Выбор силовых полупроводниковых приборов

В станкостроении приме­няют электроприводы с управляемыми тиристорными выпрями­телями или транзисторными широтно-импульсными преобразо­вателями.

2.2.1. Тиристорные управляемые выпрямители

В тиристорных преобразователях регулирование выпрямленного напряжения происходит путем изменения фазового угла α управляющего им­пульса, который открывает тиристор и тем самым изменяет дли­тельность его работы в оставшуюся часть полупериода.

При работе ТП напряжение на его зажимах меньше, чем среднее значение выпрямленной ЭДС. Это снижение объясняется падением напряжения на самом преобразователе, падением напряжения на активном сопро­тивлении схемы и падением напряжения , связанным с процессом коммутации тиристоров. Среднее выпрямленное напряжение на выходе ТП

,

где – среднее значение выпрямленной ЭДС при фазовом угле α = 0, = = ( 0,5… 2) В – падение напряжения на тиристорах.

В реальных тиристорных преобразователях процесс коммута­ции протекает не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. В результате в работе преобразователя существует период, когда ток пропускают два вентиля. Фазовый угол γ, соответствующий этому периоду, назы­вают углом коммутации

Для питания реверсивных приводов постоянного тока используются реверсивные тиристорные преобразователи. Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняют по встречно-параллельной схеме. При этом используют совместное и раздельное управление.

При совместном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на оба комплекта тиристоров. При этом один из них работает в выпрямительном, а другой в инверторном режиме. Углы управления α₁и α₂ тиристорных комплектов связаны соот­ношением α₁ + α₂ = π.

Особенностью совместного управления является уравнитель­ный ток, который протекает по замкнутому внутреннему контуру, составленному из встречно включенных комплектов. Для ограничения мгновенных значений уравнительного тока в цепь преобразователей включают дополнительные реакторы.

При раздельном управлении комплекты тиристоров работают поочередно. В I и IV квадранте используется один комплект, во II и III — другой. Во время работы одного комплекта другой комплект закрыт, что исключает появление уравнительного тока и делает ненужными уравнительные реакторы. Это упрощает преобразователь, но усложняет систему управления, в которую должен быть включен логический блок, в функции которого входит выбор ком­плектов тиристоров в зависимости от знака управляющего напря­жения и взаимная блокировка комплектов.

С силовым тиристорным преобразователем связана система импульсно-фазового управления (СИФУ), предназначенная для преобразования непрерывного сигнала в импульс­ный сигнал управления. Поскольку угол управления αотсчитывается от момента естественного открывания тиристора, работа СИФУ должна быть согласована с напряжением питания ТП.

Динамические свойства тиристорного преобразова­теля как элемента системы автоматического управления обусловлены неполной управляемостью тиристоров. Управляющий сигнал, приходящий на управляющий электрод тиристора, не вызывает мгновенного изменения выпрям­ленного напряжения. Предельное время запазды­вания

, (2-25)

где f – частота сети, т– число фаз преобразователя.

Передаточная функция тиристорного преобразо­вателя совместно с СИФУ может быть приближенно представлена в виде [1]

, (2-26)

где τ = T _ТП + T _СУ, T _СУ – постоянная времени СИФУ.

Пренебрегая малой постоянной T _СУ, при f = 50 Гц, т= 6 получаем:

τ = 1/ 300 = 0,0033 с.

Выбор силовых тиристоров преобразователя делается на основе требуемых параметров для питания якорной цепи электродвигателя.

С учетом запаса на регулирование и перегрузки по току принимают:

– номинальное выходное напряжение ТП

, (2-27)

– номинальный ток преобразователя

, (2-28)

где U_ном, I_ном – номинальные значения напряжения и тока якоря ЭД.

2.2.2. Транзисторные импульсные преобразователи

В следящем электроприводе применяют реверсивные широтно-импульсные преобразователи (ШИП), которыевы­полняют по мостовой схеме.

Существует несколько режимов работы реверсивного преобра­зователя.

При симметричном режиме транзисторные ключи в те­чение периода коммутации переключаются попарно. При этом на якоре ЭД возникают разнополярные импульсы напряжения. Среднее напряжение на якоре

равно нулю при относительной длительности импульсов γ = 0,5.

При симметричном управлении в приводе не возникает режим прерыви­стых токов и механические характери­стики линейны при всех нагрузках. Но вместе с тем симметричный режим отличается повышенным уровнем пульсаций тока якоря.

При несимметричном режиме непрерывно коммутируется только одна пара транзисторных ключей, а вторую пару используют при изменении направления вращения. Этот режим обеспечи­вает на якоре однополярные импульсы напряжения.Пульсация тока якоря при несимметричном режиме вдвое меньше, чем при симметричном.

Управление ШИП осуществляется широтно-импульсным моду­лятором (ШИМ). Назначение ШИМ заключается в преобразова­нии непрерывного входного воздействия в прямоугольные им­пульсы с переменной длительностью, пропорциональной управляю­щему напряжению.

В следящей системе импульсный преобразова­тель можно рассматривать как апериодическое звено с передаточной функцией вида (2-26). Малая постоянная времени τ зависит от периода коммутации транзисторов T_к и при учете фильтра на входе ШИМ может быть принята равной 0,001 с.

Выбор силовых транзисторов делается с учетом величины коммутируемого напряжения, тока и требуемого времени переключения. В плечах моста используются составные биполярные транзисторы либо мощные полевые транзисторы. При необходимости коммутации большого тока силовые транзисторы включают параллельно по схеме с выравнивающими резисторами.

Число парал­лельно включенных транзисторов рассчитывают по формуле [3]:

, (2-29)

где I_я.max – максимальный ток якоря электродвигателя в проектируемой системе, I_k.max – максимальный допустимый ток коллектора одного транзистора;

K_осл.= (0,3...0,7) – коэффициент ослаб­ления коллекторного тока.

Частота переключений транзисторов выбирается в пределах 5…20 кГц в зависимости от их времени переключения.