Транзисторные преобразователи

6.1. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.1.1. Активные выпрямители

6.1.1.1. Принцип действия

Регулирование выходного напряжения активного выпрямителя (АВ) достигается управлением моментами открывания и закрывания транзисторов преобразователя. В большинстве АВ используется двойной фазовый способ управления. Сущность его заключается в том, что на базу (управляющий вывод) транзистора периодически с частотой питания анодного напряжения подается электрический прямоугольный импульс, который может меняться по фазе по отношению к анодному напряжению. Тем самым изменяется момент открывания и закрывания транзистора. Угол a1, отсчитываемый от момента, когда кривая питающего напряжения переменного тока переходит через ноль (становится положительной), до момента появления управляющего импульса, называется углом открывания транзистора. Угол a2, отсчитываемый от момента выключения управляющего импульса, до момента, когда кривая питающего напряжения переменного тока переходит через ноль (становится отрицательной), называется углом закрывания транзистора.

Рассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения транзистора по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис.6.1).

Управляющие импульсы образуются с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ), служащей для изменения углов a1 и a2. Допустим, что на на базу транзистора VТ1 от СИФУ подан импульс в момент времени t1. Этот импульс открывает транзистор и к нагрузке Zн скачком будет приложено напряжение, которое буден изменяться по кривой Uн. В момент времени t2 импульс управления с базы транзистора снимается, транзистор закрывается и напряжение Uн становится равным нулю. На интервале t2 - t3 ток через нагрузку не протекает. В момент t3 на базу транзистора подается следующий импульс управления с СИФУ и работа схемы повторяется. Изменяя углы a1 и a2, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения, а также коэффициент мощности питающей сети. Аналогично протекают процессы открывания и закрывания транзисторов и в каждой фазе многофазных транзисторных преобразователей, например, в трехфазной мостовой.

6.1.1.2. Функциональная схема системы управления

Функциональная схема одного канала системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и диаграммы работы его элементов показаны соответственно на рис.6.2 и рис.6.3.

На схеме обозначены:

ИСН – источник синхронизирующего напряжения, обычно выполняется в виде понижающего маломощного трансформатора.

ГПН – генератор периодического напряжения. С помощью встроенного функционального преобразователя (ФП) преобразует поступающее на него синусоидальное напряжение с ИСН в периодическое треугольное напряжение.

К – компаратор. Здесь сравниваются два напряжения - треугольное с выхода ГПН и постоянное напряжение управления. На выходе компаратора вырабатываются углы открывания и закрывания транзистора a1 и a2.

УФ – усилитель-формирователь импульсов управления, формирует необходимые параметры импульса управления транзистора (амплитуду и форму).

ГР – гальваническая развязка, обеспечивающая разделение высокого потенциала силовой цепи и низкого потенциала системы управления. Обычно выполняется на импульсном трансформаторе или оптроне.

6.1.1.3. Статические характеристики АВ

Регулировочная характеристика АВ может быть записана в следующем виде:

U_н=U_нo cos[(a₁ +a₂)/2],

где U_н0 – напряжение преобразователя при a1=a2=0;

a1 и a2 – углы открывания и закрывания транзистора.

На рис.6.4 показан график зависимости Uн от угла открывания a1. График зависимости Uн от угла закрывания a2 аналогичен показанному на рис.2.4. Максимальное напряжение Uнo получается при полностью открытом транзисторе, когда угол a1=a2=0.

6.1.1.4. Динамические характеристики АВ

Передаточную функцию АВ можно записать в следующем виде:

W(p)=U_вых(p)/U_у(p)=K_АВ/(T_у ×p + 1),

где K_АВ – коэффициент усиления АВ, определяемый по регулировочной характеристике;

T_у – малая постоянная времени системы управления АВ.

Переходная функция АВ изображена на рис.6.5.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции АВ: K_АВ и T_у.

