Реферати українською » Физика » Дослідження динамічних характеристик електроприводів постійного струму при різних способах збудження


Реферат Дослідження динамічних характеристик електроприводів постійного струму при різних способах збудження

метри). На рис. 1.5 за приклад показані механічні регулювальні характеристикиЭП постійного струму.

Малюнок 1.5. Типові механічна і регулювальну
характеристики електропривода

У що встановилася режимі якість електропривода характеризується такими параметрами:

· жорсткістю механічної характеристики ();

· коефіцієнтом передачі (посилення) ()регулировочной характеристики. Зауважимо, що жорсткість і коефіцієнт передачі може бути постійними в лінійних системах і змінюватися від точки до точки в нелінійних системах;

· діапазоном регулювання за швидкістю не вдома електропривода ( при ММ =const).

Енергетичні характеристики електропривода

До енергетичним характеристикам електропривода ставляться робочі характеристики, тобто залежності струму, активної, реактивної та повної потужності, споживаної джерела харчування, від потужності не вдома електропривода (від потужності навантаження): I1,P1,Q, P.S =f(P2).

Ці характеристики визначаютьк.п.д. () і коефіцієнт потужності () електропривода. До енергетичним характеристикам теж належать залежності середніх, діючих і амплітудних струмів через напівпровідникові елементи перетворювача від часу, швидкості і не вдома електропривода.

Наявність силового напівпровідникового перетворювача, включеного між джерелом харчування і двигуном, вносить певну специфіку, яку треба враховувати під час аналізі енергетичних характеристик електропривода. Розглянемо цю специфіку.

>1.При управлінні від силового напівпровідникового перетворювача обмотки електродвигуназапитиваются імпульсним напругою. У цьому струми в обмотках також пульсують.Импульсний характер напруження і пульсація струму викликають додаткові втрати у двигуні, які треба враховувати під час аналізу енергетичних характеристик.

>2.Силовие елементи перетворювача (діоди,тиристори, транзистори) є ідеальними ключами. Тож у режимах, що вони проводять струм (для транзисторів це режим насичення), ними розсіюється певна потужність. Ця потужність, яку називаютьквазистатической, залежить від середнього та ефективного (чинного) струму і зажадав від параметрів напівпровідникового приладу як перебігу прямого струму. На рис. 1.5 за приклад приведено характеристика діода для прямого струму та показано його дві основні параметра: U>o – залишкове напруга надиодеврежиме перебігу прямого струму і – динамічний опір діода як прямого струму.Квазистатические втрати удиоде визначаються з висловлювання:

,

де Iпорівн, I – середній і більш ефективний струм через діод.

Аналогічно визначаютьсяквазистатические втрати утиристоре і транзисторі.

>Квазистатические втрати у силовому напівпровідниковомупреобразователе залежать, передусім, від потужності не вдома, але, ще, вони значно залежить від алгоритму управління перетворювачем, від структури замкнутого електропривода і його параметрів. Всі ці обставини необхідно враховувати під час аналізі енергетичних характеристик. Такий облік можливий лише тому випадку, коликвазистатические втрати розраховуються після синтезу електропривода.

3. Крімквазистатических втрат надходжень у напівпровідникових елементах перетворювача при переходах виділяються значні втрати, котрі називають динамічними.

При включенні транзистора діод закривається не відразу, і певний час струм відбувається у практичнокороткозамкнутой ланцюга. Якісні криві струму транзистора і напруження на транзисторі у процесі комутації показані на рис. 1.7. Потужність, що виділятимуться в транзисторі під час комутації, будучи твором напруги на струм, може бути значної. Аналогічна картина простежується при вимиканні транзистора.

Динамічні втрати у напівпровідникових елементах силових перетворювачів залежить від частоти перемикання і зажадав від параметрів самих приладів. У середовищі сучаснихелектроприводах змінного струму, наприклад, де частота переключень становить десятки (від п'яти до п'ятдесяти кілогерц), динамічні втрати можуть у 2-3 рази перевищити втратиквазистатические. Отже, під час аналізу енергетичних характеристик необхідно враховувати динамічні втрати у силовомупреобразователе.

4. Включення напівпровідникового перетворювача між джерелом харчування і двигуном зумовлює вплив перетворювача на джерело. Якщо джерелом харчування є мережу змінного струму, це вплив проявляється у спотворенні форми споживаного струму, тобто у появу гармонік в споживаному струмі. Ці гармоніки істотно впливають напитающую мережу, наводячи до багатьох небажаних наслідків. Тому, за аналізі енергетичних характеристик електропривода необхідно дослідження гармонійного складу споживаного струму.

