Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы повышения экономичности вспомогательных электроприводов с асинхронными двигателями на локомотивах
1.1 Обзор вспомогательных электроприводов на локомотивах 9
1.2 Тенденции развития систем регулирования асинхронных приводов 19
1.3 Повышение экономичности и оптимизация регулирования и управления асинхронных приводов с позиций вариационного исчисления 32
ГЛАВА 2 Математическая модель для решения задачи оптимального управления применительно к асинхронному короткозамкнутому электродвигателю с вентиляторной нагрузкой
2.1 Характеристики приводов с регулированием по опорному вектору потокосцепления ротора 44
2.2 Методы расчета значений тока и момента асинхронного электродвигателя по критериям "минимума тока" и "максимума момента" в установившихся режимах по алгоритму "экстремального регулятора" 55
2.3 Вывод неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка для асинхронного двигателя и критерия полной управляемости АД как нелинейного объекта, в общем виде, из уравнения Вейерштрасса 75
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования систем управления (СУ) и регулирования (СР) преобразователей с использованием "экстремальных регуляторов" и без них
3.1 Одноплатная система управления (СУ) на микроконтроллерах (МК) для автономных инверторов напряжения (АИН) и тока (АИТ) 90
3.2 Результаты испытаний транзисторного трехфазного преобразователя частоты мощностью 1 КВТ, нагруженного на асинхронный электродвигатель 96
3.3 Результаты испытаний тиристорного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) (нагруженного на асинхронный двигатель 4АЖ225М602 с вентиляторной нагрузкой, а также на - АМВ-75) содержащего "экстремальный регулятор" 108
ГЛАВА 4 Расчет САР с применением "экстремальных регуляторов"
4.1 Структурная схема СР АИТ, АИН и НПЧ с "экстремальным регулятором" в приводе с вентиляторной нагрузкой. Сравнение расчетных схем СР с экспериментальными 122
4.2 Структурная схема системы регулирования (СР) с "экстремальным регулятором" с шагающим локально - оптимальным регулированием в приводах имеющих компрессорную нагрузку 144
4.3 Расчет энергетических показателей силовой схемы преобразователя НПЧ для вспомогательных приводов тепловозов, включенного от тягового или вспомогательного синхронных генераторов 149
ГЛАВА 5 Экономическая эффективность от внедрения преобразователей во вспомогательных приводах перспективных локомотивов с СР, содержащей "экстремальный регулятор" 157
Основные результаты исследований
Выводы и предложения 162
Литература 167
Приложения 178
- Повышение экономичности и оптимизация регулирования и управления асинхронных приводов с позиций вариационного исчисления
- Методы расчета значений тока и момента асинхронного электродвигателя по критериям "минимума тока" и "максимума момента" в установившихся режимах по алгоритму "экстремального регулятора"
- Результаты испытаний транзисторного трехфазного преобразователя частоты мощностью 1 КВТ, нагруженного на асинхронный электродвигатель
- Структурная схема системы регулирования (СР) с "экстремальным регулятором" с шагающим локально - оптимальным регулированием в приводах имеющих компрессорную нагрузку
Введение к работе
Одной из основных задач дальнейшего технического развития железнодорожного транспорта России - МПС, является широкое внедрение наиболее совершенных энергосберегающих систем, к которым относится использование тиристорного управления и регулирования. Достижения в области полностью управляемых вентилей GTO и IGBT открыли новые возможности совершенствования электрооборудования подвижного состава. Ведутся интенсивные поиски оптимальных решений по применению бес коллекторных тяговых двигателей на электроподвижном составе (ЭПС) переменного и постоянного тока с микропроцессорным управлением (МПУ).
Все большее применение находят системы импульсного управления тяговых двигателей постоянного тока и тиристорного трехфазного плавного регулирования на ЭПС переменного тока.
Создание и экспериментальные исследования систем преобразователей частоты для нужд железнодорожного транспорта ведутся рядом заводов и научно-исследовательских организаций СНГ и России: ВЭлНИИ, НЭВЗ (г. Новочеркасск), ВНИИЖТ, МИИТ, МЛРЗ (г. Москва), РАО ВСМ (г. Петербург), ДЭВЗ (г. Днепропетровск), АО " Электровыпрямитель" (г. Саранск), ВНИТИ (г. Коломна), ПГУПС (г. Петербург), АЭК "Динамо" (г. Москва).
