для чего силовые ключи в системе шип шунтируются диодами
Электромагнитные процессы в системе ШИП-ДПТ
Основным вариантом реверсивного ШИП с выходом на постоянном токе является мостовая схема [1], выполненная на четырех транзисторных ключах ТК1-ТК4, шунтированных диодами. Каждый транзисторный ключ кроме выходных транзисторов содержит предвыходной каскад, блок защиты и управления. Все эти устройства не загружаются силовым током, протекающим через нагрузку. В дальнейшем рассматривается методика расчета токов, протекающих только через выходные транзисторы и включенные встречно-паралельно им диоды.
Электромагнитные процессы а нагрузке ( якоре двигателя постоянного тока) при двухполярном выходном напряжении(симметричном управлении транзисторными ключами ШИП) Изображены на рис.2.13.а, а при однополярном выходном напряжении (несимметричном и поочередном управлении) – на рис.2.13.б.
Рис. 2.13. Электромагнитные процессы в системе ШИП – ДПТ.
В квазиустановившемся режиме электромагнитные процессы в нагрузке описываются следующими дифференциальными уравнениями в относительных величинах
при 0
Таким образом, механические характеристики системы ШИП – двигатель постоянного тока аналогичны механическим характеристикам системы генератор – двигатель. Импульсное управление двигателем от ШИП практически не искажает естественных механических характеристик двигателя.
Величина пульсирующей составляющей находится из решения системы уравнений (2.12); ее обобщенное выражение имеет вид:
(2.16)
Средние и эффективные токи в якоре машины, в силовых транзисторах и диодах и в источнике питания могут быть определены по упрощенным выражениям, если прянять, что мгновенный ток якоря изменяется по закону:
(2.17)
при 0
Целью расчета и проектирования транзисторного ШИП является выбор способа управления, типа транзисторов и диодов, определения токов и мощности рассеяния 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 регулировочные характеристики двигателя. Однако энергетические характеристики ШИП при этом способе управления ухудшены вследствие повышенных пульсации тока в якоре и в полупроводниковых приборах.
При несимметричном и поочередном управлении ШИП в регулировочной характеристике электропривода имеет место зона чувствительности. Схемные способы уменьшения этой зоны уменьшают устойчивость электропривода.
Энергетические характеристики ШИП с несимметричным и поочередным управлением лучше, чем у ШИП с симметричным управлениям, так как пульсации тока здесь в два раза меньше.
В паспортных данных силовых транзисторов и диодов обычно приводится допустимая рассеиваемая мощность, как с радиатором, так и без него. Поэтому определение мощности, рассеиваемой транзистором, диодом, может рассматриваться как конечный результат расчета.
Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 53 ; Нарушение авторских прав
Силовые ключи с интегрированной системой защиты
Одной из основных тенденций развития современных силовых ключей, основанной на достижениях монолитной и гибридной технологий, является объединение в едином корпусе прибора функций переключателя, его управления и защиты. Данные приборы, получившие название «разумные» (Smart) или интеллектуальные (Intelligent), позволяют избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты, среди уже достаточно широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:
1. Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых-перегрузок и температурных воздействий.
2. Силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления.
Данные приборы получили название силовых интегральных схем (Power Integrated Circuits) и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания, или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.
3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules.).
Данные схемы строятся на базе IGBT-ключей для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки.
Детальное рассмотрение всех функций и возможностей этих интересных и перспективных приборов может составить отдельную книгу, поэтому остановимся только на основных моментах, относящихся к защитным свойствам «разумных» ключей.
Одним из главных недостатков биполярных транзисторов является необходимость удаления избыточного накопленного заряда при выключении, Это сопровождается увеличением временного параметра, называемого временем рассасывания. При достаточно глубоком насыщении ключа время рассасывания может увеличиваться до единиц, а то и десятков микросекунд.
