Силовые полупроводниковые элементы регулируемого электропривода

Вентильно-индукторный двигатель (ВИД)

Вентильный двигатель (ВД)

Одним из наиболее перспективных и универсальных типов электроприводов с синхронными машинами является бесколлекторный или бесконтактный вентильный двигатель, в котором регулирование скорости и момента осуществляется подводимым напряжением, током возбуждения и углом опережения включения вентилей при самоуправлении по частоте питания. Он обладает регулировочными качествами машин постоянного тока и надёжностью систем переменного тока.

Надежность обычного СД выше надежности любой другой машины, а по стоимости она уступает только асинхронной с короткозамкнутым ротором. Бесконтактность СД обеспечивается как обычным способом (с помощью бесщеточных систем возбуждения с вращающимися выпрямителями), так и новыми (применением постоянных магнитов на роторе, когтеобразного ротора и обмотки возбуждения на статоре и т.д.).

Ввиду простоты наибольшее распространение получили вентильные двигатели постоянного (а) и переменного тока (б) с преобразователями, работающими в режиме источника тока.

В отличие от частотно-регулируемого привода, в вентильном двигателе коммутация тиристоров осуществляется за счет ЭДС двигателя (машинная). Машинная коммутация позволяет отказаться от высоковольтных громоздких реактивных элементов в инверторе. Это значительно упрощает схему и уменьшает ее габаритную мощность, и в конечном итоге улучшает качество преобразования энергии. Но при пуске и низких скоростях происходит срыв коммутации из-за отсутствия или малой величины ЭДС. В вентильном двигателе постоянного тока возможны следующие способы пуска:

· асинхронный;

· с искусственной коммутацией;

· с принудительной коммутацией.

Первый способ при своей кажущейся простоте имеет серьезные недостатки - пуск неуправляемый и необходимы переключения в силовых, как правило, высоковольтных цепях.

Второй способ пуска предусматривает применение автономного инвертора, в котором используется реактивная энергия коммутирующих элементов (емкостей и дросселей). В этом случае заметно усложняется схема, увеличиваются вес и стоимость инвертора.

Третий способ пуска с принудительной коммутацией осуществляется отсечкой управляющих импульсов или цикличным переводом выпрямителя в инверторный режим на время коммутации тиристоров инвертора. Этот способ требует минимальных затрат. Характерными недостатками являются уменьшение пускового момента двигателя и некоторое увеличение потребляемой реактивной мощности.

Пуск с принудительной коммутацией выполняется также в схеме с неуправляемым выпрямителем. Инвертор в этом случае осуществляет широтно-импульсное регулирование напряжения. Этот способ требует применения в инверторе транзисторов или запираемых тиристоров.

Наиболее просто проблема пуска решается в системе с циклоконвертором (б), в которой функции выпрямления и инвертирования выполняют одни и те же тиристоры, чем достигается преобразование напряжения и частоты источника непосредственно в напряжение и частоту двигателя. Такая система содержит большее число тиристоров, чем преобразователь со звеном постоянного тока, но благодаря отсутствию пусковых устройств, однократному преобразованию энергии и уменьшению теплового тока тиристора она экономична и надежна.

В схеме с циклоконвертором естественная коммутация осуществляется во всем скоростном диапазоне работы ВД как между тиристорами в работающих группах, так и между тиристорами однополярных групп. Последнее происходит при совпадении во времени сигналов на переключение фаз сети и двигателя. Машинная коммутация выполняется за счет ЭДС двигателя между тиристорами однополярных групп при частотах выше 0,1...0,15 частоты вращения двигателя.

Реверсирование ВД осуществляется просто и возможно двумя путями:

· увеличение угла опережения больше 90⁰;

· реверсированием двух фаз сигналов с ДПР.

Полоса пропускания коммутатора ВД регулируется изменением угла опережения b₀ или b (углы между током и соответственно ЭДС холостого хода и напряжением машины). Существуют следующие способы управления коммутатором ВД:

· b₀=const;

· b=const;

· b₀=b_0min= f (g, q) при d=d_min=const;

· b=b_min= f (g) при d=d_min=const,

где b₀=b+q; q — угол нагрузки синхронной машины; b=g+d; g — угол коммутации (учитывает коммутационное перекрытие фаз); d — угол запаса (учитывает погрешность системы управления и время восстановления запирающих свойств тиристоров).

При способе управления b=const угол опережения остается постоянным во всех режимах работы привода и рассчитывается в соответствии с максимальной величиной нагрузки. При этом току холостого хода соответствует наибольшее значение угла запаса (40...50°), хотя для восстановления запирающих свойств тиристоров достаточно иметь 3...5°.