Большой вклад в разработку и освоение отечественного производства указанного электрооборудования внесли наши ученые и инженеры : доктора технических наук Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, И.П. Копылов, В.Ф. Козаченко, В.П. Феоктистов, Ю.М. Иньков, А.Н. Савоськин, кандидаты технических наук: В.В. Литовчешш, В.А. Шаров, А.А. Будницкий, Д. Л. Киржнер, инженеры: А. М. Кривной, А. Л. Донской, B.C. Строков, и др.
Экспериментальные и многочисленные теоретические исследования систем преобразователей частоты для нужд железнодорожного транспорта, выполненные ВНИИЭМ, ЛИИЖТ, МИИТ, ВНИТИ, и другими организациями, показали, что технико — экономические свойства любого электропривода, определяются как силовой частью, так и законами регулирования, заложенными в САУР преобразователя. Важнейшие критерии качества, такие как надежность и долговечность (выживаемость преобразователей), тесно связаны новейшими достижениями передовой технологии производства силовых приборов и обеспечение этих критериев является основной задачей силовой электроники.
Второй путь развития силовой полупроводниковой техники заключается в разработке и применении систем автоматического управления и регулирования, позволяющих использовать современные технологии производства интегральных микросхем (для микро миниатюризации, БИС, САУР) преобразователей. Это позволяет увеличить общую надежность и долговечность (выживаемость) преобразователя, повысить качество регулирования, уменьшить габариты преобразовательного оборудования. Экономическая эффективность их применения определяется снижением расхода непроизводительной электроэнергии, потребляемой локомотивом, особенно вспомогательными системами и электрооборудованием.
Этот расход может быть снижен в 2-5 раз [71].
Вспомогательные привода локомотивов расходуют значительную часть общего потребления электроэнергии, составляющую 10-18% от электроэнергии на тягу поезда. На тепловозах мощность вспомогательных устройств составляет 7-12% от общей мощности локомотива, а при использовании централизованного энергоснабжения поезда его доля составляет 40%.
Поэтому задача создания высокоэкономичных источников питания с повышенным качеством регулирования электроэнергии на выходе актуальна. Опыт применения электромашинных преобразователей числа фаз и частоты на электровозах и электропоездах показал их недостаточную эффективность - не обеспечиваются симметрия и стабильность напряжений фаз питания, а также нет возможности регулирования скорости приводных двигателей в зависимости от эксплуатационных условий.
Во вспомогательных приводах тепловозов не нашли должного внедрения непосредственные, а также статические преобразователи. Поскольку источником питания нагрузок перспективных тепловозов может быть использован исключительно синхронный вспомогательный или и тяговые генераторы, то в качестве преобразователя, применение НПЧ на тепловозах оправдано.
Подобный преобразователь, с алгоритмом управления, был спроектирован (для собственных нужд) и поставлен фирмой ABB на американском тепловозе Dh8 с квази- частотным управлением [3]. Несмотря на то, что привод НПЧ ступенчатый совместно с переключением по позициям контроллера машиниста, частота вращения синхронного генератора изменяется в диапазоне 20 -100Гц со ступенчатым регулированием, такое управление незначительно приближает НПЧ к преобразователям с плавным регулированием частоты. Число частот вращения нагрузки преобразователя составляет три, на каждой позиции контроллера тепловоза.
Для электроподвижного состава оптимальным решением во вспомогательных приводах будет предлагаемое применение двухзвенных, однозвенных статических преобразователей с плавным регулированием частоты.
В последнее время работа получила актуальность в процессе создания ряда силовых преобразователей для электропоезда ЭР2, МТПЕ-5-380, ПЧ-ТТЕ-125-380УЗ тепловоза переменного тока ТЭМ2 — 282 во ВНИТИ (г. Коломна) совместно с АО "Электровыпрямитель" (г. Саранск). В процессе создания НГТЧ преобразователя, автором были проведены длительные натурные испытания, результаты которых были опубликованы в работах [10, 16, 32, 41, 51].