Это не только ухудшает динамические свойства транзистора, но и может приводить к режимам перегрузки, например, в схемах мостовой конфигурации. Для решения проблемы используют цепи нелинейной обратной связи, что существенно усложняет схемотехнику устройства (как минимум четыре дополнительных диода на ключ), или применяют систему пропорционального токового управления, что дополнительно нагружает систему формирователя импульсов. В серии транзисторов PowerLux-D2 фирмы «ON-Semiconductor» данная проблема решена на интегральном уровне. Если в многоячейковой структуре биполярного транзистора (см. главу 2) диффузию верхнего эмиттерного слоя проводить только в каждой второй ячейке, получится прибор, эквивалентная схема которого показана на рис. 3.46.
Данная схема представляет собой ненасыщенный ключ, в котором при начале положительного смещения в цепи коллекторного перехода открывается регулирующий транзистор, автоматически отводящий избыток базового тока управления.
На базе рассмотренных ранее SENSE-структур силовых транзисторов создаются ключи с защитой от токовой перегрузки.
 а б Рис.3.46 |
Принцип защиты основан на применении дополнительного транзистора, включенного параллельно входной цепи силового ключа и управляемого от SENSE-вывода его структуры. Пример данной токовой защиты показан на рис. 3.47 для мощного МДП-транзистора серии SMARTDISCRETES фирмы «ON-Semiconductor». В режиме токовой перегрузки смещение на резисторе R2, через который течет ток, пропорциональный основному, увеличивается до уровня отпирания защитного транзистора.
При этом происходит закорачивание входной цепи силового ключа. Аналогичный принцип защиты от режима короткого замыкания и развития триггерного эффекта используется в NLU-IGBT-ключах фирмы «Fuji Electric» (NLU-Non Latch Up) (рис. 3.48). В данных приборах в корпус силового ключа встроен дополнительный кристалл защитного МДП-транзистора, пороговое напряжение которого согласовано с допустимым уровнем токовой перегрузки. Применение интегрированной защитной схемы позволяет увеличить длительность пребывания IGBT в режиме короткого замыкания до 25. 30 мкс.
Встроенные системы защиты от перенапряжений основаны на ограничительных свойствах диодов со стабилитронной характеристикой. Данные диоды размещаются в корпусе силового ключа параллельно входной, проходной или выходной цепи (рис. 3.49).
В качестве датчиков температуры кристалла силового ключа используются различные температурочувствительные элементы (Temperature Sensor), сигнал от которых используется для прерывания сигналов управления, при превышении температурой допустимого значения. Применяют как специальные датчики температуры в виде термопары с относительно быстрой постоянной времени (до 250 мс), которые приклеиваются непосредственно к кристаллу силового ключа (рис. 3.50), так и температурочувствительные полупроводниковые элементы, например, диоды в структуре мощных МДП-транзисторов серии TempSENSE фирмы «IR» (рис. 3.51).
В качестве примера силовой интегральной схемы, в которой объединены все приведенные варианты интегрированных систем защиты, на рис. 3.52 представлен МДП-ключ серии PROFET фирмы «Infineon Technologies». Данный прибор имеет также встроенный драйвер, который управляется от информационного сигнала ТТЛ-уровня.
В режиме короткого замыкания МДП-ключ автоматически выключается, если длительность перегрузки превышает 40 мкс. Температурный датчик также обеспечивает выключение драйвера при увеличении перегрева структуры свыше 150°С. Диаграмма, иллюстрирующая работу систем защиты при токовой и температурной перегрузке, представлена на рис. 3.53.
Для защиты от перенапряжения МДП-ключ снабжен стабилитронами, включенными параллельно выходной и проходной цепи основного транзистора. Корпус прибора, кроме того, обеспечивает повышенную стойкость к воздействию зарядов электростатического электричества.
На рис. 3.54 представлен пример еще одного МДП-ключа, выполненного в виде силовой интегральной схемы серии IR6000 фирмы «IR».
Схема содержит встроенный драйвер и системы токовой и температурной защиты и может применяться в устройствах электронного зажигания ламп, а также для управления двигательной нагрузкой на мощность в несколько сотен ватт. Системы защиты МДП-ключа рассчитаны на максимальный выходной ток 7 А и температуру не выше 75°С.
На рис. 3.55 показаны осциллограммы управляющего напряжения транзистора и выходного тока при нормальном пусковом режиме и при режиме с токовой перегрузкой при работе на электронную лампу.
