ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Транзисторы отличаются от тиристоров прежде всего способом управления. Управляющая цепь транзистора мо­жет плавно изменять сопротивление и ток главной цепи, а управляющая цепь тиристора может только открыть главную цепь (как ключ), но не может ее закрыть. Однако это различие в схемах инверторов сглаживается, потому что в инверторах транзисторы, как правило, применяют в ключевом режиме с целью максимального использования допустимой мощности вентиля.

Сущность ключевого режима заключается в том, что транзистор может находиться длительно только в одном из двух состояний (рис. 3.71): или в точке а максималь­ного напряжения и минимального тока коллектора (режим отсечки), или в точке b максимального тока и минималь­ного напряжения коллектора 1—2 В (режим насыщения). Первый режим соответствует закрытому, а второй — откры­тому состоянию тиристора. Поэтому в ключевом режиме тиристоры работают с максимальным коэффициентом ис­пользования.

Так как состояние транзисто» ров непрерывно, т. е. во всех точках оси времени зависит от сигнала управления, то послед­ний в транзисторных инверторах должен иметь вид прямоуголь­ной волны напряжения. Соответ­ственно двум возможным значе­ниям сигнала транзистор зани­мает одно из двух крайних по­ложений на характеристике рис. 3.71 (а или Ь).

В тиристорных же инверторах сигнал управления может иметь вид последовательности кратко­временных, в идеализации

мгновенных, импульсов, т. е. ре­шетчатой функции, определяющей моменты открытия и за­крытия.

Другой важной особенностью транзисторов является то, что они допускают использование на более высоких часто­тах. Это позволяет регулирование напряжения и частоты осуществлять по методу ШИМ, причем частота несущей может во много раз превышать рабочую частоту, достигая десятков килогерц.

На рис. 3.72 показана схема однофазного транзистор­ного инвертора, питаемого от источника напряжения без

средней точки и работающего в двухтактном режиме [35].

В первом такте формируется положительная полуволна выходного напряжения инвертора (рис. 3.72,а) и открыт транзистор Т2, а во втором — отрицательная и открыт тран­зистор Ті. В той и другой полуволнах транзисторы откры­ты в течение импульсов и закрыты в течение пауз между ними. Внутри каждого периода квантования в одной, на­пример, положительной полуволне выходного напряжения открыт транзистор Т2 и проводит ток г'т2 (сплошные стрел­ки на рис. 3.72,а). Часть энергии источника передается че­

рез правую полуобмотку трансформатора на заряд кон­денсатора С, а другая часть расходуется на накопление электромагнитной энергии в правой обмотке дросселя L. В паузе периода квантования сигнал управления закрыва­ет транзистор Тг. Цепь тока (пунктирные стрелки) замы­кается теперь через диод Ді и левую половину дросселя L, который возвращает свою электромагнитную энергию в источник питания, меняя знак. Но протекая теперь в ле­вой полуобмотке трансформатора, он сохраняет знак его МДС и продолжает заряжать конденсатор. Этот процесс повторяется, а знак МДС сохраняется во всем положитель­ном полупериоде.

Во втором такте (рис. 3.72,6) формируется отрицатель­ная полуволна выходного напряжения, знак МДС меняет­ся на обратный, конденсатор С разряжается и процесс происходит аналогично первому такту, но роли левой и правой схемы меняются.

Простое комбинирование таких однофазных инверторов при соответствующем сдвиге фаз последовательностей им­пульсов управляющих сигналов позволяет строить много фазные преобразователи частоты данного вида.

На рис. 3.73 показана одна из простейших схем траи зисгорного электропривода с короткозамкнутым двигате лем.

Инвертор питается от сети через неуправляемый выпря митель В, шунтированный конденсатором. Трехфазны! мост инвертора И состоит из шести транзисторов, шунти рованных обратными диодами.

Управление осуществляется командным сигналом и¥ который разветвляется на две цепи: управление напряже ниєм — через регулятор напря­жения 5, 1 и управление чг стотой — через блок преобра зования напряжение — часто та 2 и блок 6, задающий ч» стоту на выводах двигателя определяемом им отношении напряжению.

Регулятор напряжения мо дулирует через генератор им пульсов 3 и модулятор 4 дли тельность импульсов сигнал" управляющего транзисторам на несущей частоте, в 60 ра превышающей выходную ча стоту инвертора. Для управ ления частотой последнего несущая частота уменьшаете» делителем частоты 6 в десять раз, после чего сигнал посту пает на кольцевой счетчик 7, а затем на модулятор 4 Формирование управляющих импульсов осуществляете» подобно рис. 3.70, наложением в блоке 3 треугольного сиг нала на несущей частоте на сигнал рабочей частоты с по следующим их вычитанием [36].