Для НПЧ преобразователя реактивная мощность сдвига, мощность искажения трехфазной нагрузки и не симметрии имеют наибольшие значения, чем в других преобразователях. Несмотря на это тепловые испытания показали удовлетворительные данные по нагреву асинхронного электродвигателя 4АЖ225М602. При экспериментальных исследованиях преобразователя кроме автора принимал участие инженер Р.С. Посеряев. На основании широко проведенных исследований по созданию преобразователя МТПЕ-5-380УЗ, были проведены испытания различных видов силовых транзисторов, и условия их работы в сильноточных высоковольтных индуктивных цепях полу мостового высокочастотного инвертора и других схемах. При этом были отработаны силовые узлы включателей сильноточных транзисторных преобразователей.
Накопленные экспериментальные данные [51] позволили перенести опыт работы на проектирование преобразователей с IGBT и GTO приборами. Для вспомогательных электроприводов на электроподвижном составе, включенных через высоковольтный силовой трансформатор необходим статический преобразователь с плавным регулированием напряжения и частоты на выходе. Применение НПЧ преобразователя на электроподвижном составе не даст того широкого диапазона регулирования по скоростям асинхронных мотор вентиляторов чем на тепловозах.
Между тем Российской промышленностью еще в 1988г.[52, 54] были разработаны полностью управляемые LTR биполярные транзисторы на ток 250А, хотя сейчас уже возможно серийное производство мощных модулей Дарлингтона на токи до 400А. Технико-схемотехнические проработки практически позволяют применять эти приборы в сильноточных цепях, где возможность протекания малых реактивных токов через структуру транзистора неизбежна. Поэтому применение IGBT и GTO приборов на электроподвижном составе перспективнее. А приводные АД до 55кВт могут регулироваться преобразователями на полностью управляемых LTR приборах в отечественном исполнении силовых модулей.
Собраны и обобщены материалы по "математической теории оптимального управления " работ Л. С. Понтрягина, В.Г. Болтянского, Р.В. Гамкрелидзе, Е.Ф. Мищенко, Р. Беллмана, Н.Н. Боголюбова, Ю.А. Митропольского и других, на основе которых выведены критерии полной управляемости для AM и подтвердился выведенный ранее [32] критерий полной управляемости нелинейного объекта в общем виде на основе функции Вейерштрасса.
В работе также уделено место методам и способам регулирования и управления асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Рассмотрено до двух различных "экстремумов" регулирования "минимума тока статора" АД, "максимума момента". Все эти законы реализуемы, в преобразовательном электрооборудовании АИТ, АИН, НПЧ и др. "Экстремальный регулятор" нашел применение в приводах с АД. Именно экстремальным мини максимальным регуляторам (ЭММР) и их алгоритмам уделено основное место в диссертационной работе, во вспомогательных приводах локомотивов.
Повышение экономичности и оптимизация регулирования и управления асинхронных приводов с позиций вариационного исчисления
Ключевым фактором, определяющим развитие отрасли и конкурентно способности ее продукции при поставки потребителю, является внедрение энергосберегающих технологий и мероприятий. Предлагаемая работа приобретает особо важное значение в связи с принятием Правительством России Концепции новой экономической политики, где энергосбережение объявлено главным направлением экономики.
Цель данной работы заключается в рассмотрении, выборе и разработки, для систем автоматического регулирования (САР) с позиций математической теории оптимального управления, экстремальных регуляторов для приводов с асинхронными двигателями (вспомогательных приводов). Применение в приводах АД, в основном связано с развитием различных систем преобразовательной техники, инверторов напряжения и тока с импульсной модуляцией. Во вспомогательных приводах возможны преобразователи с естественной коммутацией тиристоров.