Достоинства АВ:

1. Высокий КПД (до 98 %) вследствие однократного преобразования электроэнегии и низкого падения напряжения на открытом транзисторе.

2. Возможность регулирования коэффициента мощности сети, в т.ч. компенсация реактивной мощности.

3. Простота силовой схемы.

Недостатки АВ:

1. Усложненная система управления при раздельном регулировании углов открывания и закрывания транзистора a1 и a2.

2. Увеличение стоимости преобразователя вследствие повышенной по сравнению с тиристорами стоимости силовых транзисторов.

Область применения УВ:

1. Управляемый электропривод постоянного тока.

2. Регулируемые источники питания.

3. Компенсационные устройства.

6.1.2. Широтно-импульсные преобразователи

6.1.2.1. Принцип действия

Принцип регулирования выходного напряжения ШИП основан на периодическом замыкании и размыкании ключа К (см. рис.2.1). При этом в "классическом" ШИП период коммутации Т ключа К остается постоянным, а изменяется продолжительность Ти подачи напряжения питания Uп.

Количественно работу ШИП удобно описывать, используя понятие скважности g:

g = Ти/T = Ти/(Ти+Тп),

где Ти - продолжительность подачи Uп (ключ К замкнут),

Тп - продолжительность паузы (ключ К разомкнут).

Скважность в ШИП может изменяться от 0 до 1.

6.1.2.2. Силовые схемы ШИП

а) Нереверсивная схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.7.

На схеме обозначены:

VТ1 – силовой транзистор,

VD1 – диод реактивной мощности, служащий для замыкания тока нагрузки во время паузы работы ШИП,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- простота (один транзистор),

- надежность в работе (нет узлов искусственной коммутации).

Недостатки схемы:

- нереверсивность,

- ограничение диапазона регулирования Uн.

Применение:

- регулируемые источники питания,

- электропривод постоянного тока с небольшим диапазоном регулирования угловой скорости.

б) Реверсивная нулевая схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.8.

На схеме обозначены:

VТ1, VТ2 – силовые транзисторы,

VD1, VD2 – обратные диоды, служащие для возврата реактивной мощности нагрузки,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- реверсивность,

- большой диапазон регулирования Uн.

Недостатки схемы:

- большее количество транзисторов,

- пониженное напряжение в нагрузке,

- требуется источник питания со средней точкой.

Применение:

- регулируемые источники питания с заданной формой выходного напряжения Uн,

- реверсивный электропривод постоянного тока с большим диапазоном регулирования угловой скорости.

в) Реверсивная мостовая схема ШИП

Схема ШИП и диаграмма напряжения нагрузки показаны на рис.6.9.

На схеме обозначены:

VТ1… VТ4 – силовые транзисторы,

VD1… VD4 – обратные диоды, служащие для возврата реактивной мощности нагрузки,

Zн – нагрузка.

Достоинства схемы:

- реверсивность,

- не требуется источник питания со средней точкой,

- полное напряжение в нагрузке (Uн = Uп).

Недостатки схемы:

- большее количество транзисторов.

Применение:

- регулируемые источники питания с заданной формой выходного напряжения Uн,

- реверсивный электропривод постоянного тока с большим диапазоном регулирования угловой скорости.

6.1.2.3. Системы управления ШИП

а) Функциональная схема системы управления нереверсивным ШИП Данная схема показана на рис.6.10, где изображены следующие элементы:

ГТИ – генератор треугольных импульсов,

К – компаратор, сравнивающий сигнал ГТИ и сигнал управления Uу,

УФ – усилитель-формирователь импульсов управления транзистором,

ГР1 – устройство гальванической развязки.

Диаграммы работы системы управления ШИП показаны на рис.6.11.

б) Функциональная схема системы управления реверсивным ШИП Данная схема показана на рис.6.12, где изображены следующие элементы:

ГТИ – генератор треугольных импульсов,

К – компаратор, сравнивающий сигнал ГТИ и сигнал управления Uу,

ЛИ – логический инвертор, изменяющий фазу сигнала К на 180^o,

УФ1, УФ2 – усилители-формирователи импульсов управления транзисторами,

ГР1, ГР2 – устройства гальванической развязки.

