Анализ законов коммутации ключей мостовой схемы импульсного преобразователя

встречно-параллельным включением по выходу. Мостовая схема обеспечивает генераторное торможение машины и увеличивает быстродействие привода.

Для обеспечения линейных статических характеристик системы ВП-ДПТ нужно так коммутировать транзисторы мостовой схемы, чтобы в якоре двигателя протекал переменный ток. Всякое отступление от этого условия приводит к появлению нелинейности статических характеристик системы ВП-ДПТ.

При формировании ВП на выходе однополярных прямоугольных импульсов напряжения уменьшаются пульсации тока якоря, дополнительные потери мощности, повышается надежность вентильного преобразователя и привода в целом. Поэтому мостовая схема вентильного преобразователя, несмотря на большое число элементов силовой части, находит широкое применение в реверсивных электроприводах постоянного тока.

Литература

1. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.

2. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.

ОХОТКИН ГРИГОРИЙ ПЕТРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, декан факультета радиотехники и электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (elius@list.ru).

OKHOTKIN GRIGORY PETROVICH - doctor of technical sciences, professor, dean of Radio Engineering and Electronics Faculty, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

РОМАНОВА ЕВГЕНИЯ СЕРГЕЕВНА - магистрант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (oborotnya@gmail.com).

ROMANOVA eVgENIA SERGEEvNa - master’s program student of Industrial Electronics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

УДК 62-83: 621.314.632 ББК 31.291

Г.П. ОХОТКИН, Е.С. РОМАНОВА

АНАЛИЗ ЗАКОНОВ КОММУТАЦИИ КЛЮЧЕЙ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Ключевые слова: импульсный преобразователь постоянного напряжения, мостовая схема импульсного преобразователя, законы коммутации ключей.

Дан анализ законов коммутации ключей импульсных преобразователей. Установлено, что наиболее эффективной является поочередная несимметричная коммутация транзисторов. Для предотвращения сквозных токов в силовой схеме предложено формировать неперекрывающиеся импульсы управления ключами.

G.P. OKHOTKIN, E.S. ROMANOVA ANALYSIS OF KEY SWITCHING LAWS FOR BRIDGE CIRCUIT OF PULSE CONVERTER

Key words: pulse converter of DC voltage, the bridge circuit ofpulse converter, the laws of switching keys.

The laws analysis of keys switching of pulse converters is given. It is established, that the most effective is serial asymmetrical switching of transistors. To prevent cross-cutting currents in the power scheme, it is offered to form some not blocked impulses of keys control.

При построении высококачественного реверсивного электропривода постоянного тока находит широкое применение мостовая схема импульсного преобразователя (рис. 1, а). Мостовая схема, выполненная на четырех транзисторах с обратными диодами, позволяет создавать реверсивный (четырехквадрантный) импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИППН) с высокой частотой и разнообразными законами коммутации силовой цепи, обладающий высокими энергетическими показателями, хороши-

ми регулировочными характеристиками, практической безынерционностью и хорошей перегрузочной способностью. По точности и диапазону регулирования выходного напряжения ИППН не уступают лучшим системам непрерывного регулирования, а по экономичности, массо-габаритным и динамическим показателям намного превосходят их.

Известно множество различных законов коммутации транзисторов мостовой схемы ИППН [1-4]. На практике наибольшее применение получили: закон симметричной коммутации; закон несимметричной коммутации; диагональная коммутация.

Сначала рассмотрим симметричный закон коммутации транзисторов моста (рис. 1, б, в).

При симметричной коммутации транзисторы, находящиеся в разных диагоналях, переключаются в противофазе, т.е. если замкнуты транзисторные ключи ¥71 и ¥74, то разомкнуты - ¥72 и ¥73, и наоборот (рис. 1, а). При симметричной коммутации знакопеременные управляющие импульсы подаются на все транзисторы моста: сначала отпирающие импульсы подаются на транзисторы ¥71 и ¥74, запирающие - на транзисторы ¥72 и ¥73, а затем наоборот (рис. 1, б).