С применением асинхронных двигателей связаны следующие возможности совершенствования энергосберегающих систем: 1 - связанные с потреблением тока и его минимизации; 2 - связанные с увеличением, при одном и том же токе, крутящего момента и его оптимизации; 3 - связанные с применением оптимальных и эталонных моделей регулирования; 4 - связанные с применением преобразователей выполненных на основе передовой технологии производства и полупроводниковой техники ; 5 - связанные с оптимизацией угла сдвига фаз первых гармоник напряжения и тока; 6 - связанные с разработкой общих концепций и критериев оптимального управления АД, а так же с эталонными аспектами их применения. Именно с последнего пункта - шестого, но не последнего по значению следует определить основные направления в оптимизации управления и регулирования асинхронного привода. В настоящей работе рассмотрены задачи об оптимальном управлении электроприводами с АД, рассмотрены так же задачи вариационного исчисления для данного привода в общем виде. Производительность электропривода часто зависит от закона управления им и при переходе на оптимальное управление может быть существенно увеличена. Математическая теория оптимального управления сводится к отысканию функции, доставляющей экстремум некоторому функционалу. Существует хорошо разработанный математический аппарат, позволяющий решать такие задачи. Это - вариационное исчисление. В расчетах вариационное исчисление стало применяться достаточно давно ( Б. Л. Давыдов , 1956 - 1957 г.г. ). До этого к отысканию законов управления подходили эмпирическим путем, на основании интуитивных представлений, но и экспериментальным образом. Задачи теории оптимального управления можно рассматривать как общие задачи классической теории переходных процессов. Классическая теория изучает процессы, протекающие в объекте при заданных внешних воздействиях. Теория оптимального управления исследует такие законы и внешние воздействия приложенные к объекту, чтобы процессы в нем ( с заранее заданным критерием оптимизации ) проходили наилучшим образом. Теория оптимального управления и вариационного исчисления в работах Л. Янга, Л. С. Понтрягина, Ю. И. Петрова направлена на рассмотрение искомой функции, доставляющий экстремум и должна удовлетворять уравнению Эйлера. С помощью него возможно фактически определить искомую функцию - экстремаль. В связи с этим в задачах с односторонней вариацией могут встречаться три различные возможности: 1 - Экстремали целиком находятся внутри допустимой области. В этом случае решения задачи оптимального управления определяются обычными методами вариационного исчисления. Задачи связанные с нахождением минимума тока в статоре АД, при регулировании автономным инвертором напряжения (АИН). Экстремали целиком находятся вне допустимой области. Оптимальное управление проходит по границе допустимой области. Случай возможен когда регулирование АД осуществляется от преобразователя с естественной коммутацией тиристоров. Пример применения непосредственного преобразователя частоты (НПЧ). Законы оптимального управления такими преобразователями значительно усложняются и связанны с значительной пульсацией и прерывистостью токов в фазах двигателя. Для НПЧ не всякое управление связано с большой дискретностью тока по фазам и как следствие к завышенной пульсации момента. Экстремали пересекают границы допустимой области . В этом случае решение "склеено" из кусков экстремалей и кусков граничных кривых. Это условие достаточно хорошо может быть описано математически, но для технических систем преобразователей, каким образом вести закон управления в разрывной области, является достаточно сложной проблемой. Асинхронный двигатель относится к достаточно сложным нелинейным объектам. Для него известными являются экстремальные зависимости между фазным напряжением и током, действующим значением момента и частотой скольжения, а также коэффициентом сдвига угла между первыми гармониками тока и напряжения. Все эти экстремали (в виде уравнений) являются достаточно громоздкими и сложными для АД и нашли свое отражение в работах М.П.Костенко, А .А. Булгакова, Р. С. Сарбатова, А.С. Сандлера [25][26]. В данных монографиях зависимости представляются в виде уравнений с компенсацией влияния падения напряжения в активном сопротивлении статора с учетом закона управления машины. В предлагаемой работе, для упрощения этих оптимальных зависимостей и для обоснования критерия полной управляемости, предлагаемого автором, принимается постоянной индуктивность фазы ротора, но учитывается ток намагничивающей ветви. В предлагаемых неоднородных дифференциальных уравнениях второго порядка принимается постоянной индуктивность фазы ротора Lr , с учетом как коэффициента рассеяния асинхронного двигателя а , как угла между токами статора Is и ротора 1г , так индуктивности и тока намагничивающего контура Lo, Io. Обоснования применение неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка для АД, а также критерия полной управляемости его как нелинейного объекта, рассмотрим в данной вариационной задачи уравнение В ейерштрасса-1.
Методы расчета значений тока и момента асинхронного электродвигателя по критериям "минимума тока" и "максимума момента" в установившихся режимах по алгоритму "экстремального регулятора"
Критерий полной управляемости асинхронного двигателя, как нелинейного объекта в общем виде является результатом, полученным в этой работе с применением экстремальных зависимостей в вариационном исчислении.