Диаграммы работы системы управления ШИП показаны на рис.6.13.

6.1.2.4. Статические характеристики ШИП

Регулировочная характеристика ШИП показана на рис.6.14. Аналитически характеристика описывается формулой Uвых= g Uп.

Выходные характеристики ШИП описываются формулой

Uвых= g Uп -I×Rвн,

где I – ток преобразователя,

Rвн – внутреннее сопротивление ШИП.

1. Динамические характеристики ШИП

Передаточная функция ШИП имеет следующий вид:

Wшип(р)=Uвых(p)/Uу(p)=Кшип ×е ^-pT,

где Кшип – коэффициент усиления ШИП, определяемый по регулировочной характеристике,

T – время запаздывания реакции силовой части ШИП на изменение сигнала управления Uу.

Переходная функция ШИП показана на рис.6.15.

По экспериментально определенной переходной функции можно найти все параметры передаточной функции ШИП.

Достоинства ШИП:

- лучше регулировочные характеристики,

- большее быстродействие,

- отсутствие устройств принудительной коммутации,

- больший диапазон регулирования выходного напряжения.

Недостатки ШИП:

- большая стоимость.

Область применения ШИП:

- быстродействующий электропривод металлорежущих станков и промышленных роботов,

- источники вторичного питания и стабилизаторы.

6.2. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

6.2.1. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока

6.2.1.1. Преобразователи частоты с одноступенчатой коммутацией

Функциональная схема такого ПЧ показана на рис.6.16, где обозначены следующие блоки:

В – неуправляемый диодный выпрямитель,

РН – регулятор напряжения (транзисторный ШИП),

Ф – сглаживающий фильтр,

АИН – транзисторный автономный инвертор напряжения,

М1 – нагрузка (двигатель),

СУР – система управления регулятором,

СУИ – система управления инвертором,

БС – блок связи между СУР и СУИ (может отсутствовать).

Неправляемый выпрямитель В преобразует переменное напряжение питающей сети Uc в выпрямленное постоянное, которое затем регулируется регулятором РН, сглаживается фильтром Ф (обычно Г-образным) и подается в виде напряжения питания на автономный инвертор АИН. Выходная частота АИН регулируется с помощью СУИ, а амплитуда выходного переменного напряжения АИН регулируется в блоке РН с помощью СУР. Блок БС согласует напряжения управления РН и АИН для задания необходимого закона управления выходным напряжением Uвых и частотой fвых.

Поскольку транзисторные ШИП и их системы управления уже рассмотрены выше, перейдем к изучению транзисторных автономных инверторов напряжения.

Рассмотрим наиболее часто использующуюся на практике трехфазную мостовую схему инвертора, показанную на рис.6.17.

На схеме рис.6.17 обозначено: VТ1...VТ6 - силовые транзисторы; ZА, ZВ, ZС – трехфазная нагрузка (асинхронный двигатель).

Порядок работы транзисторов в схеме следующий: VТ1-VТ2, VТ2-VТ3, VТ3-VТ4, VТ4-VТ5, VТ5-VТ6, VТ6-VТ1 и т.д. Импульсы управления поступают на пары транзисторов со сдвигом 60 градусов.

Рис.6.17

Функциональная схема системы управления инвертором показана на рис.6.18, где обозначено: ЗГ – задающий генератор, РИ – распределитель импульсов управления, УФ1...УФ6 – усилители-формирователи импульсов управления, ГР1...ГР6 – устройства гальванической развязки.

Достоинства схемы:

- простота системы управления,

- сравнительно высокий КПД.

Недостатки схемы:

- небольшой диапазон регулирования угловой скорости двигателя,

- несинусоидальная (прямоугольная) форма выходного напряжения.