Чотири перелічені особливості, що впливають енергетичні характеристики електропривода, необхідно враховувати в аналізі та проектуванні.

Динамічні характеристики

Як динамічних характеристик зазвичай розглядаються залежності зміни швидкості від часу не вдомаЭП при стрибкоподібному зміні вхідного задає сигналу (характеристики із управління) і за стрибкоподібному зміні моменту навантаження (характеристика по обуренню). На рис. 1.8 за приклад показано динамічна характеристикаЭП із управління. Як параметра в динамічних режимах розглядаєтьсяелектромеханическая стала часу – цей час, протягом якогоЭП розганяється від нерухомого стану до швидкості ідеального холостого ходу під впливом незмінного моменту, рівного моменту короткого замикання (пускового моменту). І тут, інтегруючи основне рівняння руху, одержимо:

У динамічному режимі якість електропривода характеризується такими параметрами (див. рис. 1.8):

· часом першого узгодження >t-1;

·перерегулированием ;

· часом перехідного процесу >t>p.

Малюнок 1.8. Параметри перехідного процесу у електроприводі


2. Силові напівпровідникові перетворювачі

 

2.1Транзисторние перетворювачі

Загальні зауваження

Напівпровідникові перетворювачі велектроприводах постійного і перемінного струму повинні характеризуватися такими основними властивостями:

· двосторонньої провідністю енергії між джерелом харчування і виконавчим двигуном, що є навантаженням перетворювача, задля забезпечення його роботи в усіх квадрантах механічної характеристики;

· малим і залежать від струму вихідним опором щоб одержати механічних характеристик, близьких до природних, й у кінцевому підсумку, щоб одержати хороших статичних і динамічних характеристик електропривода загалом;

· жорсткої зовнішньої характеристикою й малоїинерционностью, високим ККД, достатньої перевантажувальної здатністю задля забезпечення необхіднихфорсировок в перехідних режимах роботи приводу;

· високоїпомехозащищенностью і надійністю; малої масою і габаритами; відсутністю впливу мережу.

Основним призначенням напівпровідникового перетворювача є регулювання швидкості виконавчого двигуна електропривода. Уелектроприводах постійного струму це досягається регулюванням напруги не вдома перетворювача. Уприводах змінного струму необхідно регулювати напруга й частоту не вдома перетворювача за певним закону.

Зазначеним основним вимогам найбільше задовольняють транзисторні перетворювачі, працюють у режимі перемикання і які харчуються джерела постійної напруги. Такі перетворювачі велектроприводах постійного струму дістали назвуширотно-импульсних (>ШИП).

Принципи побудови силових транзисторних ключів

Силовий транзисторний ключ (>СТК), є тією елементом перетворювача, який управляє процесами перетворення. Специфіка перебігу цих процесів потребує докладнішого розгляду засад роботиСТК та її елементної бази щодо забезпеченнянадежности електропривода загалом. Розглянемо класичну схему одного плеча перетворювача. На рис. 2.1 представлена схема такого плеча та показано електромагнітні процеси, які у ньому включення і вимиканні транзистора. Класична теорія динамічних процесів виділяє чотири комутаційних інтервалу під час роботи плеча наактивно-индуктивную навантаження, два включення транзистора і двоє при вимиканні. При включенні транзистора виділяються етап відновлення діода в фазі високої зворотної провідності (>t1 на рис. 2.1) і етап встановлення стаціонарного стану силового високовольтного транзистора (>t2 на рис. 2.1). У першому з відзначених етапів по ланцюга «>транзистор-диод» протікає значний струм, котрі можуть перевищити номінальний у кілька разів. У цьому напруга на транзисторі залишається рівним напрузі харчування. Цей етап є найнебезпечнішим для транзистора. З другого краю етапі струм зменшується до номінального за одночасного зменшенні напруги на транзисторі. При вимиканні транзистора виділяються етап розсмоктування неосновних носіїв заряду в колекторі силового високовольтного транзистора (>t3 на рис. 2.1) і етап спаду струму колектора силового транзистора і включення діода (>t4 на рис. 2.1). На всіх відзначених інтервалах комутації в транзисторі ідиоде виділяється значна потужність. Цю потужність, що визначає динамічні втрати упреобразователе, треба вміти визначати у тому, щоб матимуть можливість впевнено будувати висновки про надійності його роботи.