Математической теории оптимального управления нелинейным объектам посвящены работы Л.С. Понтрягина, Р.В. Гамкрелидзе, В.Г. Болтянского, Е.Ф.Мищенко [18], Р. Беллмана [22, 23 ,24], Ю.П. Петрова [19, 20, 21]. В области оптимального управления асинхронными двигателями с беличьей клеткой имеются фундаментальные труды М.П. Костенко, А. А. Булгакова [25], А.С. Сандлера, Р.С. Сарбатова [26], Ю.П. Петрова, Е.Я. Казовского [27], А.В. Иванова-Смоленского [28] и др. Для решения задач управления и определения алгоритмов регулирования асинхронных электродвигателей используются следующие уравнения и принципы: - общей энергии колебательной системы объекта - Эйлера; - связи координат в каноническом виде - Гамильтона; - дифференциальные неоднородные уравнения второго порядка при приведении к уравнению Риккати; - динамического программирования Беллмана; - принципа максимума Понтрягина. В теории "оптимального управления" принято изложение задач оптимизации начинать с постановки задачи Лагранжа. Следуя установившихся традиций, в качестве основы теории оптимального управления и вариационного исчисления принято уравнение Вейерштрасса-1,2 функция (1-17) [18, 29]. За базу функции Вейерштрасса взято классическое неравенство вида Е 0, в основу которого полагается некоторое выпуклое г - мерное множество, ограниченное необходимыми и достаточными условиями существования экстремума функции J(c), лежащей вдоль траектории, принадлежащей пространству Е(г) управлений [30]. Уравнение Вейерштрасса-2 (1-25) было получено автором [32] подстановкой известного уравнения Эйлера - полной энергии колебательной системы (2-59) асинхронного двигателя в функцию Вейерштрасса (1-17) для объекта управления в общем виде 1.3. Принята нагрузка для АД вентиляторного типа. С характером нагружения момента от частоты по параболической зависимости. Оптимизации подвергается лишь один асинхронный двигатель (АД), как нелинейный объект. При этом, см. 2.2, один только АД имеет три экстремума характеристик. Теория оптимального регулирования позволяет своими методами определить их и задать такие характеристики алгоритмов регулирования, которые позволят достигнуть минимума потерь по "минимуму тока статора" в АД. Таким образом, для управления преобразователем принимаем такие кусочно непрерывные дискретные функции (дискретно непрерывное преобразование Лапласа) с периодом 2j л , что при широтно импульсном регулировании (ШИР) с любым числом импульсов в 1/6 периода Т, обеспечивалась синусоидальная форма тока, или напряжения, с наперед заданной точностью по условиям пульсации момента. Это не единственное условие обеспечения экстремума расхода энергии системы П-АД-Н при заданной частоте fs и моменте нагрузки Ml. Еще одним существенным условием обеспечения экстремума расхода энергии системы, П-АД-Н является зависимость функции управления от внешнего регулятора (находящегося в САУ) обеспечивающего задание как частоты вращения в приводе, так и момента, входящего в аргумент алгоритма управления qN+r Определим класс "экстремальных регуляторов", обеспечивающий шаговый поиск экстремума аргумента. Для получения переходных характеристик системы нагрузка -асинхронный двигатель-преобразователь, к уравнениям (2-49), (2-50) необходимо добавить уравнение движения электропривода (2-67) в которое входит момент . Применение статических преобразователей на подвижном составе характеризуется высокой динамичностью изменения коэффициентов приведения и вызывает необходимость разработки такой методики исследования электромагнитных процессов, которая позволяла бы получить соотношения указанных параметров АД как в установившихся, так и переходных режимах. Методика позволяет получить информацию о мгновенных значениях напряжений и токов в общем виде для статики и динамики, обеспечивает упрощение расчетов и большую наглядность их результатов. Энергетические параметры асинхронного двигателя и нагрузки при этом достаточно просто определяются на основании интегральной оценки составляющей полной мощности. Как можно заметить, функция управления - не содержит произведений обобщенных координат qs qr. Поэтому, если продифференцировать функцию управления по координате qr и приравнять "нулю", то получим уравнение, гарантирующее управление любого, всегда совершенствующегося по управлению, объекта (экстремальным образом) в соответствии с принятым регулятором на объекте и законами регулирования им. Все выводы для уравнения общего вида (2-63) относятся и к AM [32]. Экстремальному управлению соответствует также замкнутость сил (2-65), действующих на управляемый объект извне, как на систему, но за которую отвечает Лагранжиан в виде некоторого множества кривых экстремалей движения. Выход в работу (на оптимум экстремума) экстремального регулятора в общем виде возможно записать (2-64) [32]
