Выбор силовых полупроводниковых приборов
В станкостроении применяют электроприводы с управляемыми тиристорными выпрямителями или транзисторными широтно-импульсными преобразователями.
2.2.1. Тиристорные управляемые выпрямители
В тиристорных преобразователях регулирование выпрямленного напряжения происходит путем изменения фазового угла α управляющего импульса, который открывает тиристор и тем самым изменяет длительность его работы в оставшуюся часть полупериода.
При работе ТП напряжение на его зажимах меньше, чем среднее значение выпрямленной ЭДС. Это снижение объясняется падением напряжения 
на самом преобразователе, падением напряжения 
на активном сопротивлении схемы и падением напряжения 
, связанным с процессом коммутации тиристоров. Среднее выпрямленное напряжение на выходе ТП
,
где 
– среднее значение выпрямленной ЭДС при фазовом угле α = 0, = = ( 0,5… 2) В – падение напряжения на тиристорах.
В реальных тиристорных преобразователях процесс коммутации протекает не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени. В результате в работе преобразователя существует период, когда ток пропускают два вентиля. Фазовый угол γ, соответствующий этому периоду, называют углом коммутации
Для питания реверсивных приводов постоянного тока используются реверсивные тиристорные преобразователи. Двухкомплектные реверсивные преобразователи выполняют по встречно-параллельной схеме. При этом используют совместное и раздельное управление.
При совместном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на оба комплекта тиристоров. При этом один из них работает в выпрямительном, а другой в инверторном режиме. Углы управления α1и α2 тиристорных комплектов связаны соотношением α1 + α2 = π.
Особенностью совместного управления является уравнительный ток, который протекает по замкнутому внутреннему контуру, составленному из встречно включенных комплектов. Для ограничения мгновенных значений уравнительного тока в цепь преобразователей включают дополнительные реакторы.
При раздельном управлении комплекты тиристоров работают поочередно. В I и IV квадранте используется один комплект, во II и III — другой. Во время работы одного комплекта другой комплект закрыт, что исключает появление уравнительного тока и делает ненужными уравнительные реакторы. Это упрощает преобразователь, но усложняет систему управления, в которую должен быть включен логический блок, в функции которого входит выбор комплектов тиристоров в зависимости от знака управляющего напряжения и взаимная блокировка комплектов.
С силовым тиристорным преобразователем связана система импульсно-фазового управления (СИФУ), предназначенная для преобразования непрерывного сигнала в импульсный сигнал управления. Поскольку угол управления αотсчитывается от момента естественного открывания тиристора, работа СИФУ должна быть согласована с напряжением питания ТП.
Динамические свойства тиристорного преобразователя как элемента системы автоматического управления обусловлены неполной управляемостью тиристоров. Управляющий сигнал, приходящий на управляющий электрод тиристора, не вызывает мгновенного изменения выпрямленного напряжения. Предельное время запаздывания
, (2-25)
где f – частота сети, т– число фаз преобразователя.
Передаточная функция тиристорного преобразователя совместно с СИФУ может быть приближенно представлена в виде [1]
, (2-26)
где τ = T ТП + T СУ, T СУ – постоянная времени СИФУ.
Пренебрегая малой постоянной T СУ, при f = 50 Гц, т= 6 получаем:
τ = 1/ 300 = 0,0033 с.
Выбор силовых тиристоров преобразователя делается на основе требуемых параметров для питания якорной цепи электродвигателя.
С учетом запаса на регулирование и перегрузки по току принимают:
– номинальное выходное напряжение ТП
, (2-27)
– номинальный ток преобразователя
, (2-28)
где Uном, Iном – номинальные значения напряжения и тока якоря ЭД.
2.2.2. Транзисторные импульсные преобразователи
В следящем электроприводе применяют реверсивные широтно-импульсные преобразователи (ШИП), которыевыполняют по мостовой схеме.
Существует несколько режимов работы реверсивного преобразователя.
При симметричном режиме транзисторные ключи в течение периода коммутации переключаются попарно. При этом на якоре ЭД возникают разнополярные импульсы напряжения. Среднее напряжение на якоре
равно нулю при относительной длительности импульсов γ = 0,5.
При симметричном управлении в приводе не возникает режим прерывистых токов и механические характеристики линейны при всех нагрузках. Но вместе с тем симметричный режим отличается повышенным уровнем пульсаций тока якоря.
При несимметричном режиме непрерывно коммутируется только одна пара транзисторных ключей, а вторую пару используют при изменении направления вращения. Этот режим обеспечивает на якоре однополярные импульсы напряжения.Пульсация тока якоря при несимметричном режиме вдвое меньше, чем при симметричном.
Управление ШИП осуществляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ). Назначение ШИМ заключается в преобразовании непрерывного входного воздействия в прямоугольные импульсы с переменной длительностью, пропорциональной управляющему напряжению.
В следящей системе импульсный преобразователь можно рассматривать как апериодическое звено с передаточной функцией вида (2-26). Малая постоянная времени τ зависит от периода коммутации транзисторов Tк и при учете фильтра на входе ШИМ может быть принята равной 0,001 с.
Выбор силовых транзисторов делается с учетом величины коммутируемого напряжения, тока и требуемого времени переключения. В плечах моста используются составные биполярные транзисторы либо мощные полевые транзисторы. При необходимости коммутации большого тока силовые транзисторы включают параллельно по схеме с выравнивающими резисторами.
Число параллельно включенных транзисторов рассчитывают по формуле [3]:
, (2-29)
где Iя.max – максимальный ток якоря электродвигателя в проектируемой системе, Ik.max – максимальный допустимый ток коллектора одного транзистора;
Kосл.= (0,3...0,7) – коэффициент ослабления коллекторного тока.
Частота переключений транзисторов выбирается в пределах 5…20 кГц в зависимости от их времени переключения.