ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

РАБОТА СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

В схемах электроприводов малой мощности с преобразовате­лями частоты или с широтно-импульсными преобразователями постоянного тока (прерывателями) применяют силовые транзи­сторы. При этом не требуются используемые в тиристорных схе­мах громоздкие цепи для запирания (выключения) тиристоров-. В данном разделе объясняется работа транзисторных ключей, включающих в себя также обратные вентили и защитные цепи. Обратные вентили служат для создания цепи реактивного тока обмоток двигателя от ЭДС самоиндукции. Под термином ключ понимают силовой управляемый прибор вместе со вспомогатель­ными цепями. Это устройство является самостоятельным и основ­ным элементом силовой схемы преобразователя. Ключ может на­ходиться в одном из двух состояний: включено — он замыкает силовую цепь, выключено — он размыкает силовую цепь.

Транзисторы в преобразователях работают в режиме переклю­чения и, как правило, по схеме с общим эмиттером (рис. 59,а). Для повышения коэффициента усиления в ряде преобразователей применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона). При этом объединяются коллекторы обоих транзисторов, а эмит­тер входного транзистора соединен с базой выходного (рис. 59, в). На рис. 59, б приведены зависимости тока коллектора (/к) тран­зистора от напряжения эмиттер-коллектора (U3K) для различных значений тока базы. Режимы работы транзистора (отсечка и на-

сыщение) обусловлены токами базы и коллектора. В силовой пре­образовательной технике используются, главным образом, тран­зисторы проводимости типа п-р-п, применительно к которым мы будем дальше указывать полярность напряжения питания и управления. Если к базе приложено отрицательное напряжение относительно эмиттера (U3б), то транзистор закрыт и почти все напряжение питания (Uп) прикладывается к электродам эмит­тера и коллектора. Ток нагрузки пренебрежимо мал, мощность, рассеиваемая на транзисторе, минимальна. Граничной кривой области отсечки соответствует значение [/„б=0. Режим отсечки транзистора соответствует разомкнутому состоянию управляе­мого силового ключа преобразователя.

При подаче на базу транзистора положительного напряжения относительно эмиттера достаточной величины транзистор пере­ключается в режим насыщения. Область насыщения ограничена линией ОВ. Падение напряжения на транзисторе (напряжение змиттер — коллектор) составляет 1—3 В. Режимы насыщения и отсечки удачно сочетаются с ключевым характером работы си­ловых управляемых приборов в инверторах и прерывателях. Ко­гда ключ преобразователя замкнут, падение напряжения на тран­зисторе пренебрежимо мало по сравнению с напряжением пита­ния преобразователя, достигающим сотни вольт, т. е. практически всё напряжение прикладывается к нагрузке. При этом ток на­грузки 1K=U„/RH. Благодаря малому падению напряжения мощ­ность, рассеиваемая на транзисторе, не является чрезмерной. Для того чтобы ввести транзистор в состояние насыщения, требуется обеспечить определенную величину тока базы. Эта величина обус­лавливается заданным значением тока коллектора (нагрузки) и коэффициентом усиления конкретного транзистора. При дальней­шем значительном увеличении тока базы усиливается глубина насыщения, а падение напряжения транзистора уменьшается в малой степени.

В обоих режимах отсечки и насыщения, называемых статиче­скими, проще обеспечить «безопасную» работу транзисторов. В этих режимах при большом значении одного из параметров (ток или напряжение) другой имеет малое значение, т. е. мощность рассеивания на транзисторе, равная произведению тока падения напряжения на переходе эмиттер — коллектора, не превышает допустимой величины. Переключение транзистора из режима от­сечки в режим насыщения и наоборот проходит через активную область. В отличие от первых двух режимов активный характе­ризуется большими потерями мощности, так как одновременно могут иметь место значительные величины тока коллектора и на­пряжения эмиттер — коллектор. Поэтому в преобразователях приняты меры по снижению времени переключения и созданию такого режима переключения, чтобы не было одновременного образования больших коллекторных токов и напряжений. Во время выключения сначала режим транзистора смещается к гра­нице области насыщения (интервал задержки), а затем ток кол­лектора спадает до очень малой величины (интервал запирания).