Результаты испытаний транзисторного трехфазного преобразователя частоты мощностью 1 КВТ, нагруженного на асинхронный электродвигатель
Предлагаемое близкое к синусоиде ШИР, может быть реализовано на микроконтроллерах 1816ВЕ31, АТ89С2051, АТ89С52 и др. для автономных инверторов напряжения АИН. ШИР можно реализовать близким к синусоиде, трапециидальным, треугольным, усеченным. При этом наперед заданное расхождение в градусах угла между трапецией и гармоникой напряжения во время пуска и работы автономного инвертора тока АИТ составит 2,5 эл. град, при максимальной частоте переключения тиристоров 120Гц и частоте повторного включения одноименного тиристора 40 Гц. Практический опыт показывает, что в приводах большой мощности возможно применение только однокристальных ЭВМ из-за большого уровня помех.
Предлагаемая на рис. 13 структурная схема системы управления содержит: БАГ - блок аналогового гистерезиса (может в СУ отсутствовать); ОВ - одновибратор; ПУ - преобразователи уровня; PROM - постоянно запоминающие устройства (ПЗУ) ; СТ - счетчик; С А - элемент сравнения; ЧК - частотный компаратор. Система управления с силовым преобразователем, в том числе с ШИМ, имеет свои особенности. В системе SIBAS с векторным управлением и регулированием, наряду с высшими гармониками, возникающими в сети на конденсаторе промежуточного контура (в результате импульсной работы преобразователя в тормозном режиме), [8,49] образуется сильная вторая гармоника сетевой частоты. Для ее уменьшения, параллельно с конденсатором промежуточного контура, включается соответствующая цепь "отсоса" тягового тока. Для устранения этой цепи и подавления воздействия второй гармоники на импульсный инвертор подается специальное управление и регулирование. Любая системы с векторным управлением включает в себя два блока векторного поворота и требует восемь умножителей, для моделирования АД рис. 3 и 4, в отличие от предлагаемой рис.13 системы управления, что является преимуществом последней. Определенные преимущества ШИР регулирования представлены на примере рис.14, осциллограмма фазного тока силового преобразователя (инвертора тока тепловоза ТЭМ2-282) в котором применяется ШИМ модуляция с частотой 100Гц. На представленной осциллограмме присутствуют как низкочастотная составляющая тока с частотой 1,46Гц., составляющая 50% тока от номинальной величины, так и представленный ШИМ является неправильным, обратным шимом. Таким образом сильная вторичная гармоника тока может возникать и в преобразователях тока. При этом как было установлено, специально проведенными испытаниями для этого тепловоза, что коэффициент сцепления в связи с этими параметрами силового привода тепловоза снизился до 0,18. Тогда как расчетный коэффициент сцепления для тепловоза является 0,33. Предлагаемая автором система близкого к синусоиде ШИР управления напряжением, имеет весовую функцию интеграла, постоянной во всех частотных диапазонах. Количество импульсов повторяемости включения ключей может быть как четным, так и нечетным рядом натуральных чисел с любым наперед заданным приближением к синусоиде рис.15. Результаты испытаний транзисторного трехфазного преобразователя частоты мощностью 1 КВТ, нагруженного на асинхронный электродвигатель При разработке во ВНИТИ статического трехфазного преобразователя частоты с гальванической развязкой для питания асинхронных двигателей на нагрузку вибратора коксозагрузочной машины был решен комплекс задач управления силовых приборов. Эта работа была выполнена по заказу Челябинского металлургического комбината, при участии автора. Преобразователь был изготовлен на LTR биполярных силовых транзисторах. Эти исследования