Системи захисту силових напівпровідникових приладів від аварійних струмів і перевантажень

 
2.5. Паралельне з'єднання IGBT

 
 
Оскільки IGBT управляються, як і МОSFET, що не струмом, а напругою, транзистори одного тіпономінала можна з'єднувати паралельно без вирівнюючих резисторів (balancing resistor) в ланцюзі емітера. Кілька простих рекомендацій допоможуть розробнику правильно виконати паралельне з'єднання IGBT.  
 
- Схема управління затворами IGBT повинна бути джерелом напруги, тобто мати мале внутрішній опір (low internal resistance).  
 
- У ланцюг затвора кожного транзистора потрібно включити резистор Rg, величина якого вибирається за допомогою документації на транзистор.  
 
- Резистор Rg необхідно розмістити якомога ближче до керуючого висновку (drive terminal) транзистора щоб уникнути викидів на паразитних індуктивностях в ланцюзі затвора.  
 
- Важливість близького розташування елементів силової частини зростає із збільшенням робочого струму і робочої частоти. Довгі зв'язку між елементами можуть призвести до надмірних перенапряжениям і низькою здатності навантаження. Розміщення елементів схеми має бути компактним і по можливості симетричним.  
 
- Для забезпечення рівномірного прогріву (equal heating) транзисторів необхідно встановлювати їх на загальний радіатор (common radiator).  
 
- Необхідно знизити робочий струм, що протікає через паралельно з'єднані транзистори, щодо кожного приладу на 10-15% в порівнянні з одиночним транзистором.  

Пристрої  плавного пуску є статичними пристроями, призначеними для прискорення, уповільнення і захисту трифазних індукційних  електродвигунів. Управління напругою, що подається на двигун, здійснюється за допомогою зміни кута відкриття  симісторів, що дозволяє здійснювати плавний пуск і зупинку. При правильному регулюванні пусковий обертальний момент двигуна може бути оптимізований таким чином, що пусковий струм залишиться максимально низьким. 

Пристрої плавного пуску(ППП) SSW компанії «ETI» працюють на базі мікропроцесора c цифровою обробкою сигналу. В конструкції пристрою плавного пуску застосовані останні технологічні досягнення, забезпечені найкращі характеристики при запуску і зупинці індукційних електродвигунів, являючись, таким чином, завершеним і одночасно економічним рішенням.

Серцем силової частини  ППП є класичний симістор. У  складі ППП симістор виконує роль швидкодіючого напівпровідникового  контактора, що включається напругою, та що вимикається струмом. Відмітимо, що часовий момент замикання під час переходу через нуль струму симістора, через який живиться обмотка двигуна, що розгониться, завжди запізнюється відносно моменту переходу синусоїди фазної напруги через нуль із-за індуктивної складової. Готові ППП містять симістори, що включаються в одну, дві або усі три фази, причому, при з'єднанні обмоток трикутником, можливе включення симісторів не у фазу живлення, а в розрив обмотки. В цьому випадку струм через симістор знижується в 1,73 разу, що дозволяє вибрати менш потужне і дешевше ППП, але подвоює число необхідних кабелів.

Трифазне регулювання є самим  технічно досконалим рішенням, оскільки дозволяє отримати симетричне по фазах  обмеження струму і сили магнітного поля, тому, порівняно з двофазним, при тому ж моменті сили, що крутить, у момент розгону двигуна, струмовий режим максимально сприятливий і для двигуна, і для мережі. Технічно сфера застосування універсальна, є можливість застосувати динамічне гальмування і підхоплення зворотного ходу мотора, хоча ця функція реалізована не в усіх моделях УПП. Потужність і напруга живлення двигуна обмежені тільки тепловою і електричною міцністю самих симісторів.

Генерація сигналу, що управляє, для  відмикання симісторів відбувається в  системі управління, яка в закінченому  виді (апаратна+програмна частині) є ноу-хау виробника.

На мал.1 схематично показана зміна напруги в обмотці двигуна при зміні тимчасового проміжку, або, що те ж саме, фазового зрушення між проходженням синусоїди вхідної напруги через нуль і моментом подання сигналу, що управляє, в процесі пуску двигуна. Величина  називається кутом відмикання симістора і змінюється від значення майже 180° або 10 мс при частоті 50 Гц на початку до нуля у момент виходу на номінальні обороти. При плавному гальмуванні кут відмикання змінюється в зворотному порядку.

Час процесу включення - це час, за який система плавного пуску  збільшить напругу на виході від  початкового до повного.