Структурная схема силового интеллектуального модуля IPM представлена на рис. 3.56.
Данная система выполняет следующие защитные функции:
1. Контроль за уровнем напряжения питания преобразователя.
2. Защита от токовой перегрузки.
3. Защита от режима короткого замыкания.
4. Температурная защита.
По сигналу перегрузки от любой из перечисленных систем защиты драйвер прерывает подачу импульсов управления во входную цепь IGBT, При этом на выходе системы индикации режима перегрузки появляется информационный сигнал. В IPM третьего поколения применяется ускоренная система контроля режима токовой перегрузки, которая позволяет обнаружить аварийный процесс в течение интервала менее 100 нс. На рис. 3.57 показаны осциллограммы, иллюстрирующие прерывание тока короткого замыкания при использовании стандартного драйвера с функцией токовой защиты и при работе системы защиты IPM. Ускоренный режим обнаружения и отключения токовой перегрузки практически не сопровождается выбросами перенапряжений в схеме ключа.
Схема ШИП для управления ДПТ по цепи якоря. Симметричный, несимметричный и поочередный способы управления ШИП.
Нагрузкой является якорь двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, например, неуправляемого выпрямителя.
Наиболее простым способом управления ШИП по цепи якоря является, так называемый, симметричный способ управления.
При этом способе в состоянии одновременного переключения находятся все четыре силовых ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом.
В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение Uя gна выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения 0 = 0.5. Временные диаграммы работы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис 69. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных электроприводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатком ШИП с симметричным управлением является знакопеременное напряжение на нагрузке и в связи с этим повышенные пульсации тока в якоре двигателя.
Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП.
gПри работе в двигательном режиме на выходе ШИП формируются знакопостоянные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения ключа ТК4 0 = 0.
Недостатком рассмотренного способа управления является то, что загрузка ключей рабочим током неодинакова.
Этот недостаток устранен при поочередном управлении, временные диаграммы которого изображены на рис 71а) и 71б).
Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре силовых ключа моста, однако, частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе.
Чем ниже частота переключения силовых ключей, тем ниже дополнительные потери мощности в них, т.е. пониженная частота переключения силовых элементов является достоинством ШИП.
. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.tУправляющее напряжение силовых ключей ТК1, ТК2 и ТК3, ТК4 постоянно находится в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения
При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы Uу1 и Uу4 длительностью t1 подаются на диагонально расположенные ключи со сдвигом на полпериода (t)g= (1+рис 71а), а управляющие импульсы Uу2 и Uу3 длительностью t2 нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних ключей, если работа преобразователя происходит в инверторном режиме.t)g нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1- tg также со сдвигом на полпериода подаются на силовые элементы противоположной диагонали (ТК2, ТК3). В этом случае на интервале t)g= (1-
.tgПри изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный (рис 71б). При поочередном управлении на нагрузке формируются знакопостоянные импульсы длительностью
Для реализации частотного управления электропривода переменного тока наиболее перспективными являются полупроводниковые преобразователи частоты.
Классификация преобразователей частоты на полупроводниковых элементах.
Общим главным достоинством полупроводниковых ПЧ является возможность экономичного регулирования частоты вращения наиболее массового, дешевого и надежного асинхронного электропривода с двигателем, имеющим короткозамкнутый ротор. В ПЧ управлению подлежат две выходные координаты- амплитуда напряжения, или тока нагрузки Um, Im и частота изменения напряжения или тока fn. Соответственно двум выходным координатам ПЧ располагает двумя входными координатами–сигналом управления напряжением, или током Uу.н. (Uу.т.) и сигналом управления частотой Uу.f. (рис 75).
Современные ПЧ можно разделить на два основных класса: двухзвенные ПЧ с автономными инверторами (с промежуточной цепью постоянного тока) и ПЧ с непосредственной связью нагрузки с сетью (непосредственные ПЧ).
5.1.2. Автономный инвертор тока.