Если угол опережения поддерживать постоянным, то cosj зависит от нагрузки

,

и синхронный двигатель работает с наибольшим коэффициентом мощности и наилучшими энергетическими показателями только в номинальном режиме. Во всех других режимах, т.е. с уменьшением нагрузки, привод работает с ухудшенными энергетическими показателями.

Наоборот, выполнение способа управления b_min=f(g) при d_min обеспечивает работу СД с максимальной величиной коэффициента мощности

,

т.е. с минимальным потреблением реактивной энергии, и наилучшими энерге­тическими показателями при всех возможных значениях частот машинной коммутации и моментов нагрузки. При реальных углах коммутации и малом времени восстановления вентилей коэффициент мощности стремится к единице, а КПД вентильного двигателя к КПД синхронного двигателя.

Вентильно-индукторный двигатель, одна из возможных схем которого показана на рисунке, состоит из специальной четырехфазной электрической машины, электронного коммутатора на силовых транзисторных модулях и блока микроконтроллерного управления.

У индукторной машины (ИМ) магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по величине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие. Изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуется повышенными частотами тока (f» 400…30000 Гц).

Статор и ротор электрической машины выполнены шихтованными явнополюсными, причем число полюсов статора и ротора неодинаково: 6/4, 8/6 и т.д. На статоре расположены сосредоточенные обмотки (катушки), соединенные через электронный коммутатор с источником питания постоянного тока (выпрямитель, аккумулятор).

Коммутатор состоит из группы электронных ключей, открытое или закрытое состояние которых диктуется положением пассивного явнополюсного ротора, фиксируемых специальным датчиком и сигналами микропроцессорного управления, за счет чего формируются нужные токи в обмотках.

Принцип действия привода основан на магнитном притяжении ближайшего полюса ротора к активизированному индуктору – полюсу статора с катушкой. Так, переключение тока с катушки А статора, к которой был притянут полюс a ротора, на катушку В статора (по часовой стрелке) приведет к повороту ротора, такому, что к полюсу В притянется ближайший полюс b ротора (против часовой стрелки). Повторение указанных переключений, диктуемое датчиками фактического положения ротора, приведет к непрерывному вращению с требуемой частотой.

Таким образом, электромеханическое преобразование энергии (создание момента) в таком приводе основано на принудительном изменением магнитного сопротивления R _M по угловой координате машины q за счет переключения токов в катушках статора. Изменение магнитного сопротивления обусловливает создание момента

Формирование в каждый момент времени токов нужной величины обеспечивает плавность движения при достижении требуемых моментов с малыми пульсациями. Формирование токов производится посредством широтно – импульсной модуляции, осуществляемой сигналами микропроцессорного устройства, подаваемыми на основные ключи коммутатора. Качественное функционирование привода при предельно простой машине достигается за счет совершенных ключей коммутатора и развитой системы микропроцессорного управления.

К преимуществам ВИД относятся:

· высокая технологичность и за счет этого низкая трудоемкость производства двигателя (простая конфигурация магнитной системы, отсутствие коллектора, беличьей клетки, постоянных магнитов, машинная намотка катушек);

· экономия активных материалов до 30%, использование лишь недефицитных и недорогих материалов (не используются дорогостоящие редкоземельные магниты);

· низкая себестоимость машины – в 1,7 – 2 раза ниже себестоимости самого дешевого асинхронного короткозамкнутого двигателя (по оценкам западных специалистов);

· экологическая чистота производства (отсутствует вредная для окружающей среды операция пропитки статора в целом, пропитываются лишь катушки) и утилизации (легко разделяются железо и медь, отсутствуют вредные в переработке редкоземельные магниты);

· упрощенная и более надежная по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации;

· широкие функциональные возможности – работа в зоне низких (десятки – сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения с широким диапазоном регулирования и большими моментами в зоне низких частот;

· высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам;

· высокая надежность привода в целом;

По зарубежным данным некоторые показатели трех типов электроприводов для машины с высотой вала 112 мм приведены в таблице.

Тип электропривода	Номинальная мощность, кВт	Номинальная мощность к oбъему актив-ных атериалов	КПД
Постоянного тока Асинхронный Вентильно-индукторный		1,2 1,7

Совокупность свойств вентильно-индукторного привода позволяет прогнозировать наиболее перспективные области его применения в ближайшие годы:

· электрический транспорт, в частности автономный, с аккумуляторным питанием, а также городской;

· центробежные машины – вентиляторы, насосы, где ВИД может революционно изменить привычные конструктивы и режимы, дать заметный эффект в сфере энерго- и ресурсосбережения;

· станки, другие обрабатывающие машины;

· бытовая техника.

Весьма интересны перспективы встраивания элементов ВИД в технологические машины – мотор-колесо, крыльчатка вентилятора, совмещенная с ротором обращенной машины и т.п.

