторными ключами, включена нагрузка. Нагрузкой в приводахпостоянного тока является двигатель постоянного тока. В электроприводахдвигатель постоянного тока управляется, как правило, по цепи якоря, посколькутолько при таком управлении могут быть получены требуемые качественныепоказатели привода. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока,шунтированного конденсатором.
Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря – симметричный.При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся всечетыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собойзнакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. ВШИП с симметричным управлением среднее напряжение Uh на выходе ШИП равнонулю, когда относительная продолжительность включения у0= 0,5.Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис. 2.9.Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводахпостоянного тока.
/>
Рисунок 2.9. Транзисторный ШИП
Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зонынечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатком ШИП с симметричнымуправлением является двухполярное напряжение на нагрузке и, в связи с этим,повышенные пульсации тока в якоре исполнительного двигателя.
Стремление исключить этот недостаток привело к разработкеспособов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим изних является несимметричный.
/>
Рисунок 2.10. Способы управления СТК ШИП
Несимметричное управление представлено на рис. 2.10а. В этомслучае переключаются транзисторные ключи фазной группы ТКЗ и ТК4 (ключи ТК1 иТК2 при противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ ТК1постоянно открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Транзисторные ключиТКЗ и ТК4 переключаются в противофазе, обеспечивая протекание тока якоря отпротиво-эдс двигателя. При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсыи среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительнаяпродолжительность включения одного из нижних по схеме рис. 2.9транзисторов Уо = 0.
Недостатком рассмотренного способа управления является то, чтоверхние по схеме транзисторные ключи (ТК1, ТКЗ) по току загружены больше, чемнижние. Этот недостаток устранён при поочерёдном управлении, временныедиаграммы которого изображены на рис. 2.10б.
Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключениянаходятся все четыре транзисторных ключа моста, при этом частота переключениякаждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Управляющиенапряжения транзисторных ключей одной фазы моста ТК1, ТК2 и ТКЗ, ТК4 постояннонаходятся в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходногонапряжения Т. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковыхприборов в мостовой схеме.
При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы ul, u4 длительностью t = (1+у) Т подаются надиагонально расположенные транзисторные ключи (рис. 2.10) со сдвигом наполпериода, а управляющие импульсы u2, u3 длительностью t = (l-y) T, также со сдвигом на полпериода, подаются на транзисторыпротивоположной диагонали (ТК2, ТКЗ). В этом случае на интервале нагрузкаподключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а наинтервале (1-у) Т нагрузка закорочена с помощью верхних или нижнихтранзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управлениядиагональными ключами изменяется на противоположный. При поочерёдном управлениина нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью T, пропорциональнойсигналу на входе.
Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИПизображена на рис. 2.11. Она содержит генератор (Г), генераторпилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС), распределитель импульсов(РИ) и усилители (У). Как правило, между усилителями сигнала управления ираспределителем включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы).Диаграммы на рис. 2.11 поясняют принцип работы схемы управления ШИП.
/>
Рисунок 2.11. Функциональная схема управления ШИП
3. Математическое описание, передаточные функции и структурныесхемы двигателей постоянного тока
3.1 Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением
На рис. 3.1 схематически показан двигатель постоянного тока снезависимым возбуждением. Уравнения, которыми описываются электромагнитные иэлектромеханические процессы в этом двигателе, имеют вид:
/>(3.1)
/>
Рисунок 3.1
Приведем уравнения (3.1) к безразмерному виду, приняв в качествебазовых единиц номинальные значения переменных двигателя:
/>
/>/> (3.2)
Где
/>
– относительные переменные состояния двигателя,
/>/> – параметры двигателя.
Уравнения (4.2) могут быть представлены в операторной форме:
/>(3.3)
которым соответствует модель, представленная на рис. 3.2а.
/>
Рисунок 3.2а. Модель ДПТ с независимым возбуждением
/>
Рисунок 3.2б. Результаты моделирования ДПТ с независимымвозбуждением
Модель имеет два входа управления: (Uя) – управление по цепиякоря, (С/в) – управление по цепи возбуждения и один вход по возмущению (Мн)– возмущение по моменту нагрузки. Блок (TransferFcn) моделирует цепьвозбуждения (постоянная времени цепи Тв = 0,5 с). Блок (TransferFcnl) моделирует цепь якоря(постоянная времени Т = 0,02 с). Блоки (Product, Product1) реализуют умножение всоответствии с уравнением 2 и 3 системы (3.3). Блоки (Sum1, Gain, Integrator) реализуют третьеуравнение системы (3.3). На рис. 3.2 бпредставлены результатымоделирования двигателя, управляемого по цепи якоря. Управление по цепивозбуждения подается намного раньше для того, чтобы к моменту подачиуправляющего и возмущающего воздействия поток в машине уже установился. Какследует из рис. 3.2б, все время моделирования принято равным 10 с, сигналпо управлению подается спустя 2 с с начала моделирования, а возмущение – спустя5 с с начала моделирования. На рис. 3.2 бпредставлен переходной процесс помоменту и по скорости.
