Исследование динамических характеристик электроприводов постоянного тока при различных способах возбуждения (стр. 4 из 6)

Подтверждение вышесказанному представлено на рис. 2.2, где на примере показаны потери в транзисторе трехфазного инвертора с ШИМ при включении и выключении. В качестве транзисторов инвертора были использованы IGBT транзисторы типа HGTG24N60D1D, напряжение питания инвертора U=600 V, выходная мощность инвертора равнялась 50 кВт.

Рисунок 2.1. Динамические процессы переключения СТК

Рисунок 2.2. Динамические потери в транзисторе СТК

Кроме необходимости расчета мощности динамических потерь имеется еще ряд факторов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании преобразователя.

Технология изготовления силовых транзисторов до сих пор требует применения специальных мер для обеспечения надёжной работы СТК. При этом обычно приходится решать задачи, связанные как с уменьшением статических и динамических потерь в СТК, так и обеспечением области безопасной работы (ОБР) силового транзистора.

При построении высоковольтных СТК основным требованием является обеспечение траектории переключения силового транзистора в области безопасной работы. Известно, что основной причиной выхода из строя транзистора является вторичный пробой (ВП), возникающий при включении и выключении СТК.

Типовая ОБР силового транзистора (СТ), построенная в логарифмическом масштабе, изображена на рис. 2.3. Эта ОБР имеет четыре границы, каждая из которых соответствует предельным параметрам СТ.

Рисунок 2.3. Область безопасной работы силового транзистора

Граница 1 соответствует максимальному току коллектора в режиме насыщения. Пробой транзистора на границах 1 и 2 соответствует электрическим режимам, при которых температура структуры транзистора достигает предельно допустимого значения.

Граница 3 ОБР соответствует наступлению в приборе вторичного пробоя (ВП). Под ВП подразумевается локальный саморазогрев структуры, приводящий к проплавлению перехода транзистора.

Области локального саморазогрева получили название «горячих пятен».

При ВП однородное распределение тока через транзистор сменяется неоднородным. При этом возникает положительная обратная связь, при которой увеличение локальной плотности тока вызывает увеличение температуры в этой области, которая в свою очередь вызывает ещё большее увеличение плотности тока и т.д. На рис. 2.4 в качестве примера приведены области безопасной работы реальных транзисторов фирм Fuji и Toshiba.

Рисунок 2.4. Реальные ОБР транзисторов

Для надёжной защиты СТК при переключении в процессе работы необходимо либо как-то определять предпробойное состояние силового транзистора и принимать меры к его защите, либо заведомо управлять транзистором так, чтобы он не выходил из ОБР.

Конечно, более предпочтителен первый способ обеспечения надёжности СТК, но здесь возникают две сложности. Во-первых, ВП развивается достаточно быстро и защита должна быть достаточно быстродействующей. Во-вторых, довольно сложно зарегистрировать предпробойное состояние транзистора и принять своевременные меры к его предотвращению. Этот способ возможно реализовать лишь для процесса включения СТК, основываясь на деформации входных вольт-амперных характеристик.

С точки зрения простоты схемной реализации наиболее удобным оказывается критерий, позволяющий определить границу ОБР по резкому возрастанию тока коллектора. В этом случае СТК включается на 1–2 мкс, по истечении которых определяется ток через силовой транзистор. Если этот ток превышает критическое значение, то поступает команда на выключение силового транзистора, если нет – силовой транзистор остаётся включённым.

Время развития ВП при изотермическом процессе шнурования тока (в процессе выключения) составляет несколько десятков наносекунд, поэтому практически отсутствует схемная возможность выявить предпробойное состояние и принять меры к его предотвращению.

Для обеспечения надёжной работы силового транзистора при запирании в настоящее время используются в основном три разомкнутых способа управления.

Первый сводится к автоматической регулировке управляющего тока с обеспечением заданной начальной форсировки и последующим отслеживанием малой глубины насыщения выходного транзистора

Этот способ наиболее просто реализуется цепью нелинейной диодной обратной связи, охватывающей управляющий транзистор (рис. 2.5 а).

Рисунок 2.5. Схемы защиты силового транзистора

Второй способ, обеспечивающий форсированное выключение силового транзистора, эффективно реализуется в каскадной схеме соединений высоковольтного и низковольтного транзисторов (рис. 2.5 б)

При этом низковольтный транзистор включен в цепь эмиттера высоковольтного транзистора.

На рис. 2.6 приведена схема, в которой реализуются оба рассмотренных способа. Эту схему можно считать самой надёжной с точки зрения обеспечения ОБР, однако, лишний транзистор в силовой цепи, особенно при больших токах, делает её малопривлекательной для проектировщиков.

Рисунок 2.6. Универсальная схема защиты силового транзистора

Наконец, третий способ обеспечения надёжной защиты СТК при запирании сводится к использованию цепей формирования траектории выключения.

Примеры выполнения цепей формирования траектории (снаберов) для силовой транзисторной стойки приведены на рис. 2.7. Здесь же приведены траектории переключения силовых транзисторов.

Рисунок 2.7. Демпфирующие цепи СТК

Простая RC-цепочка (рис. 2.7 а) обычно не устраивает проектировщиков, т. к. допускает значительное превышение напряжения на коллекторе транзистора в процессе запирания.

Типовым решением является схема, приведённая на рис. 2.7 б.

Здесь эффективное ограничение коллекторного напряжения СТК в начальный период запирания обеспечивается диодом, шунтирующим разрядное сопротивление.

Ограничение коллекторного напряжения при запирании обеспечивается за счёт выбора достаточно большой ёмкости демпфирующего конденсатора.

Этот конденсатор заряжается после запирания силового транзистора до полного напряжения источника питания, а при следующем включении СТК полностью разряжается через разрядное сопротивление. Последнее обстоятельство обуславливает достаточно большие потери в демпфирующих цепях. Избежать их можно, применив схему (рис. 2.7в), где конденсатор всегда находится под напряжением питания и стабилизирует напряжение на коллекторе, срезая коммутационный выброс при выключении СТК. Это повышает надежность, но не исключает полностью возможность возникновения ВП.

Наиболее эффективной является демпфирующая цепочка по схеме рис. 2.7 г. Здесь емкость С1 выбирается достаточно малой, т. к. она формирует фронт выключения СТК, а емкость С2 выбирается достаточно большой. В результате ограничиваются одновременно пик коллекторного напряжения, потери в СТК и потери в демпфирующих цепях.

Выбор демпфирующей цепочки зависит от условий работ СТК.

Для эффективной работы демпфирующих цепей необходимо определённое время, в течение которого конденсатор разряжается через СТК, подготавливая условия для последующего его выключения. Отмеченное требование часто не удаётся реализовать при ШИМ СТК, а именно такая модуляция используется при управлении транзисторным силовым преобразователем в системах электропривода. Поэтому применение демпфирующих цепей может оказаться нерезультативным и следует обратиться 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 С1 используется для начальной форсировки тока базы СТК VT2. Это позволит уменьшить время включения СТ и потери при включении.

В схеме рис. 2.8б реализуется форсированное включение СТК за счёт 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 двигателями постоянного тока

Принципы построения и управления

Как уже отмечалось, в этом случае используется широтно-импульсный преобразователь. 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 приводах постоянного тока является двигатель постоянного тока. В электроприводах двигатель постоянного тока управляется, как правило, по цепи якоря, поскольку только при таком управлении могут быть получены требуемые качественные показатели привода. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.