При замкнутых ключах ¥71 и ¥74 полярность напряжения на якоре двигателя одна (положительная), а при замкнутых ключах ¥72 и ¥73 -другая (отрицательная). Поскольку амплитуды импульсов положительной и отрицательной полярности выходного напряжения ИППН одинаковы и равны ип, то при одинаковых длительностях этих импульсов среднее напряжение на якоре машины М равно нулю. В связи с тем, что ключи моста переключаются высокой частотой (более 2 кГц), якорь электродвигателя вследствие своей инерции практически неподвижен. Изменяя относительное время замкнутого состояния ключей в противоположных диагоналях моста, можно изменять величину и знак среднего значения напряжения, приложенного к якорю электродвигателя, т.е. изменять величину и направление угловой скорости его вращения.

При симметричной коммутации схема может работать в режимах постоянного (рис. 1, б) и переменного токов (рис. 1, в). При номинальной нагрузке на валу двигателя схема формирует постоянный ток, а при небольшой нагрузке или в режиме холостого хода формирует переменный ток якоря.

При симметричной коммутации транзисторов моста напряжение на обмотке якоря имеет форму знакопеременных прямоугольных импульсов. Это вызывает пульсации тока якоря. В режиме постоянного тока поведение якорной цепи рис I

силовой схемы описывается дифференциальным уравнением с разрывной правой частью в виде

, Сія д . Е _(ип, при открытых УТ1 и УТ4 или УБ\ и УБ4, я Сґ + Яя + я _ '_ ип, при открытых УТ2 и УТ3 или УБ2 и УБ3, где Ья - индуктивность якорной цепи; Яя - активное сопротивление якорной цепи; Ея = КФю - противо-ЭДС машины; К - конструктивная постоянная машины; Ф -магнитный поток машины; ю - угловая скорость машины.

Из уравнения (1) определяем скорости изменения тока якоря на нарастающем и спадающем участках при заторможенной машине Ея = 0 и Яя = 0. На нарастающем участке скорость изменения тока якоря равна: Сія /Сґ = ип /Ь„, а на спадающем участке - Сія /Сґ = -Пп /Ья. Скорости изменения тока якоря на нарастающем и спадающем участках равны между собой, поэтому имеем максимально возможные пульсации тока якоря. Пульсации тока якоря приводят к тепловым потерям мощности в машине. При симметричной коммутации эти потери мощности максимальны.

Поскольку все четыре транзистора моста коммутируются одновременно, могут одновременно существовать сквозные токи в обеих стойках моста. Это является следующим недостатком рассматриваемого закона коммутации.

Преимуществом закона симметричной коммутации является то, что одновременная коммутация всех четырех транзисторов моста при прочих равных условиях увеличивает его коэффициент передачи в два раза, чем при других законах коммутации.

Подробнее рассмотрим формирование переменного тока. В момент времени ґ = ґ1 (рис. 1, в) включаются транзисторы УТ1 и УТ4 диагонали моста. При этом под воздействием входного напряжения ип ток якоря двигателя начинает расти по экспоненциальному закону в цепи: зажим плюс источника питания - транзистор УТ1 - реактор Ьр - якорь электродвигателя - транзистор УТ4 - зажим минус источника питания. В момент времени ґ = ґ2, когда ток якоря достигнет значения ія = /тах, выключаются транзисторы УТ1 и УТ4, и под действием ЭДС-самоиндукции реактора якорной цепи включаются диоды УБ2 и УО3. При этом ток якоря двигателя начинает спадать в цепи: реактор Ьр - якорь электродвигателя - диод УБ2 - зажим плюс конденсатора С - зажим минус конденсатора С - диод УБ3. После спада тока якоря до нуля в момент времени ґ = ґ3 диоды УБ2 и УБ3 выключаются и включаются транзисторы УТ2 и УТ3. При этом ток якоря начинает нарастать в обратном направлении в цепи: зажим плюс источника питания - транзистор УТ2 -якорь электродвигателя - реактор Ьр - транзистор УТ3 - зажим минус источника питания. После достижения тока якоря значения ія = -/'тах в момент времени ґ = ґ4 выключаются транзисторы УТ2 и УТ3 и включаются диоды УБ1 и УБ4. При этом ток якоря начинает спадать в цепи: реактор Ьр - диод УБ1 - зажим плюс конденсатора С - зажим минус конденсатора С - диод УБ4 - якорь электродвигателя. Далее процессы циклически повторяются в режиме переменного тока якоря.