В двигателе с независимым возбуждением поток можно считатьпостоянным. В этом случае модель двигателя упрощается, такая модельпредставлена на рис. 3.3. В дальнейшем эта модель будет использована длясинтеза электропривода при управлении по цепи якоря.
/>
Рисунок 3.3. Модель ДПТ при постоянном токе возбуждения
В приводах постоянного тока с двигателем с независимымвозбуждением иногда используется так называемое двухзонное регулирование. Вэтом случае двигатель управляется и по цепи якоря, и по цепи возбуждения.Обычно эти управления разнесены. По цепи якоря при постоянном потокевозбуждения управление осуществляется при значительных моментах на валу, ауправление по цепи возбуждения – при малых моментах.
Моделирование работы двигателя в установившемся режиме и получениемеханической характеристики показано на рис. 3.4а, б при напряжениина якоре (uя = 0,8). В этой модели момент нагрузки формируется какинтеграл от постоянного сигнала (блоки Step 1, Gain с к = 0,005 и Integratorl рис. 3.4а). Длявизуализации механической характеристики использован блок XYGraph. Результатымоделирования показаны на рис. 3.4б. На оси абсцисс отложен момент,а на оси ординат – скорость.
/>
Рисунок 3.4а. Модель для получения механических характеристик
/>
Рисунок 3.4б. Результаты моделирования
3.2 Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением
В двигателе постоянного тока с параллельным возбуждением обмоткавозбуждения включена параллельно якорю (рис. 3.5) В этом случае/>, и из (3.3) имеем:
/> (3.4)
/>
Рисунок 3.5
Модель двигателя, построенная по этим уравнениям показана на рис. 3.6а.Результаты моделирования, приведенные на рис. 3.6б, показывают,что переходной процесс в таком двигателе по управлению несколько затянут посравнению с двигателем с независимым возбуждением.
/>
Рисунок 3.6а. Модель ДПТ с параллельным возбуждением
/>
Рисунок 3.6б. Результаты моделирования
Исследование механических характеристик двигателя с параллельнымвозбуждением проводилось на модели, показанной на рис. 3.7а. Механическаяхарактеристика показана на рис. 3.7б.
/>
Рисунок 3.7а. Модель для получения механических характеристик
/>
Рисунок 3.7б. Результаты моделирования
Результаты моделирования показывают, что двигатель развиваетменьший пусковой момент и имеет большую скорость холостого хода по сравнению сдвигателем с независимым возбуждением.
3.3 Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением
На рис. 3.8 схематически показан двигатель постоянного тока споследовательным возбуждением. Уравнения, описывающие работу двигателя, имеютвид:
/> (3.5)
/>
Рисунок 3.8
Введением базовых значений переменных
/>
Уравнения (3.5) приводятся к безразмерному виду:
/>(3.6)
Где: /> – параметрыдвигателя.
Представим уравнения (3.6) в операторном виде:
/> (3.7)
Модель двигателя, построенная по системе уравнений (3.7)представлена на рис. 3.9 апри скачке управления в момент 0,5 с и скачкевозмущения в момент 5 с. Переходные процессы, показанные на рис. 3.9б,свидетельствуют о том, что при пуске моментдвигателя с последовательнымвозбуждением значительно превышает момент двигателя с независимым возбуждениеми двигателя с параллельным возбуждением. Это достоинство двигателя широкоиспользуется в тяговых (подъемно-транспортных) электроприводах. Однако вдвигателе с последовательным возбуждением при приложении нагрузки наблюдаетсязначительный провал скорости.
/>
Рисунок 3.9а. Модель ДПТ с последовательным возбуждением
/>
Рисунок 3.9б. Результаты моделирования
Для исследования механической характеристики построена модель(рис. 3.10а) аналогично ранее описанным вариантам ДПТ, Результатымоделирования приведены на рис. 3.10а. Механическая характеристикадвигателя является существенно нелинейной. При малых моментах она является очень«мягкой», а при больших моментах достаточно «жесткой».
/>
Рисунок 3.10а. Модель для получения механических характеристик
/>
Рисунок 3.10б. Результаты моделирования
3.4 Электромагнитные процессы в системе ШИП-ДПТ
Основным вариантом реверсивного ШИП с выходом на постоянном токеявляется мостовая схема (рис. 2.9), выполненная на четырёх транзисторныхключах ТК1-ТК4, шунтированных диодами. Каждый транзисторный ключ кроме выходныхтранзисторов содержит предвыходной каскад, блок защиты и управления. Все этиустройства не загружаются силовым током, протекающим через нагрузку. Вдальнейшем рассматривается методика расчёта токов, протекающих только черезвыходные транзисторы и включённые встречно-параллельно им диоды.
