Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

R

C

H

H

.

I ² R

+ I ² R

R

+ R

C H

C O

H

O

Здесь к.п.д. стремится к единице при высокоомных нагрузках, биполярные же при

прочих равных условиях выгоднее, как было показано ранее, при высоковольтных.

Схема типового ключа на МОП транзисторе

представлена на рис.2.7. Здесь вычислительное ядро

ВЯ также, как и на рис.2.4 гальванически развязано от

объекта управления и имеет питание +U_ВЯ. Если на

выводе присутствует логическая единица (U>2.4B),

ток через светодиод оптопары DA1 не идет и база фо-

тотранзистора не освещена. Резистор R2 ограничивает

темновой ток фототранзистора, поэтому на затворе

VT1 уровень напряжения близок к нулю и транзистор

закрыт.

Напряжение на затворе определяется произве-

Рис.2.7. Схема ключа на МОП тран-

дением остаточного темнового тока (порядка 0.1 мА)

зисторе.

на значение сопротивления R3. В тоже время, при сиг-

н але Вкл0=0, протекающий по R3 ток должен создавать напряжение на затворе, достаточное для надежного открытия ключа и не перегрузить фототранзистор (обычно 10…20 мА). Вид-но, что схема получилась заметно проще, чем на рис.2.5 и надежнее из-за устойчивости теп-лового равновесия.

IGBT транзисторы . В большинстве случаев биполярные транзисторы оказываются более выгодными не только экономически, но и энергетически. Редко, когда мощные нагрузки питают напряжением меньше 24 В, обычно это100 и более вольт, значит КПД дешевого бипо-лярного ключа гарантированно 0,99 и более. Одна беда – тепловое равновесие. В конце 80-х годов прошлого века были созданы IGBT транзисторы (Isolated Gate Bipolar Transistor) – бипо-лярные транзисторы с изолированным затвором, совместившие в себе независимое от тока на-

грузки падение напряжения на выход-ном биполярном транзисторе и просто-ту управления вместе с устойчивым те-пловым равновесием полевого. По сво-им частотным свойствам IGBT транзи-сторы близки к биполярным и имеют допустимые динамические потери при частотах переключения до 50…100 кГц.

В основе IGBT – составной би-полярный транзистор, базовый ток ко-торого формируется МОП транзисто-ром (рис.2.8). Управление подается на его затвор. При подаче положительно-го напряжения на затвор формируется

ток между стоком и истоком, поступающий в базу p-n-p транзистора. Открываясь, этот тран-зистор формирует ток базы n-p-n транзистора, а он дополнительно открывает p-n-p, посколь-

49

ку включен между его коллектором и базой. Параметры транзисторов и внутреннего рези-стора подобраны так, что при снятии напряжения с затвора IGBT закрывается. Эмиттер p-n-p транзистора выполняет функции коллектора IGBT, поскольку подключен к положительному потенциалу. В различной литературе Вы можете увидеть разные символические обозначения этого транзистора, как показано на рис.2.8, б)…г).

Благодаря тому, что сопротивление канала имеет положительный ТКС, локального перегрева переходов p-n-p и n-p-n транзисторов не наблюдается. При повышении плотности тока в каком либо месте перехода, возрастающая температура приводит к сокращению по-ступающего туда тока полевого транзистора.

Статический коэффициент полезного действия ключа на IGBT рассчитывается так же, как и КПД ключа на биполярном транзисторе:

η_K = ^{U H}_U⁻_H^UК .

IGBT широко используются для изготовления интегральных инверторов - двуполярных ключей, способных формировать положительные или отрицательные импульсы. Трехфазные ин-верторы применяют для частотной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигате-лей. На рис.2.9 показано формирование одного из трех фазных напряжений (фазы А ).

таком инверторе переменное трехфазное сетевое напряжение частотой 50Гц сначала выпрямляется. Затем, в течение первого полупериода фазного напряжения, управляющие импульсы подаются на затвор одного из двух IGBT транзисторов (на рис.2.9 - G2), формируя на выходе А напряжение требуемой полярности (на рис.2.9 – отрицательной).