Непрерывный переменный ток якоря обеспечивает линейность статических характеристик системы вентильный преобразователь (ВП) - двигатель постоянного тока (ДПТ). Линейность статических характеристик и относительно простая схема управления транзисторами моста являются основными достоинствами закона симметричной коммутации.

Далее рассмотрим закон диагональной коммутации транзисторов моста. При диагональной коммутации осуществляется раздельное управление транзисторами, находящимися в разных диагоналях. При этом управление осуществляется либо одним из ключей диагонали при замкнутом другом, либо одновременно двумя ключами. Поэтому для удобства изучения процессов в схеме диагональную коммутацию подразделяем на классическую, диагональную с переключением одного ключа и поочередным переключением ключей.

При классической диагональной коммутации управляющие импульсы подаются на оба транзистора диагонали моста работающего комплекта, а транзисторы диагонали не-

работающего комплекта закрыты. Например, для направления вращения «Вперед» управляющие импульсы подаются на транзисторы VT1 и VT4, а для направления вращения «Назад» - на транзисторы VT2 и VT3.

В момент времени t = 0 включаются транзисторы VT1 и VT4 диагонали моста (рис. 1, а). При этом под воздействием входного напряжения ип ток якоря двигателя начинает расти по экспоненци-

Цэ 1

Ub3

альному закону (рис. 2, а) в цепи: зажим плюс источника питания - транзистор VTI -реактор Lp - якорь электродвигателя - транзистор VT4 -зажим минус источника питания. После достижения тока якоря максимального значения выключаются транзисторы VT1 и VT4, что приводит к появлению ЭДС-самоиндук-ции в силовой части схемы.

Под действием ЭДС-самоин-дукции открываются диоды VD2 и VD3, и ток в цепи якоря двигателя начинает спадать в цепи: реактор Lp - якорь электродвигателя - диод VD2 -зажим плюс конденсатора С -зажим минус конденсатора C - диод VD3 - реактор Lv.

После достижения тока якоря минимального значения снова включаются транзисторы VTX и VT4. Далее процессы повторяются циклически в режиме непрерывного тока (РНТ, рис. 2, а).

В режиме прерывистого тока (РПТ) (рис. 2, б) появляется интервал бестоковой паузы, на котором все диоды и транзисторы моста выключены, а напряжение на якоре двигателя равно противо-ЭДС ия = Ея.

Недостатками закона классической диагональной коммутации являются: большие пульсации тока якоря, вызывающие значительные тепловые потери мощности в машине, нелинейные статические характеристики системы ВП-ДПТ, повышенные дополнительные потери мощности в режиме прерывистых токов. Преимуществом этого закона является относительно простая схема управления транзисторами моста.

Рис. 2

г

При диагональной коммутации с переключением одного ключа управляющие импульсы подаются на один из транзисторов диагонали моста при постоянно открытом другом. Например, для направления вращения «Вперед» управляющие импульсы подаются на VT1 верхний транзистор моста, а нижний транзистор VT4 открыт (рис. 2, в).

При диагональной коммутации с переключением одного ключа схема может работать в режимах непрерывного (рис. 2, в) и прерывистого токов (рис. 2, г). Временные диаграммы работы схемы моста аналогичны временным диаграммам работы схемы простейшего вентильного преобразователя, выполненного на одном регулирующем транзисторе и обратном диоде.

После включения транзистора VT1 при открытом VT4 в момент времени t = 0 под воздействием входного напряжения ип ток якоря двигателя начинает возрастать по экспоненциальному закону (РНТ, рис. 2, в). Когда ток якоря достигнет значения ія = Inax, выключается транзистор VT1 и под воздействием ЭДС-самоиндукции открывается диод VD3. При этом якорная цепь двигателя оказывается закороченной ип = 0, и ток в цепи якоря двигателя начинает спадать по экспоненциальному закону. Скорость спада тока якоря на интервале закрытого состояния транзистора VT1 гораздо меньше скорости нарастания тока якоря на интервале включенного состояния транзистора. Поэтому в схеме пульсации тока якоря будут значительно меньше, чем при симметричной и классической диагональной коммутациях.