Применение:

- простые источники питания с заданной частотой выходного напряжения,

- электропривод переменного тока с ограниченным диапазоном регулирования угловой скорости.

Диаграммы выходного напряжения схемы показаны на рис.6.19.

6.2.1.2. Преобразователи частоты с двухступенчатой коммутацией

Функциональная схема такого ПЧ показана на рис.6.20, где обозначены следующие блоки:

В – неуправляемый диодный выпрямитель,

Ф – сглаживающий фильтр,

АИН – транзисторный автономный инвертор напряжения,

М1 – нагрузка (двигатель),

СУИ – система управления инвертором.

Неправляемый выпрямитель В преобразует переменное напряжение питающей сети Uc в выпрямленное постоянное, которое затем сглаживается фильтром Ф (обычно Г-образным) и подается в виде напряжения питания на автономный инвертор АИН. Выходная частота АИН регулируется с помощью микропроцессорной СУИ, причем амплитуда выходного переменного напряжения АИН также регулируется в блоке СУИ.

Обычно в качестве силовой схемы инвертора используется трехфазная мостовая схема на IGBT-транзисторах, показанная на рис.6.21.

Выходное переменное напряжение АИН может регулироваться двумя способами: с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), показанной на рис.6.22, и с помощью частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), показанной на рис.6.23. В случае использования ЧИМ удается несколько снизить динамические потери в транзисторах.

Функциональная схема системы управления инвертором с ШИМ (на одну фазу) показана на рис.6.24, где обозначено: ГСН – задающий генератор синусоидального низкочастотного напряжения, ГТН – генератор треугольного высокочастотного напряжения, ФИС – формирователь импульсов синхронизации между ГСН и ГПН, ЛИ – логический инвертор, К1 и К2 – компараторы, УФ1 и УФ2 – усилители-формирователи импульсов управления, ГР1 и ГР2 – устройства гальванической развязки

.

Достоинства схемы:

- большой диапазон регулирования угловой скорости двигателя,

- синусоидальная (модулированная) форма выходного напряжения.

Недостатки схемы:

- сложность системы управления,

- несколько меньший КПД.

Применение:

- источники питания с заданной формой выходного напряжения,

- электропривод переменного тока с большим диапазоном регулирования угловой скорости.

6.2.1.3. Преобразователи частоты с многоуровневой ШИМ

Функциональная схема такого ПЧ показана на рис.6.20, однако источник питания инвертора с ШИМ имеет несколько уровней напряжения.

Силовая схема инвертора показана на рис.6.25. В данной схеме инвертор на IGBT-транзисторах питается от двухуровневого источника Uп со средней точкой.

Выходное переменное напряжение АИН, однофазная диаграмма которого показана на рис.6.26, может регулироваться с помощью широтно-импульсной модуляции. В случае использования многоуровневой ШИМ удается несколько снизить динамические потери в схеме инвертора за счет уменьшения уровней перепада напряжения при включении и выключении транзисторов.

Достоинства схемы:

- снижение динамических потерь в транзисторах АИН,

- увеличение КПД инвертора.

Недостатки схемы:

- большая сложность источника питания.

Применение:

- электропривод переменного тока большой мощности,

- энергосберегающий электропривод.

6.2.2. Непосредственные преобразователи частоты

6.2.2.1. Матричный преобразователь

Силовая схема однофазного матричного преобразователя частоты показана на рис.6.27, где обозначено: VТ1...VТ6 – реверсивный трехфазный нулевой активный выпрямитель, TV1 – согласующий силовой трансформатор, ТА1 – трансформатор тока, ZА – нагрузка. Диаграмма выходного напряжения матричного ПЧ показана на рис.6.28.

Достоинства схемы:

- увеличение КПД инвертора (нет звена постоянного тока),

- надежность (исключен режим опрокидывания АИН).

Недостатки схемы:

- большая сложность системы управления.

- большое число силовых транзисторов.

Дата добавления: 2014-01-04