один относительно другого.°Автономный инвертор функционально отличается от выпрямителя только направлением преобразования. Электрическая энергия цепи постоянного тока преобразуется в энергию 3-х фазной системы переменного тока. Автономный инвертор функционально не отличается от инвертора, ведомого сетью. Схема включения тиристоров последнего остается той же, что и у управляемого выпрямителя. Точно так же основу 3-х фазного автономного инвертора составляет такая же, как и для выпрямителя мостовая схема с шестью рабочими управляемыми тиристорами. Аналогичной будет и диаграмма очередности включения рабочих тиристоров, в соответствии с которой включающие импульсы поступают на вентильную группу с фазовым сдвигом 60
Главными преимуществами двухзвенных ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока являются:
Основные недостатки ДПЧ с промежуточным звеном постоянного тока:
Анализ истории развития ДПЧ позволяет выделить три характерных этапа.Первый этапхарактеризуется освоением серийного производства и промышленным использованием ДПЧ, выполненных по схеме «управляемый тиристорный выпрямитель–LC фильтр–автономный тиристорный инвертор напряжения с принудительной коммутацией». Такие ДПЧ рассмотрены нами в параграфах 5.1.0–5.1.3.
Основные недостатки преобразователей, освоенных на первом этапе, это несинусоидальность выходного тока и неравномерность вращения двигателя при малых частотах, что ограничивает диапазон регулирования скорости. К недостаткам нужно отнести ограничение быстродействия, связанное с наличием силового фильтра в системе амплитудного регулирования выходного напряжения, несинусоидальность тока, потребляемого из сети и низкий «сетевой» коэффициент мощности. Последнее обусловлено свойствами управляемого выпрямителя (УИ) с естественной коммутацией и фазовым управлением.
Второй этап характеризуется разработкой новых двухзвеньевых полупроводниковых преобразователей частоты, выполненных по схеме: «неуправляемый выпрямитель–LC фильтр–транзисторный автономный инвертор с широтно–импульсной модуляцией выходного напряжения» (рис.82).
Понятие «широтно–импульсная модуляция» отличается от «широтно–импульсного регулирования» тем, что оно включает в себя процесс создания желаемой формы регулируемой переменной (напряжения или тока). Эта форма создается как средняя величина за каждый последующий интервал повторяемости при широтно–импульсном регулировании.
Например, если необходимо получить переменное напряжения синусоидальной формы, оно формируется из последовательности импульсов малой длительности у основания синусоиды и широких импульсов вблизи амплитудного значения синусоиды (рис.83).
Рис.82. Двухзвенный преобразователь частоты с неуправляемым выпрямителем и транзисторным АИН
Рис.83. Диаграмма напряжения к понятию широтно–импульсная модуляция.
В рассматриваемой системе за счет усложнения алгоритма переключения силовых ключей на инвертор возложена функция как регулирования частоты и амплитуды основной гармоники, так и формирование синусоидального выходного напряжения инвертора.
При этом в звене постоянного тока напряжение остается неизменным.
Переход от амплитудно–импульсного к широтно–импульсному способу формирования и регулирования выходного напряжения существенно изменил свойства преобразователей частоты. Во–первых, существенно приблизилась к синусоиде форма выходного тока и соответственно улучшилась равномерность вращения двигателей, расширился диапазон регулирования скорости. Во–вторых, значительно повысилось быстродействие электропривода, т.к. силовой фильтр на выходе нерегулируемого выпрямителя оказался фактически исключенным из каналов регулирования параметров выходного напряжения преобразователя. И, наконец, существенно улучшается коэффициент мощности преобразователя, как потребителя электроэнергии.
Интенсивному развитию преобразователей частоты на этом этапе способствовали значительные успехи в создании новых силовых полупроводниковых приборов, интегрированных схем и других средств микропроцессорного управления.
Тем не менее на данном этапе оказались недостаточно полно проработаны некоторые вопросы энергосбережения и качества энергопотребления. Так выпрямитель не позволяет осуществлять работу электропривода с рекуперацией энергии в сеть, что ограничивает его возможности.
Третий этап характеризуется помимо достоинств ДПЧ второго этапа решением вопросов энергосбережения. Эти вопросы решаются на базе использования в звене постоянного тока выпрямителей на полностью управляемых полупроводниковых приборах. Эти выпрямители получили название активных выпрямителей.