Регулирование тока якоря осуществляется схемой управления путем изменения длительности открытого состояния транзистора VT1. При небольших длительностях открытого состояния транзистора возникает режим прерывистого тока. В режиме прерывистого тока появляются интервалы бестоковой паузы (рис. 2, г), где напряжение на якоре двигателя равно противо-ЭДС ия = Ея. Это приводит к дополнительным потерям мощности в машине. Режим прерывистого тока приводит к появлению в статических характеристиках системы ВП-ДПТ нелинейных участков. Это снижает точность регулирования тока якоря и устойчивость контура тока.

К достоинствам закона диагональной коммутации с переключением одного ключа следует отнести небольшие пульсации тока якоря в схеме и относительно простую схему управления.

При диагональной коммутации с поочередным переключением ключей управляющие импульсы подаются в противофазе и поочередно на транзисторы диагонали моста. Например, на первом интервале дискретности управляющим является транзистор VT1 при постоянно открытом VT4, а на втором интервале дискретности наоборот - управляющим является транзистор VT4 при открытом VT1. Далее процесс поочередного управления транзисторами циклически повторяется. В результате этого суммарные потери мощности как на переключение транзисторов (динамические), так и статические потери мощности равномерно распределяются между транзисторами.

При диагональной коммутации с поочередным переключением ключей схема может работать в режимах непрерывного и прерывистого токов. Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 2, д и ж, они отличаются от временных диаграмм, приведенных на рис. 2, в и г процессом формирования управляющих импульсов. Временные диаграммы работы силовой схемы моста аналогичны временным диаграммам работы схемы при диагональной коммутации с переключением одного ключа.

Очевидно, что поочередная коммутация несколько усложняет схему управления транзисторами, так как требуется формировать две последовательности импульсов. При этом частоты управляющих импульсов оказывается в два раза ниже, чем частота импульсов напряжения на якоре двигателя.

Недостатками закона диагональной коммутации с поочередным переключением ключей являются: нелинейность статических характеристик системы ВП-ДПТ; повышенные дополнительные потери мощности в режиме прерывистых токов; низкая

точность регулирования тока якоря и устойчивость контура тока; сложная схема управления.

Достоинствами закона диагональной коммутации с поочередным переключением ключей являются: небольшие пульсации тока якоря; равномерное распределение между транзисторами диагонали моста суммарных потерь мощности, возникающих при переключении транзисторов.

Теперь рассмотрим закон несимметричной коммутации транзисторов моста. При несимметричной коммутации в противофазе переключаются транзисторные ключи, расположенные в одной из стоек мостовой схемы (VT1, VT3 или VT2, VT4). При этом один из двух других ключей замкнут, а другой разомкнут. Здесь имеется возможность либо переключать ключи, расположенные в одной стойке мостовой схемы, либо поочередно переключать ключи, расположенные в разных стойках. При переключениях транзисторов стойки моста возникают сквозные токи. Для предотвращения сквозных токов формируют неперекрывающиеся импульсы управления транзисторами. Так, возникают различные варианты законов несимметричной коммутации транзисторов моста, которые для удобства изучения подразделяются на законы: классической несимметричной коммутации; поочередной несимметричной коммутации; поочередной, исключающей сквозные токи несимметричной коммутации.

При классической несимметричной коммутации управляющие импульсы в про-тивофазе подаются на транзисторы, расположенные в одной стойке, а один из двух других замкнут. Например, для направления вращения двигателя «Вперед» переключаются ключи VT1 и VT3, а VT4 замкнут. При этом схема может работать в режимах постоянного (рис. 3, а) и переменного токов (рис. 3, б). Переключение транзистора VT1 с длительностью открытого состояния больше половины периода дискретности формирует пульсирующий постоянный ток в якоре машины (рис. 3, а). Напряжение на обмотке якоря двигателя при этом имеет форму однополярных прямоугольных импульсов, поэтому пульсации тока якоря в машине значительно меньше, чем при симметричной и классической диагональной коммутации транзисторов моста.

