Способы реализации импульсных элементов (ключей).

Импульсные элементы (бесконтактные ключи) могут быть реализованы на базе тиристоров или силовых транзисторов, работающих в режиме переключения.

Тиристоры являются приборами с неполной управляемостью, поэтому для выключения тиристора, включенного на постоянное напряжение, необходимо использовать искусственную коммутацию, для чего в коммутирующем устройстве должен быть элемент, запасающий энергию в виде электрического или магнитного поля (емкость, или эл. магнитный элемент). Эта энергия используется для выключения тиристора, проводящего ток.

4.2.1. Импульсные преобразователи на тиристорах.

Известно большое число схем тиристорных ключей, обеспечивающих импульсное регулирование напряжения постоянного тока. Современные тиристоры допускают большую частоту включений и выключений, доходящую до десятка кГц. Поэтому тиристорные ключи получили применение в электроприводе постоянного тока. Они широко используются, например, на подвижных объектах с питанием от аккумуляторных батарей- на аккумуляторных электровозах, электромобилях, электрокарах.

Оптимальная частота импульсных регуляторов составляет примерно 100 - 400 Гц.

Наиболее простой вариант тиристорного ключа представлен на рис 65. Здесь используется искусственная коммутация с помощью коммутирующей емкости C_к, подключаемой параллельно тиристору V_s1 другим тиристором V_s2. Ключ работает следующим образом:

Когда включен рабочий тиристор V_s1, нагрузка (якорь двигателя М) оказывается подключенной к напряжению U_пит. Под действием напряжения на нагрузке заряжается конденсатор C_к по цепи: верхняя щетка М-R₁-C_к - нижняя щетка М - с полярностью, указанной на рисунке.

После заряда C_к в момент, когда подан управляющий импульс на V_s2, он включается, подключая C_к параллельно V_s1 .

Ток разряда конденсатора течет в направлении, противоположном прямому току вентиля V_s1 , вызывая его выключение. Значение сопротивления R₁ выбирается из расчета, чтобы ток V_s2 был меньше тока удержания этого тиристора. Это означает, что после разряда емкости C_к и выключения V_s1 тиристор V_s2 тоже выключится. Наступит пауза, когда ток якоря под действием ЭДС самоиндукции замыкается через неуправляемый вентиль V_D. Приведенная схема является наиболее простой и наглядной схемой тиристорного ключа.

Основным недостатком этой схемы является ее неустойчивая работа в переходных режимах, при быстрых нарастаниях тока.

Значительно лучшие эксплуатационные характеристики имеет тиристорный ключ, схема которого представлена на рис 66.

Здесь искусственная коммутация осуществляется с помощью колебательного контура. Работа ключа осуществляется следующим образом: при включении схемы на напряжение U_п происходит заряд емкости C_к по цепи + U_п - L- C_к - L_к- V_D1 - М- - U_п .

Полярность заряда емкости показана сверху. В момент подачи управляющего импульса на V_s1 этот тиристор включается и начинается время рабочего импульса. При этом заряд на емкости C_к сохраняется, т.к. цепи для ее разряда- нет. Когда наступит время выключения рабочего импульса, т.е. выключения тиристора V_s1 , подают управляющий импульс на тиристор V_s2 . Появляется цепь разряда емкости C_к : C_к + -V_s1 - V_s2 - L_к- C_к -. Рассмотренный контур является колебательным контуром с высокой добротностью. В нем есть емкость C_к и индуктивность L_к . Что же касается активных сопротивлений, то они представлены двумя тиристорами в открытом состоянии. Эти сопротивления очень малы, чем и объясняется высокая добротность контура.

Частота свободных колебаний этого контура во много раз (до двух порядков) превышает частоту рабочих импульсов. Колебательный процесс в контуре вызывает перезарядку емкости C_к (полярность указана в скобках). Затем наступает второй полупериод колебания. Ток проходит по цепи: C_к (+)- L_к-V_D1 - V_s1 -C_к (-). Этот ток выключает тиристор V_s1 , а также во время этого полупериода выключается тиристор V_s2 .