течение второго полупериода – на затвор второго транзистора (G1). Заданный период фазного напряжения определяет скорость вращения двигателя. Частота следования импульсов составляет несколько десятков килогерц (обычно 20..50 кГц). Ширина этих импульсов t в течение полупериода фазного напряжения соотносится таким образом, что после их фильтрации и сглаживания на индуктивной нагрузке формируется синусоидальное фазное напряжение заданной частоты.

Рис.2.9. Трехфазный IGBT инвертор.

Для регулировки тока и напряжения с целью поддержания момента на валу двигателя, используется скважность импульсов - отношение длительности импульса t к его периоду T. Таким образом формируются три фазных напряжения А, В и С, сдвинутые друг относительно друга на 120°.

Управляет инвертором специализированный микроконтроллер (МК), на вход которого подается управляющий сигнал, определяющий скорость вращения двигателя. МК, исходя из заданной скорости вращения, рассчитывает длительности импульсов t и управляет затворами IGBT инверторов. При скалярном управлении поддерживается постоянное отношение заданной частоты и формируемой амплитуды фазного напряжения. Такое управление применяют обычно для слабо меняющихся нагрузках на валу (насосы, вентиляторы и т.п.). В более сложных случаях при переменных и ударных нагрузках применяют уже векторное управление. При этом учитывается положение ротора двигателя.

Рис.2.11. Способы управления симистором: а) фазо-импульсное; б) широтно-импульсное

50

Это сравнительно просто решается введением датчиков углового положения ротора (энкодеров). В современных локальных регуляторах скорости вращения векторное управление реализуют уже без энкодеров, благодаря автонастройке и формированию в МК модели конкретного привода, которая и используется для последующего управления инвертором.

Тиристоры и симисторы. Тиристор представляет из себя прибор с двумя устойчи-выми состояниями с чередованием слоев p-n-p-n. На рис.2.10, а) представлено его схемотех-ническое обозначение. При подаче на управ-ляющий электрод положительного потенциа-ла, тиристор открывается и сохраняет свое состояние , если управляющий потенциал снят. Для выключения тиристора необходимо

Рис.2.10. Схемотехническое обозначение: снять анодное напряжение. Проводит ток ти-а) тиристора; б) симистора. ристор, как и диод, в одну сторону.

На рис.2.10, б) представлено схемотех-ническое обозначение симистора, по своей сути, являющегося встречно-параллельным включе-нием двух тиристоров. В нем уже семь слоев, этот прибор проводит в обоих направлениях и пре-красно коммутирует переменный ток. Некоторые тиристоры и симисторы устойчивого состоя-ния не имеют и выключаются не снятием анодного напряжения, а управляющим сигналом, по-этому способны коммутировать постоянный ток. Такие приборы со встроенной оптронной раз-вязкой получили название твердотельных реле.

Серийно выпускаются тиристоры и симисторы с током в несколько сотен ампер и на-пряжением до 1000В. В иностранной литературе тиристоры и симисторы иногда обобщенно называют триаками. Этот термин используется в переводах и перекочевал в русскоязычную литературу.

Тиристоры и симисторы обычно используют для регулирования мощности в нагрузке. Различают фазоимпульсное и широтно-импульсное управление. При фазоимпульсном управлении (рис.2.11, а) некоторое устройство, называемое сетевым таймером, фиксирует

моменты прохождения сетевого напря-жения Uc через ноль и формирует по-следовательность импульсов St. Для формирования требуемой мощности в нагрузке система управления через за-данную задержку t_зд формирует им-пульсы открытия тиристорных или си-мисторных ключей Ду. Чем больше за-держка, тем меньше будет уровень мощ-ности, выдаваемой в нагрузку. Недоста-ток фазоимпульсного управления – не-линейность зависимости мощности от времени задержки, хотя микропроцессо-ру вполне по плечу задача линеари-зации.

При широтно-импульсном управлении (рис.2.11, б) выбирается не-который интервал регулирования Т, в течении которого: на время То нагрузка подключена к сети, либо источнику по-

стоянного напряжения, на время, оставшееся до конца интервала регулирования – отключе-на. Выделяемая в нагрузке мощность составит:

N = N_m ^T_T^O ,

Характеристики

Список файлов книги