Так как во многих случаях серийно выпускаемые транзисторы Не могут обеспечить требуемый ток нагрузки, то в преобразова­телях применяется параллельное соединение транзисторов. Для более равномерного распределения тока между отдельными тран­зисторами в цепи их эмиттеров, устанавливаются уравнительные резисторы небольшой величины, которые в некоторых преобразо­вателях используются как датчики тока для токовой защиты.

Если силовой транзистор работает на границе режимов (ак­тивного и насыщения), то уменьшается время выключения тран­зистора и снижается ток базы, последнее способствует разгрузке блока питания предварительных усилителей в цепи базы. Кроме того, выравниваются характеристики транзисторов и облегчается их параллельная работа. Наиболее близкая к активному режиму точка работы транзистора с наибольшим падением напряжения выбирается для режимов перегрузки. Однако, если выбрать ре­жим работы транзистора по каким-то определенным значениям токов коллектора и базы, то при увеличении тока нагрузки тран­зистор перейдет в активный режим, что нежелательно. Для обес­печения стабильной величины напряжения эмиттер — коллектор служит отрицательная обратная связь с коллекторов транзисто­ров на выходные усилители (ВУ), регулирующие ток базы (рис. 59, а). В цепи обратной связи устанавливают маломощные диоды. При этом сравниваются: суммарное падение напряжения на указанных диодах и падение напряжения эмиттер — коллек­тор. Если увеличится ток нагрузки и соответственно падение на­пряжения эмиттер — коллектор, то обратная связь воздействует на выходной усилитель таким образом, что повышается ток базы. В результате транзистор приоткрывается и падение напряжения эмиттер — коллектор возвращается к заданному уровню.

Работу силовых транзисторов необходимо рассматривать сов­местно с обратным (шунтирующим) вентилем, через который про­текает реактивный ток двигателя. Для исключения отрицатель­ного тока через транзистор необходимо подавать на базу отрица­тельное напряжение на время, когда транзистор не должен про­водить. Рассмотрим работу транзисторного ключа инвертора, ча­стота которого равна выходной частоте инвертора. Транзисторный ключ включает в себя обратный вентиль (V3 или V4) и защит­ную цепочку от перенапряжений (Ш •— V5 — С1 или R2 — V6 — С2 рис. 60,а). Цепь R—V—С уменьшает скорость нарастания напряжения эмиттер — коллектор транзистора при его отключе­нии. Благодаря этому снижается мощность рассеяния транзисто­ра. Кроме того, эта цепь облегчает параллельную работу транзи­сторов по следующей причине. Как известно, серийные транзи­сторы имеют разные времена выключения. При отсутствии ука­занной цепочки суммарный ток отключения ключа протекал бы через один наиболее медленно выключающийся транзистор, кото­рый мог бы выйти из строя. Благодаря защитной цепи ток про­текает через ее конденсатор.

После заряда конденсатора цепи выключаемого транзистора ток нагрузки замыкается через обратный вентиль второго ключа этой же фазы, но подключенного к другой шине источника посто­янного тока. После коммутационной паузы, которая больше вре­мени заряда конденсатора защитной цепи первого ключа, пода­ется открывающий сигнал на второй ключ. Благоприятным явля­ется то, что силовые транзисторы открываются при малом напря­жении эмиттер — коллектор, а ток нагрузки плавно нарастает после спадания реактивного тока до нуля. При следующем вклю­чении транзистора первого ключа конденсатор разряжается через резистор и упомянутый транзистор.

В инверторах, работающих на несущей частоте, переключение ключей одной фазы производится при постоянном направлении тока нагрузки. Поэтому в случае двигательной нагрузки при оче­редном включении транзистора одного ключа начинает протекать сквозной ток через этот транзистор и обратный вентиль второго ключа до восстановления запирающих свойств вентиля. Дело в том, что после того, как вентиль перестал проводить в прямом направлении, требуется некоторое время, чтобы вентиль восста­новил свои запирающие свойства.

Ограничение указанного тока осуществляется дросселями L1 и L2 (рис. 60,6). После выключения транзисторов VI или V2 ток дросселей спадает и проходит через вентиль V5 или V6 на конденсатор С1 или С2, которые разряжаются на резисторы Rt или R2. Конденсаторы СЗ и С4, так же как конденсатор С1 или С2 (рис. 60,а), ограничивают скорость нарастания напряжения на запираемых транзисторах. После очередного открытия транзи­сторов ток разряда конденсатора СЗ или С4 через транзисторы ограничивается дросселем L1 или L2.