Индуктивность L осуществляет обратную положительную связь между величиной тока нагрузки и уровнем заряда емкости C_к после выключения тиристора V_s1 за счет ЭДС самоиндукции в этой индуктивности.

Эта положительная обратная связь обеспечивает устойчивость работы ключа в переходных режимах.

Как было сказано ранее, в литературе описано большое число тиристорных ключей, работающих на различных принципах. мы Описали два вида ключей, работу которых мы опробовали на практике.

4.2.2. Импульсные преобразователи на транзисторах.

В отличие от тиристора транзистор- полностью управляемый полупроводниковый прибор, поэтому возможности, свойства и особенности импульсных преобразователей на этих приборах во многом отличаются от тиристорных преобразователей. Если перечислить требования, которым должны удовлетворять полупроводниковые преобразователи, то окажется, что в наибольшей степени этим требованиям отвечают транзисторные преобразователи. Эти требования следующие:

Двусторонняя проводимость энергии между источником питания и двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, что обеспечивает его работу во всех квадрантах механической характеристики;

Малое и не зависящее от тока выходное сопротивление для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и динамических характеристик электропривода в целом;

Малая инерционность;

Высокий КПД;

Высокая перегрузочная способность для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода;

Высокая надежность и помехозащищенность;

Малая масса и габариты;

Слабое влияние на сеть.

Основой транзисторных широтно- импульсных преобразователей (ШИП) является силовой транзисторный ключ, который представляет собой функционально законченное устройство, содержащее схемы развязки, усиления и защиты. В настоящее время структура и построение транзисторных ключей, их конструктивная и схемная реализация разработаны достаточно полно. Один из возможных вариантов транзисторного ключа представлен на рис 67.

Схема содержит выходные транзисторы V_т5 и V_т6, включенные по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона).

Обратный диод V_D2, включенный параллельно выходному каскаду транзисторного ключа, служит для создания пути тока нагрузки в ШИП.

Предвыходной каскад выполнен на транзисторах V_т1 - V_т4, каскад согласования управляющих сигналов и сигналов защиты с предвыходным усилителем выполнен на микросхеме D. Схема транзисторного ключа содержит также устройство защиты по току Б3 и каскад гальванической развязки ГРУ. Питание предвыходного усилителя, устройств управления и защиты осуществляется от отдельного симметричного источника со средней точкой.

Работа силового транзисторного ключа осуществляется следующим образом:

При отсутствии управляющих импульсов ( U_упр. = 0) на выходе ГРУ и БЗ имеет место логическая единица, выходной транзистор схемы совпадения D ( V_вых) открыт, транзисторы V_Т1 -V_Т3 заперты, а транзистор V_Т4 открыт. При этом по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет запирающий ток. При подаче сигнала управления на ГРУ ( U_У = 1) отпираются транзисторы V_Т1 -V_Т3 , запираются транзистор V_Т4 и по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет отпирающий базовый ток, т.е. транзисторный ключ оказывается в открытом состоянии.

При превышении током через транзисторный ключ заданного уровня сигнал, поступающий с измерительного резистора R_изм на вход БЗ, переводит его в открытое состояние (логический нуль на выходе). Этот сигнал запирает транзисторный ключ. Импульсы, частотой 10-30 кГц, поступающие на синхронизирующий вход БЗ, переводят его в исходное (нормальное) состояние, в котором он и останется, если устранилась причина, вызвавшая недопустимый ток. В противном случае сигнал с резистора R_изм вновь переведет БЗ в аварийное состояние. Таким образом, ток транзисторного ключа окажется ограниченным на определенном уровне. Вентиль V_D2 , включенный параллельно выходному каскаду транзисторного ключа, служит для создания пути тока нагрузки, протекающего под действием ЭДС самоиндукции при прерывании цепи тока другим транзисторным ключом. Подробнее этот процесс будет рассмотрен ниже.