Улучшение качества силовых транзисторов позволяет увеличить мощности транзисторных инверторе®. В связи с этим представляє интерес уточнение границ области рационального применения тран зисторов и тиристоров.

Использование тиристоров определяют три основных параметра прямой ток, обратное напряжение и время выключения по основної цепи.

На рис. 3.74 показаны кривые удельной мощности (мощность ла единицу площади кристалла) кВ-А/мм2, коммутируемой тиристором в зависимости от обратного напряжения вентилей при разных зна чениях времени выключения по основной цепи Xq [37].

Эти кривые показывают, что удельная мощность тиристоров рас тет с увеличением обратного напряжения, но быстро уменьшаете-
с увеличением их рабочей частоты, которая ограничивается временем выключения tq.

Верхняя граница области лежит ниже 2 кВ-А/мм2 при обратном напряжении 5 кВ и при времени выключения по основной цепи tq— = 1000 мкс, что соответствует нижней границе промышленных частот. Нижняя же граница при высоких частотах т?=1 мкс и обратном напряжении 0,5 кВ оказывается ниже, чем у транзисторов, спскобных коммутировать ток на частотах 100 кГц.

Применяемые на практике самые большие тиристоры для преоб­разования энергии на промышленной частоте имеют С/раб=3-йЗ,5 кВ н т, = 300 мкс. У высокочастотных тиристоров с tq —10-^30 мкс рабо­чее напряжение не превосходит 1,2—1,5 кВ. Эти пределы обусловлены физическими свойствами кремния, и улучшение характеристик проис­ходит преимущественно за счет увеличения размеров вентилей (с диа­метра кристалла 36 мм в 1970 г. до 75 мм в 1980 г.), усовершен­ствования технологии, охлаждения и изоляции [38].

Недостатком тиристоров, снижающим их надежность и требую­щим применения специальных ограничивающих цепочек, является их чувствительность к скорости нарастания напряжения и тока.

Номенклатура современных тиристоров весьма разнообразна. На­пряжение изменяется от 50 до 5000 В, рабочий ток от 2 до 1000 А, частота от 50 Гц до 20 кГц. Типичные характеристики тиристоров одной из моделей с диаметром структуры 50 мм:

Напряжение, В 1500 2500 4000

Средний ток,.................................... А 1200 980 710

Допустимый ток однократной перегруз­ки, к А 18 16,4 9,7

Рабочая частота, Гц.................... 10—400

di/dt, А/мкс......................................... 100

du/dt, В/мкс........................................ 300

Напряжение управления, В.................... 3,5

Характеристики быстродействующих ти­ристоров:

Напряжение, В............................ 1300 1300

Ток перегрузки, кА....................... 7,5 9,3

Время выключения, мкс................ 15 3,5

Допустимые:

di/dt, А/мкс................................. 800

du/dt, В/мкс................................. 700

Транзисторы, разработанные специально для инверторов и пре­образователей электроприводов английской фирмой «Вестингауз», рас­считаны на максимальный ток 450 А, напряжение 600 В. Время вы­ключения индуктивной нагрузки при токе 200 А и температуре 125°С составляет 3,5 мкс

Для увеличения мощности транзисторных инверторов часто при­меняют параллельное их соединение, что увеличивает и надежность. Однако уже отмечалось создание инвертора всего с одним вентилем в плече па мощность 200 кВ-А при напряжении источника питания 850 В.

Существенным преимуществом транзисторных инверторов являет­ся простота схем благодаря отсутствию устройств принудительной коммутации.

Недостатком транзисторов по сравнению с тиристорами является большая чувствительность к перенапряжениям, вследствие чего их нельзя защищать плавкими вставками и необходимо предусматривать другие средства защиты. Кроме того, транзисторы несколько более увствительны к перегревам и, следовательно, к перегрузкам по моі% ности.

Для сравнения тиристоров и транзисторов на рис. 3.75 приведену кривые допустимой платности тока в переходе в зависимости от об* ратного напряжения. Для тиристоров построено семейство кривых при разных значениях времени выключения по* основной цепи, а для транзисторов — семейство кривых при разных значениях удельной мощности, Вт/мм2.

Для ориентировки н выборе вида вентилей на рис. 3.76 приведені график: прямой ток в зависимости от обратного напряжения. Тол­стыми линиями обозначены границы рабочей области для транзисто­ров, высокочастотных и обычных тиристоров. Косыми линиями по­казаны границы допустимой рассеиваемо'й мощности в кВ-А. График построен на основании наиболее распространенных промышленных вентилей [37].