В силовой цепи последовательно включены активный выпрямитель напряжения (АВН), фильтр Ф и автономный инвертор напряжения (АИН). Силовые полупроводниковые переключающиеся элементы выпрямителя и инвертора, обладающие полной управляемостью и двусторонней проводимостью тока, условно показаны в виде ключей. Выпрямитель АВН, выполненный по трехфазной мостовой схеме, преобразует напряжение питающей сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока Ud на конденсаторе фильтра. Трехфазный мостовой АИН работает в режиме широтно–импульсной модуляции (ШИМ) и преобразует это постоянное напряжение в переменное напряжение на выходе АИН с требуемыми значениями частоты и амплитуды основной гармоники. Это обеспечивает благоприятную форму тока двигателя и равномерность его вращения в широком диапазоне скоростей.
Активный выпрямитель выполняется по схеме, полностью идентичной схеме инвертора и по существу представляет собой обращенный АИН, также работающий в режиме ШИМ. Помимо функций преобразования электроэнергии переменного напряжения в постоянное, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжения фильтрового конденсатора Ud в импульсное напряжение на своих зажимах переменного тока А1, В1 и С1. Эти зажимы связаны с питающей сетью посредством буферных реакторов БР. В отличие от регулируемой рабочей (полезной) частоты напряжения, которая создается в точках А, В, С, формируемая частота напряжения на зажимах переменного тока активного выпрямителя напряжения (точки А1, В1, С1) постоянная и равна частоте питающей сети.
Разность мгновенных значений синусоидального напряжения на зажимах А1, В1, С1 воспринимаются буферными реакторами БР, являющимися неотъемлемыми элементами системы. Благодаря использованию режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока (точки А1, В1, С1), имеют благоприятный гармонический состав, в котором основная гармоника и высшие гармоники существенно отличаются по частоте. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети буферными реакторами. Таким образом, решается задача потребления из сети практически синусоидального тока.
Фазовый угол потребляемого тока зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя. Варьируя с помощью системы управления АВН фазовыми параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А1, В1, С1, можно обеспечить потребление из сети необходимого тока с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например, близким к единице, либо «опережающим», либо «отстающим». Поэтому преобразователь частоты с активным выпрямителем в принципе может быть использован в системе электроснабжения как нейтральный элемент, либо как источник, либо как потребитель реактивной мощности.
Как коммутатор тока активный выпрямитель напряжения преобразует потребляемый из сети переменный, близкий к синусоидальному ток, в пульсирующий выходной ток, содержащий постоянную и переменную составляющие.
Переменная составляющая замыкается через буферный конденсатор, который ограничивает пульсации напряжения Ud в звене постоянного тока. Эти пульсации связаны и определяются переменной составляющей выходного тока АВН. Заметим, что данный конденсатор выполняет ту же функцию и по отношению к переменной составляющей тока потребляемого автономным инвертором (АИН) двухзвенного ПЧ. Постоянная составляющая выходного тока АВН подпитывает конденсатор, компенсируя расход постоянного тока, отдаваемого во входную цепь АИН.
Имеется литература, в которой описываются эти взаимосвязанные процессы и рассматриваются математические модели АИН и АВН.
Как преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока АИН обладает чрезвычайно ценным свойством – возможностью двухстороннего энергетического обмена между сетями постоянного и переменного тока. Это свойство сохраняется и в инверсной схеме включения АИН в качестве активного выпрямителя. В итоге двухзвенный ПЧ с активным выпрямителем обеспечивает двухсторонний энергетический обмен между питающей сетью и электродвигателем. Благодаря этому возможно построение энергосберегающих систем электропривода в различных сферах применения с высоким качеством потребления электроэнергии.
Аналогичные результаты обеспечивает применение активных выпрямителей и в двухзвенных ПЧ с автономным инвертором тока. В них используются те же принципы, что и в ПЧ с автономным инвертором напряжения, поэтому такую систему мы подробно не рассматриваем.
Дата добавления: 2015-01-29 ; просмотров: 452 ; Нарушение авторских прав