можно применить при включении и мощных IGBT- биполярных транзисторах с изолированной базой. Мощность испытываемых LTR транзисторов на экспериментальной базе ВНИТИ соизмерима с мощностями освоенных в то время [2] промышленностью России IGBT 1996 -1997годы транзисторов с изолированной базой. А предлагаемые технические решения преобразователей для питания электродвигателей для электроподвижного состава охлаждающих устройств на мощность 30-55кВт, могут быть освоены на LTR транзисторах. Силовые биполярные LTR - транзисторные ключи с многокаскадным усилением - монолитный составной транзистор Дарлингтона с обратной проводимостью может стать оптимальным переключающим элементом в силовых цепях преобразователей, непосредственно питающихся от сетей 220В и 380В. Такие прибора при работе в ключевом режиме на частотах до 5 кГц удачно сочетают достоинства тиристоров с быстродействием транзисторов. Транзисторная техника за рубежом развивается в настоящее время в направлении улучшения технологии изготовления полупроводниковых IGBT и MOS - FET новейших приборов [50]. За счет полной управляемости и быстродействия силовых транзисторов удается по новому и существенно эффективней разрабатывать экономичные электроприводы (в том числе привода с асинхронными электродвигателями), агрегаты бесперебойного питания для ЭВМ, мощные источники питания с гальванической развязкой, трехзвенные преобразователи для питания асинхронных двигателей.
Во ВНИТИ в 1993г. были разработаны и отправлены в эксплуатацию на Челябинский металлургический комбинат, два трехзвенных транзисторных преобразователя МТПЕ-5-380УЗ IP20, для питания вибраторов коксозагрузочной машины. Указанный преобразователь работал на асинхронный двигатель ИВ-98-Б2 напряжением 380В, номинальным током 1,9А и частотой вращения 2800об/мин. В связи со сложными особенностями проектирования сильноточных и высоковольтных индуктивных цепей силовых транзисторов, было разработано и испытано около полтора десятка схем промежуточных усилителей с повышенным быстродействием.
Структурная схема системы регулирования (СР) с "экстремальным регулятором" с шагающим локально - оптимальным регулированием в приводах имеющих компрессорную нагрузку
Это приводит к большой мгновенной мощности рассеяния. Через структуру транзистора в закрытом состоянии протекает малый-реактивный ток, дающий дополнительную составляющую потерь, что более существенно и опасно, также приводит к обратному вторичному пробою. В случае его выключения, малый-реактивный ток замыкается не через монолитный транзистор Дарлингтона, а через первый базовый транзистор, минуя два основных монолитных.
Рис. 16 с. Диод со смыканием является более мощным, в отличие от лавинного диода [53]. Но падение напряжения U6K первого составного транзистора ограничивается гб. Проводимость диода параллельно структуре транзистора соизмерима с проводимостью гб транзистора. Это свидетельствует о полной незащищенности структуры транзистора Дарлингтона от малых реактивных токов,
Дифференциальная модель биполярного LTR транзистора (рис. 16 а) и эквивалентная схема Эберса - Мола, обладают одним серьезным недостатком, особенно заметным у транзистора большой мощности, - в них не учитываются двухмерные и трехмерные эффекты: "сужение" эмиттера, расширение базы, модуляция распределенного сопротивления базы. Более того, в них не учитывается наличие квазинасыщенной области на вольтамперной характеристике высоковольтного n+-pv-n+ - транзистора, а также не полностью рассмотрен вопрос переключения с индуктивной нагрузкой и протекание через структуру биполярного транзистора малого -реактивного тока. Таким образом возможны схемотехнические решения, позволяющие избежать протекание через структуру транзистора малого-реактивного тока (рис. 18 а). Транзисторы во всех схемах рассмотрены с активным запиранием. Этот недостаток приводит к построению для транзисторов сложных схем защиты от перегрузок и коротких замыканий. Тиристоры обладающие р-п-р-п- структурой, в отличие от транзисторов, имеют более значительные импульсные перегрузочные способности. При этом желательно иметь уже встроенные активные защиты по току, с гальванической развязкой на каждый прибор, в том числе IGBT и IGST транзисторы [50].