Підтвердження вищесказаного представлене рис. 2.2, де на кількох прикладі показані втрати у транзисторі трифазногоинвертора зШИМ включення і вимиканні. Як транзисторівинвертора було використаноIGBT транзистори типуHGTG24N60D1D, напруга харчуванняинвертораU=600 V, вихідна потужністьинвертора дорівнювала 50 кВт.

Малюнок 2.1. Динамічні процеси перемиканняСТК

Малюнок 2.2. Динамічні втрати у транзисторіСТК

Крім необхідності розрахунку потужності динамічних втрат є і інших чинників, які треба приймати до уваги під час проектування перетворювача.

Технологія виготовлення силових транзисторів досі вимагає застосування спеціальних заходів задля забезпеченнянадежной роботиСТК. У цьому звичайно припадає виконувати завдання, пов'язані і з зменшенням статичних і динамічних втрат надходжень уСТК, і забезпеченням області безпечної роботи (>ОБР) силового транзистора.

При побудові високовольтнихСТК основним вимогою є забезпечення траєкторії перемикання силового транзистора у сфері безпечної роботи. Відомо, що причиною виходу з експлуатації транзистора є вторинний пробою (ВП), що виникає включення і вимиканніСТК.

ТиповаОБР силового транзистора (СП), побудованалогарифмическом масштабі, зображено на рис. 2.3. ЦяОБР має чотири кордону, кожна з яких відповідає граничним параметрами СП.

Малюнок 2.3. Область безпечної роботи силового транзистора

Кордон 1 відповідає максимальному току колектора як насичення.Пробой транзистора межах 1 і 2 відповідає електричним режимам, у яких температура структури транзистора сягає гранично припустимого значення.

Кордон 3ОБР відповідає наступові в приладі вторинного пробою (ВП). Під ВП мається на увазі локальний саморозігрів структури, що призводить допроплавлению переходу транзистора.

Області локальногосаморазогрева дістали назву «гарячих плям».

При ВП однорідне розподіл струму через транзистор змінюється неоднорідним. У цьому виникає позитивний зворотний зв'язок, коли він збільшення локальної щільності струму викликає збільшення температури у цій галузі, що у своє чергу викликає ще більший збільшення щільності струму тощо. На рис. 2.4 за приклад наведено області безпечної роботи реальних транзисторів фірмFuji і Toshiba.

Малюнок 2.4. РеальніОБР транзисторів

Длянадежной захистуСТК при переключенні своєю практикою необхідно або визначатипредпробойное стан силового транзистора і вчасно приймати заходи для її захисту, або явно управляти транзистором те щоб не виходив ізОБР.

Звісно, кращий перший шлях забезпеченнянадежностиСТК, але тут виникають дві складності. По-перше, ВП розвивається досить швидко і захист має бути досить швидкодіючої. По-друге, дуже складно зареєструватипредпробойное стан транзистора і прийняти своєчасні заходи для її запобіганню. Такий спосіб можливо реалізувати тільки до процесу включенняСТК, виходячи з деформації вхідних вольт-амперних характеристик.

З погляду простоти схемної реалізації найзручнішим виявляється критерій, дозволяє визначити кордонОБР по різкого зростанню струму колектора. І тутСТК включається на 1–2 мкс, після чого визначається струм через силовий транзистор. Якщо це струм перевищує критичне значення, то надходить команда на вимикання силового транзистора, якщо ні – силовий транзистор залишаєтьсявключенним.

Час розвитку ВП приизотермическом процесішнурования струму (у процесі вимикання) становить кілька десятків наносекунд, тому практично немає схемна можливість виявитипредпробойное стан і вжити заходів для його запобіганню.

Задля більшоїнадежной роботи силового транзистора призапирании нині використовують у основному три розімкнутих способу управління.

Перший зводиться до автоматичної регулюванню управляючого струму із забезпеченням заданої початковійфорсировки і відстеженням малої глибини насичення вихідного транзистора

Такий спосіб найбільш просто реалізується ланцюгом нелінійноїдиодной зворотний зв'язок, що охоплює управляючий транзистор (рис. 2.5 а).

Малюнок 2.5. Схеми захисту силового транзистора

Другий спосіб, який би форсоване вимикання силового транзистора, ефективно реалізується у каскадної схемою сполук високовольтного і низьковольтного транзисторів (рис. 2.5 б)

У цьомунизковольтний транзистор входить у ланцюгемиттера високовольтного транзистора.