Электромагнитные процессы в нагрузке (якоре двигателя постоянноготока) при двухполярном выходном напряжении (симметричном управлениитранзисторными ключами ШИП) изображены на рис. 3.11а, а при однополярномвыходном напряжении (несимметричном и поочередном управлении) – на рис. 3.11б.
/>
Рисунок 3.11. ЭлектромагнитныепроцессывсистемеШИП–ДПТ
В квазиустановившемся режиме электромагнитные процессы в нагрузкеописываются следующими дифференциальными уравнениями в относительных величинах:
/>(3.8)
где А = 1 при двухполярном выходном напряжении, А = 0 – приоднополярным,
/>.
Среднее напряжение на выходе ШИП определяется из уравнений:
/>– при двухполярном напряжении,
(3.9)
/>– при однополярном напряжении.
Из рис. 3.11 видно, что ток в якоре содержит среднюю(гладкую) составляющую IЯср и пульсирующую составляющую/>. Гладкая составляющая токаобусловлена средним значением напряжения на якоре и установившейся скоростьювращения:
/>–при двухполярном напряжениина выходе ШИП
(3.10)
/>– при однополярном напряжении.
Уравнения (3.10) одновременно описывают и механическиехарактеристики исполнительной машины, т. к. момент на валу определяетсялишь гладкой составляющей тока, эти характеристики показаны на рис. 3.12,где в скобках указаны значения у для двухполярной модуляции.
Как следует из (3.10) механические характеристики системы ШИП – двигательпостоянного тока представляют собой семейство прямых с постоянным углом наклонак оси абсцисс (рис. 3.12), пересекающих ось ординат при /> (при несимметричном ипоочередном управлении) или при/>(присимметричном управлении).
/>
Рисунок 3.12. Механические характеристики системы ШИП–ДПТ
Таким образом, механические характеристики системы ШИП – двигательпостоянного тока аналогичны механическим характеристикам системы генератор – двигатель.Импульсное управление двигателем от ШИП практически не искажает естественныхмеханических характеристик двигателя.
Величина пульсирующей составляющей находится из решения системыуравнений (3.8); ее обобщенное выражение имеет вид:
/> (3.11)
Средние и эффективные токи в якоре машины, в силовых транзисторахи диодах и в источнике питания могут быть определены по упрощенным выражениям,если принять, что мгновенный ток якоря изменяется по закону:
/> (3.12)
В этом случае выражения для определения относительных токов вовсех отмеченных ветвях представлены в табл. 3.1.
вал двигатель электропривод преобразователь
Таблица 3.1
/>
В качестве примера на рис. 3.13 а, б приведены зависимостиотносительных токов в силовых транзисторах и диодах для двухполярной модуляции,рассчитанные по выражениям табл. 3.1.
/>
Рисунок 3.13а. Средние и эффективные токи в силовых транзисторах
/>
Рисунок 3.13б. Средние и эффективные токи в силовых диодах
Целью расчета и проектирования транзисторного ШИП является выборспособа управления, типа транзисторов и диодов, определение токов и мощностирассеяния и оптимальной частоты коммутации в ШИП.
При выборе способа управления необходимо исходить из требований,предъявляемых к регулировочным и энергетическим характеристикам электропривода.Симметричное управление ШИП позволяет получить линейные регулировочныехарактеристики двигателя. Однако энергетические характеристики ШИП при этомспособе управления ухудшены вследствие повышенных пульсаций тока в якоре и вполупроводниковых приборах.
При несимметричном и поочерёдном управлении ШИП в регулировочнойхарактеристике электропривода имеет место зона нечувствительности. Схемныеспособы уменьшения этой зоны ухудшают устойчивость электропривода.
Энергетические характеристики ШИП с несимметричным и поочерёднымуправлением лучше, чем у ШИП с симметричным управлением, так как пульсации токаздесь в два раза меньше.
В паспортных данных силовых транзисторов и диодов обычноприводится допустимая рассеиваемая мощность, как с радиатором, так и без него.Поэтому определение мощности, рассеиваемой транзистором и диодом, можетрассматриваться как конечный результат расчета.
Заключение
Результаты моделирования показывают, что переходной процесс поуправлению в двигателе cпараллельным способом возбуждения несколько затянут посравнению с двигателем с независимым возбуждением. Так же двигатель развиваетменьший пусковой момент и имеет большую скорость холостого хода по сравнению сдвигателем с независимым возбуждением.
При пуске момент двигателя с последовательным возбуждениемзначительно превышает момент двигателя с независимым возбуждением и двигателя спараллельным возбуждением. Это достоинство двигателя широко используется втяговых (подъемно-транспортных) электроприводах. Однако в двигателе споследовательным возбуждением при приложении нагрузки наблюдается значительныйпровал скорости.
Сравнивая процессы в системах с ШИП с аналогичными процессами длянепрерывных систем, можно сделать вывод о достаточно близком совпадении. Однако здесь, ШИП вноситсвою специфику. Эта специфика проявляется в пульсации момента и в несколькоизмененных динамических свойствах системы.