Выбор базового ключевого элемента играет решающую роль в конструировании преобразователя любого типа. Преобразование электроэнергии постоянно нуждается в идеальном ключе. Такой ключ должен иметь следующие основные характеристики:

· большой ток;

· высокое напряжение;

· малые потери (статические и динамические);

· высокую частоту (быстрое переключение);

· высокую надежность;

· компактную конструкцию (низкие потери).

Эти идеалы в разработке приборов реализуются двумя путями: через структуру транзистора и через структуру тиристора, при этом основным достоинством тиристора являются низкие статические потери, а транзистора – его хорошая способность к выключению.

В настоящее время основными приборами мощной силовой электроники являются:

· традиционные тиристоры SCR;

· запираемые тиристоры GTO;

· биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT;

· коммутируемые по электроду управления тиристоры IGCT.

На сегодня основные статические параметры GTO сравнимы с таковыми для обыкновенных тиристоров. Главный недостаток GTO – значительные токи управления, приводящие к необходимости создания громоздких и мощных блоков управления и систем передачи энергии на управляющий электрод тиристоров.

IGBT уступают GTO по статическим параметрам, но принципиально превосходят их по динамике (прежде всего, по времени включения и запирания). Кроме того, IGBT, имеющий в составе своего электрода управления полевой транзистор, не требует больших токов для запуска процессов включения и запирания, тем самым облегчая систему управления. В настоящее время транзисторы IGBT выпускаются, как правило, в виде модулей с односторонним прижимом и охлаждением, и только компания «Toshiba Semiconductur Group» сообщает о создании IGBT в таблеточном корпусе что позволяет осуществить таблеточном корпусе что позволяет осуществить двухстороннее охлаждение прибора.

В IGCT комплексно реализованы требования к силовому ключевому элементу. Он одновременно сочетает в себе симметричную таблеточную конструкцию с двухсторонним теплоотводом, имеет минимальное падение напряжения во включенном состоянии, не требует высокоэнергоемких цепей питания блоков управления, обладает достаточной помехоустойчивостью при невысоких динамических потерях и, в силу особенностей требуемого управляющего импульса (крутизна тока запирания до 3000 А/мкс) отличаются идентичностью динамических характеристик. В результате почти на порядок уменьшается (по сравнению с GTО) время коммутации, снижаются коммутационные потери. IGCT работают без снабберной емкости. Кроме того, в IGCT имеется интегрированный на одном кристалле обратный быстро восстанавливающийся диод.

Параметры и сравнительные потребительские характеристики мощных полупроводниковых силовых приборов различных типов приведены в таблицах.

Тип прибора	Фирма-изготовитель	Марка	I, А	UDRM, В	URRM, В	Δ U, В
Традиционный тиристор SCR	«АВВ Semiconducturs»	5STP 34N5200				2,54
GTО	«АВВ Semiconducturs»	5SGT 30J6004				3,35
IGСT	«АВВ Semiconducturs»	5SHY 35L4502				2,65
GCT	«Mitsubishi»	PGC4000AX-90DS				2,65
IGBT (PP HV IGBT)	«Toshiba Semiconductur Group»	ST1200FXF21				4,5
Примечания: 1. Ток I для традиционного тиристора – номинальный средний ток; для остальных (полностью управляемых) приборов – максимальный повторяющийся запираемый ток. 2. Δ U для традиционного тиристора определяется при амплитудном токе Im =π I. Значения Δ U для остальных (полностью управляемых) приборов определяются при максимальном повторяющемся запираемом токе I. 3. Обозначения UDRM, URRM для IGBT следует понимать как UCES, UGES соответственно.
Тип прибора	Преимущества	Недостатки	Цена, отн.ед 1о.е=560 €
Традиционный тиристор SCR	Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надежность. Легкосоединяется параллельно и последовательно.	Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота.	0,5
GTО	Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряжении до 4 кВ.	Высокие потери во включенном состоянии. Сложные системы управления и передачи энергии на тиристор. Очень большие потери в системе управления. Большие потери на переключение.
IGСT	Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTО. Низкие потери во включенном состоянии на переключение. Рабочая частота – до единиц кГц. Встроенный блок управления. Возможность последовательного соединения.	Не выявлены из – за отсутствия достаточного опыта эксплуатации.	1,5
IGBT (PPHV IGBT)	Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота (до 10 кГц). Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер.	Очень высокие потери во включенном состоянии.

2.8. Преобразователи на управляемых электронных приборах

Многообразию существующих преобразователей свойственно использование в качестве силовой схемы одной и той же классической структуры: трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель В, LC – фильтр звена постоянного тока, трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения АИН с широтно-импульсной модуляцией ШИМ.