Час виключення - це час, за який напруга  на виході системи знизиться від  повного до напруги зупинки(початкової напруги). Якщо час зупинки дорівнює нулю, це буде еквівалентно прямій зупинці. Вона використовується, коли потрібна плавна зупинка двигуна, наприклад, при роботі з насосами або стрічковими конвеєрами.

Початкова напруга іноді називається  напругою або моментом підставки, що крутить. Це точка, в якій система  плавного пуску починає або завершує процес  включення або виключення. Застосовується для гарантованого зрушення валу з місця. При початковій напрузі 50% від номінального φ=90 градусів.

Обмеження струму може використовуватися  в тих випадках, коли потрібно обмеження  пускового струму або при пуску  під великим навантаженням, коли важко забезпечити надійний старт завданням тільки початкової напруги і часу включення (мал.2).

Досягнувши межі обмеження  струму система плавного пуску тимчасово  припинить збільшення напруги, поки струм не знизиться нижче заданої межі, після чого процес збільшення напруги поновиться до досягнення повної напруги. Ця функція є не в усіх ППП.

Функція BOOST підтримки напруги дозволяє отримати пусковий момент для подолання механічного тертя. Застосовується, коли момент, що крутить, при зниженій стартовій напрузі недостатній для зрушення валу з місця, але основний розгін двигуна, що вже стартував, можна виконати і від зниженої напруги. Крива зміни напруги на старті показана на мал.3.

Можливі застосування функції BOOST - дробарки, тістомісильники, м'ясорубки. Перші 0,2 з (10 повних періодів) симістори повністю відкриті, і двигун поводиться, як і при прямому пуску, і навантажує мережу відповідним чином. Така коротка за часом присадка в мережі зазвичай не викликає аварійних зупинок інших механізмів. Ця функція також є не в усіх ППП. Багато пристроїв плавного пуску мають вбудований контур обходу. Він служить для живлення двигуна в режимі, що встановився, минувши симістори і, таким чином, полегшуючи їх тепловий режим. Прості двофазні ППП з плавним гальмуванням на струми до 32 А збираються в пластиковому корпусі з кріпленням на 35 мм DIN-рейку. На передній панелі знаходяться регулювання часу пуску, часу гальмування і початкової напруги, гвинти клем живлення, виходу на двигун, логічних входів для підключення кнопок «Пуск» і «Стоп» і, за наявності, BOOST, і виходи сигналів помилки і завершення процесу розгону. Більше функціонально просунуті ППП дозволяють встановлювати налаштування і управляти процесом з інтерактивної передньої панелі або по мережевому протоколу, реалізовуючи, наприклад, зміну режимів пуску або послідовний запуск двигунів різної потужності. Хоча процес відмикання симістора відбувається лавиноподібно, індуктивна складова опору обмотки обмежує швидкість наростання струму при включенні, а виключення відбувається у момент зниження струму до нуля. Спеціальні дроселі і фільтри ЕМС на практиці не застосовуються. Рівень перешкод в усьому спектрі частот на порядки нижче, ніж у частотного перетворювача тієї ж потужності без дроселів і фільтрів ЕМС. Вбудована схема обходу зводить до мінімуму втрати і тепловиділення на симісторах, забезпечуючи тим самим економію робочого простору і електроенергії. Висновки За умови обов'язкового використання асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором, що не дає можливості перемикати обмотки із зірки на трикутник на ходу, симисторное облаштування плавного пуску компанії «ETI», є найоптимальнішим пристроєм для вирішення багатьох проблем, що виникають при прямому пуску. Застосування облаштувань плавного пуску дозволяє зменшити пускові струми, понизити вірогідність перегрівання двигуна, підвищити термін служби двигуна, усунути ривки в механічній частині приводу у момент пуску і останову двигунів. Разом з ефектом від плавного пуску, облаштування плавного пуску дозволяють понизити активну споживану потужність, істотно понизити реактивну потужність, захистити двигун, понизити шум, нагрів і вібрацію електродвигуна.

 
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ  
1. "Power Electronics: Converters, Applications and Design", Mohan, Undeland and Robbins, Wiley, 1995  
 
2. Руденко В.С., Сенько В.І., Чиженко І.М. Перетворювальна техніка - К.: Вища школа, 1983  
 
3. Герман-Галкін С.Г. Комп'ютерне моделювання напівпровідникових систем - СПб.: КОРОНА принт, 2001

4. Дьяконов М.Н. Справочник  по электрическим конденсаторам  – М.: Издательство "Радио и  связь", 1983. – 576с.

5. Баюков А.В. Полупроводниковые  приборы: диоды и тиристоры – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 744с.