Переключение транзистора VT1 с длительностью открытого состояния меньше половины периода дискретности и транзистора VT3 в противофазе с ним формирует переменный ток в якоре электродвигателя (рис. 3, б). Транзистор VT1 формирует положительный импульс тока. После спада тока якоря до нуля в момент времени t = t3 открывается транзистор VT3, и под действием противо-ЭДС Ея начинает увеличиваться отрицательный ток якоря. После достижения тока якоря значения /я = -/'max (рис. 3, б) выключается транзистор VT3, открываются диоды VD1 и VD4, что приводит к уменьшению тока якоря. После спада тока якоря до нуля в момент времени t = t5 снова включается транзистор VT1, и процесс циклически повторяется.

Формируемый вентильным преобразователем переменный ток якоря обеспечивает линейные статические характеристики системы ВП-ДПТ. Небольшие пульсации тока якоря вызывают незначительные потери мощности в машине, чем при симметричной и классической диагональной коммутации транзисторов моста. Кроме того, повышается надежность ВП и привода в целом, так как сквозные токи в схеме одновременно возможны только в одной половине транзисторного моста.

Недостатком схемы ВП с несимметричной коммутацией транзисторов является то, что в регулирующих транзисторах VT1 и VT3 выделяются большие потери мощности при переключениях. Отмеченный недостаток может быть устранен путем реализации поочередной коммутации транзисторов.

При поочередной несимметричной коммутации в противофазе переключаются транзисторные ключи, расположенные в одной из стоек мостовой схемы (VT1, VT3 или VT2, VT4) и поочередно переключаются ключи другой стойки (VT2, VT4 или VT1, VT3) на каждом интервале дискретности. Например, для направления вращения дви-

гателя «Вперед» на первом интервале дискретности преобразователя переключаются ключи VT1 и VT3 при замкнутом ключе VT4, а на втором интервале дискретности также переключаются ключи VT1 и VT3 при замкнутом ключе VT2.

Схема может работать в режимах постоянного (рис. 3, в) и переменного токов (рис. 3, г). Временные диаграммы работы схемы с поочередной коммутацией отличаются от временных диаграмм работы моста с классической несимметричной коммутацией процессом формирования управляющих импульсов.

При поочередной несимметричной коммутации схемой управления транзисторами формируются четыре последовательности импульсов с частотой в два раза ниже, чем частота импульсов напряжения на якоре двигателя.

Недостатками закона поочередной несимметричной коммутации транзисторов моста являются: сложная схема управления транзисторами моста; наличие сквозных токов в схеме одновременно в двух стойках моста.

Достоинствами закона поочередной несимметричной коммутации транзисторов моста являются: линейность статических характеристик системы ВП-ДПТ; высокая точность регулирования тока якоря и устойчивость контура тока; небольшие пульсации тока якоря; равномерное распределение между транзисторами диагонали моста суммарных потерь мощности, возникающих при переключении транзисторов.

Для предотвращения сквозных токов в силовой схеме моста формируют непере-крывающиеся импульсы управления ключами, сохранив закон поочередной несимметричной коммутация. Временные диаграммы работы схемы с законом поочередной, исключающей сквозные токи, несимметричной коммутации приведены на рис. 4, а и б.

Временные диаграммы (рис. 4, а, б) отличаются от временных диаграмм работы моста с поочередной несимметричной коммутацией (рис. 3, в, д) только процессом формирования управляющих импульсов. Для формирования неперекрывающихся импульсов управления ключами система управления транзисторами контролирует ток якоря двигателя и содержит схему блокировки импульсов.

Недостатком закона поочередной, исключающей сквозные токи, несимметричной коммутации является сложная схема управления транзисторами моста.

Достоинства рассматриваемого закона полностью совпадают с достоинствами закона поочередной несимметричной коммутации транзисторов моста.

Литература

1. Быстродействующие электроприводы постоянного тока с широтно-импульсными преобразователями / М.Е. Гольц, А.Б., Гудзенко, В.М. Остреров и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 184 с.

2. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.

3. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С.Г. Герман-Галкин, В.Д. Лебедев, Б.А. Марков и др. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. 248 с.

4. Электропривод летательных аппаратов / В.А. Полковников, Б.И. Петров, Б.Н. Попов и др.; под общ. ред. В.А. Полковникова. М.: Машиностроение, 1990.

ОХОТКИН ГРИГОРИЙ ПЕТРОВИЧ. См. с. 142. РОМАНОВА ЕВГЕНИЯ СЕРГЕЕВНА. См. с. 142.