На трехзвенном транзисторном преобразователе МТПЕ-5-380УЗ, кроме регулятора-ограничителя тока в цепи промежуточного контура, были поставлены защиты по току во входном и выходном цепях инверторов преобразователя. Защиты осуществлялись при помощи отрицательных обратных связей, что как показывает опыт, эффективно защищает силовые ключи от пробоя даже токами глухого короткого замыкания.
Входной полумостовой высокочастотный инвертор работал на частотах ЮкГц и 4кГц, промежуточный прерыватель в преобразователе - 1кГц с ШИМ сигналом, а выходной инвертор -0-50Гц, был включен от источника питания 20-50кГц. Для преобразователя нагрузкой во все время испытаний разгона, пуска и постоянной частоты вращения являлся асинхронный двигатель номинальной мощностью 3кВт. Для выходного инвертора-напряжения схемное время выключения с активным запиранием транзисторов в инверторе, соответствовало пассивному времени закрытия. В выходном звене инвертора для транзистора КТ839А время закрытия соответствовало 25мкС. Настройка, уставки по току, защиты транзисторов КТ839А на амплитудные токи срабатывания 7-9А приводила к закрытию транзисторов. Общее время срабатывания защиты с исполнительными узлами было 400-500мкС. При этом на каждом 4 +1 срабатывании наблюдался выход из строя одного из транзисторов при глухом фазном 380В коротком замыкании инвертора. Для транзисторов КТ812Б и КТ839А с настройкой защиты по току 4,2-5,7А и амплитудой тока срабатывания 6-7А было проведено подряд около 100-200 глухих коротких замыканий на напряжение 220В. При глухих коротких замыканиях, во всех случаях, общее время срабатывания составляло 1,5мС и не наблюдалось ни одного выхода из строя транзистора. Согласно ГОСТІ 8472 и ТУ на эти транзисторы рекомендуемый ток коллектора равен 1к=4А. Входной полумостовой высокочастотный инвертор был выполнен на транзисторах МТКД-40-5-2 с установкой защиты по току на 16А. Включение силовых транзисторов Дарлингтона с высокочастотной развязкой по схемам рис. 18 а) и б) осуществлялось при двойной гальванической развязке цепей управления и высоковольтных цепей до 3 KV. Малые реактивные токи отсекались диодом D4. Испытания транзисторов ТКД165-160-7-2 в преобразователях со схемой рис. 18 а) б) показали, что изменение действующего значения тока коллектора Ік от 50А до 90А к существенному увеличению излучаемого тепла с радиаторов не приводит, также как и увеличение тока базы с Іб=2,5А до 6А. При этом защита по току настраивалась на 160А. Небольшая доработка схемы рис. 18 а) позволяет в начальный момент закрытия транзистора и использовать для закрытия цепь \JK6 коллектор-база, как более мощной структуры, чем структура ибэ база-эмиттер. Для питания формирователей импульсов (рис. 18) необходимо переменное напряжение высокой частоты. На современных MOS-FET транзисторах сравнительно просто реализуются малогабаритные, до 1 МГц и 300Вт, высокочастотные источники питания. Преимущество схемы рис. 18 заключается в том, что в силовой части не находится ни одного полупроводникового прибора n-p-п типа. При этом трансформатор развязки не ограничивается выходной мощностью и токами. Он способен вкачивать в базу, или затвор MOS-FET транзистора, токи до 30А и более. Импульсный силовой трансформатор не поддается технологическому производству на основе полупроводников. Но в высоковольтной технике его микро-миниатюризация возможна с повышением частоты высокочастотного питания. Подобная схема рис.18 способна работать до 2,5кГц при переменной частоте источника питания 20 кГц и соответственно выше по частотному диапазону. Частоты источника питания 5-7Мгц не ограничивают мощность и габариты трансформатора. При этом высокочастотный трансформатор является многофункциональным элементом, заменяя n-p-п транзисторы. Одним из самых больших достоинств этой схемы является то, что при потере всех напряжений питания транзистор Дарлингтона будет надежно закрыт Uc напряжением конденсатора. Результаты испытаний тиристорного непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) (нагруженного на асинхронный двигатель 4АЖ225М602 с вентиляторной нагрузкой, а также на -АМВ-75) содержащего "экстремальный регулятор".