Неуправляемый режим работы выпрямителя и свойства силовых управляемых ключей инвертора снимают вопросы ограничения di / dt и du / dt в цепях вентилей, применения громоздких снабберов для защиты от перенапряжений и т.п.

Разнообразие силовых схем сводится лишь к различию типов и способов включения коммутационных и защитных аппаратов (электромагнитные пускатели, автоматические выключатели, предохранители, токоограничивающие реакторы), датчиков тока и напряжения, устройств торможения (сетевой инвертор для рекуперации, ключ электродинамического торможения). Акцент разработки силовой части преобразователей сместился из области схемотехники (существенной для тиристорных устройств) в область оптимизации конструкторско-компоновочных решений и теплофизических расчётов, повышения устойчивости к аварийным режимам.

Основное влияние на потребительские свойства преобразователей и электроприводов оказывает их информационный канал – используемые алгоритмы управления и регулирования и реализующие их микроконтроллерные системы МСУ. Именно последние определяют регулировочные свойства, динамические характеристики электропривода, его функциональность.

Автономный инвертор питается от постоянного напряжения с выхода неуправляемого диодного выпрямителя, либо от автономного источника постоянного напряжения. Емкость С сглаживает пульсации с выхода выпрямителя. Ключ состоит из биполярного ключа VТ с полевым управлением (IGBT-ключ) и диода VD, включенного противоположно питающему напряжению. Диод VD предназначен для возврата энергии в сеть в случае, когда ток через ключ имеет направление, противоположное направлению напряжения на нем. Подобная ситуация наблюдается при реактивно-активной нагрузке. Схема соединения диодов VD 1- VD 6 представляет собой трехфазный мостовой шестиполупериодный диодный выпрямитель, позволяющий осуществить возврат энергии от двигателя в сеть.

Для реализации режима рекуперации вместо неуправляемого выпрямителя используют управляемый реверсивный преобразователь на тиристорах. Режим электродинамического торможения осуществляется подключением внешнего реостата через дополнительный ключ IGBT параллельно автономному инвертору.

В типовой схеме автономного инвертора напряжения содержится 6 ключей. Транзисторные ключи, переключаясь в определенной последовательности, формируют на выходе инвертора периодический трехфазный сигнал. В таком инверторе фазы двигателя могут быть подключены к потенциалам постоянного напряжения 2³=8 различными способами. Результирующий вектор напряжения на выходе АИН имеет, соответственно, 8 положений, из которых 2 положения являются вырожденными, т.к. они приводят к нулевому значению результирующего вектора.

Регулирование частоты трехфазного напряжения на выходе АИН осуществляется путем изменения частоты переключений транзисторных ключей. Изменение амплитуды трехфазного напряжения производится с помощью широтно-импульсного регулирования.

В современных IGBT время переключения составляет менее одной микросекунды. Столь высокая скорость переключения позволяет в полной мере использовать достоинства метода широтно-импульсной модуляции: осуществлять коммутацию на частоте свыше 16 кГц, что решает проблему акустических шумов, уменьшает массу и габариты реактивных элементов – фильтров высших гармоник. Наконец при большой кратности частоты коммутации и низкой частоте выходного напряжения значительно повышается быстродействие системы регулирования, что позволяет улучшить динамические характеристики систем.

В то же время при повышении частоты коммутации значительно возрастает доля коммутационных потерь, из-за чего приходится снижать допустимые токи и напряжения при частотах 5 кГц и выше. Увеличение коммутационных потерь уменьшает перегрузочную способность транзисторов.

Быстрое переключение транзисторов из-за эффекта di / dt на паразитных индуктивностях в контуре коммутации приводит к появлению значительных перенапряжений на элементах схемы.

При быстрых переключениях транзисторов на выходе преобразователя скорость изменения напряжения может достигать значений 5000В/мкс. При длине соединительных кабелей более 10м и напряжения могут достигать двухкратных поотношению к номинальным значениям. В результате повреждается изоляция двигателя.

На рисунке представлена схема двухключевого «интеллектуального» силового IGBT-модуля с полными функциями защит от перегрузки по току, короткого замыкания, перенапряжений и перегрева силовых элементов.

В электроприводе постоянного тока основные способы управления осуществляются посредством изменения напряжения якоря и потока возбуждения. В общем случае требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока во всех режимах работы, в том числе в реверсивном режиме с рекуперацией энергии в первичный источник питания. Наиболее эффективно все эти режимы реализуются в схеме, обеспечивающей работу в четырех квадрантах на стороне постоянного тока, выполненной на полностью управляемых ключах и регулируемой по способу широтно-импульсной модуляции.

Дата добавления: 2014-01-15