На рис. 2.6 приведено схема, де реалізуються обидва розглянутих способу. Цю схему вважатимуться самоїнадежной з погляду забезпеченняОБР, проте, зайвий транзистор у силовий ланцюга, особливо в великих токах, робить їїмалопривлекательной для проектувальників.

Малюнок 2.6. Універсальна схема захисту силового транзистора

Нарешті, третій спосіб забезпеченнянадежной захистуСТК призапирании зводиться для використання ланцюгів формування траєкторії вимикання.

Приклади виконання ланцюгів формування траєкторії (>снаберов) для силовий транзисторної стійки наведено на рис. 2.7. Але тут наведено траєкторії перемикання силових транзисторів.

Малюнок 2.7.Демпфирующие ланцюгаСТК


ПростаRC-цепочка (рис. 2.7 а) звичайно влаштовує проектувальників, т. до. допускає значне перевищення напруги на колекторі транзистора у процесі замикання.

>Типовим рішенням є схема,приведенная на рис. 2.7 б.

Тут ефективне обмеженняколлекторного напругиСТК в початковий період замикання забезпечується діодом,шунтирующим розрядне опір.

Обмеженняколлекторного напруги призапирании забезпечується рахунок вибору досить великийемкостидемпфирующего конденсатора.

Цей конденсатор заряджається після замикання силового транзистора до напруги джерела харчування, а при наступному включенніСТК повністю розряджається через розрядне опір. Остання обставина зумовлює досить великих втрат удемпфирующих ланцюгах. Уникнути їх можна, застосувавши схему (рис.2.7в), де конденсатор завжди знаходиться під напругою харчування і стабілізує напруга на колекторі, зрізуючи комутаційний викид при вимиканніСТК. Це підвищує надійність, але з виключає повністю можливість виникнення ВП.

Найефективнішою єдемпфирующая ланцюжок за схемою рис. 2.7 р. Тут ємність С1 вибирається досить малої, т. до. вона формує фронт вимиканняСТК, а ємністьС2 вибирається досить великий. Через війну обмежуються одночасно пікколлекторного напруги, втрати уСТК і вдемпфирующих ланцюгах.

Вибірдемпфирующей ланцюжка залежить та умовами робітСТК.

Задля ефективної роботидемпфирующих ланцюгів необхідно певний час, протягом якого конденсатор розряджається черезСТК, готуючи умови на подальше його вимикання.Отмеченное вимога часто вже не вдається реалізувати приШИМСТК, саме така модуляція використовується при управліннітранзисторним силовим перетворювачем в системах електропривода. Тому застосуваннядемпфирующих ланцюгів може бутинерезультативним і треба звернутися до розглянутим вище способам управлінняСТК.

Деякі модифікаціїдемпфирующих ланцюгівСТК представлені на рис. 2.8.

Малюнок 2.8. Схеми формування траєкторіїСТК

На рис.2.8а розрядний струмдемпфирующего конденсатора С1 використовується для початковійфорсировки струму базиСТКVT2. Це дозволить зменшити час включення СП і включення.

У схемою рис.2.8б реалізується форсоване включенняСТК рахунок розряду конденсатора по ланцюгаC1-R1-VT1-VT2 та підтримка малої глибини насичення СПVT2 рахунок ланцюгаVD1,VT1.

2.2Транзисторние перетворювачі керувати двигунами постійного струму

Принципи побудови та управління

Як зазначалося, у разі використовуєтьсяширотно-импульсний перетворювач.Упрощенная принципова схемаШИП представлена на рис. 2.9. Вона має чотири транзисторних ключаТК1-ТК4. У діагональ мосту, освіченоготранзисторними ключами, включена навантаження.Нагрузкой вприводах постійного струму є двигун постійного струму. Уелектроприводах двигун постійного струму управляється, зазвичай, по ланцюга якоря, оскільки за такому управлінні можна отримати необхідні якісні показники приводу. ХарчуванняШИП здійснюється джерела постійного струму,шунтированного конденсатором.

Найпростіший засіб керуванняШИП по ланцюга якоря – симетричний. При симетричному способі управління у стані перемикання знаходяться практично всі чотири транзисторних ключа мосту, а напруга не вдомаШИП єзнакопеременние імпульси, тривалість яких регулюється вхідним сигналом. УШИП з симетричним управлінням середнє напругаUh не вдомаШИП одно нулю, коли відносна тривалість включення у0 = 0,5. Тимчасові діаграмиШИП за симетричного способі управління наведено на рис. 2.9.Симметричний засіб керування зазвичай використовують у

Схожі реферати:

Навігація