Использование полевых транзисторов для управления электродвигателями

Под управлением электродвигателем подразумевается регулирование его скорости вращения. С момента появления тиристоров и симисторов (двунаправленных тиристоров) в середине 50-х годов главной областью их применения стали системы управления электродвигателями постоянного тока (мощностью от долей до сотен киловатт). Такие электродвигатели применяются как в небольших ручных инструментах и приспособлениях, так и в мощном промышленном оборудовании. Электропоезда метрополитена и трамваи также приводятся в движение электродвигателями постоянного тока с изменяемой скоростью вращения [1].

До изобретения тиристоров для уменьшения скорости вращения электродвигателя путем снижения напряжения на якоре или для ее увеличения путем уменьшения тока возбуждения применялись угольные столбиковые реостаты. Среди многих недостатков этой системы управления, помимо громоздкости и невозможности дистанционного управления, были и такие, как чрезмерный перегрев электродвигателя и частое резкое уменьшение вращающего момента. Некоторые разновидности первых таких систем строились на жидкостных регулирующих устройствах и различных механических устройствах сцепления. В 30-х годах для управления большими промышленными электродвигателями широко применялись газоразрядные игнитроны.

Тиристоры открыли новые возможности для регулирования скорости и вращающего момента электродвигателя. Для обеспечения надежной работы электродвигателя постоянного тока очень важно ограничить ток в якоре при малой скорости вращения, что стало возможным с появлением тиристоров. Скорость вращения можно регулировать напряжением, а вращающий момент — током. Оба этих параметра зависят от угла отпирания тиристора, что позволяет, во-первых, устанавливать нужное напряжение на якоре и, следовательно, управлять скоростью, а во-вторых, устанавливать ток и управлять вращающим моментом.

Оказалось, что тиристор очень удобен для управления большими электродвигателями постоянного тока, особенно при работе от сети переменного тока, поскольку такой прибор действует и как выпрямитель. Более того, тиристоры могут работать при больших токовых перегрузках и выдерживать очень высокие напряжения. Но у них есть и недостатки. Чтобы запереть тиристор, необходимо снять анодное напряжение, хотя, возможно, это не является проблемой при переключении с частотой 50 или 60 Гц. Таким способом приходится запирать тиристор после подачи каждого отпирающего импульса. Другая серьезная проблема возникает при быстром переключении больших токов и напряжений. При мгновенном переходе в режим запирания ток тиристора должен быстро уменьшаться, а падение напряжения на нем быстро возрастать. Причем эти параметры могут изменяться с такими большими скоростями, что произойдет даже ложное включение тиристора. В случае управления мощными электродвигателями постоянного тока это может привести к чрезмерно большому внутреннему нагреву тиристора [5].

Эти проблемы были решены с появлением полевых транзисторов. Если бы мы заменили тиристор мощным МДП-транзистором, то вскоре обнаружили, что последний может работать как переключатель напряжения только одной полярности. Пока приложенное к стоку напряжение остается положительным, напряжение затвора управляет протекающим через прибор током. Однако, как только полярность напряжения стока изменится на обратную, проводимость мощного МДП-транзистора перестает зависеть от напряжения на затворе. В результате будем иметь скорее однополупериодный выпрямитель, а не устройство управления электродвигателем.

Таким образом, сделанные заключения становятся более четкими. Мощные МДП-транзисторы отлично подходят для систем управления электродвигателями, но необходимы специальные меры предосторожности при разработке, если питание осуществляется от сети переменного тока. Во многих применениях использование МДП-транзистора в системах управления электродвигателями является единственно возможным практическим решением [6].

Управление электродвигателями постоянного тока, работающими от источника постоянного напряжения, является совершенно другой задачей и здесь исчезает своеобразное преимущество тиристоров: возможность их переключения при переменной полярности коммутируемого напряжения электросети переменного тока. Переключение тиристоров в .цепи постоянного тока является достаточно сложной задачей. Более того, в этом случае уже не требуется обеспечивать выпрямления переменного напряжения, поскольку для электродвигателей постоянного тока имеется источник постоянного напряжения.

Может возникнуть вопрос: где может появиться необходимость в таких системах управления и где область применения полевых транзисторов? Бесспорно, что одной из наиболее широких областей применения является автомобильная промышленность. Здесь все связанное с электрическим управлением ориентировано на работу от постоянного напряжения 12 В, обеспечиваемого аккумуляторной батареей. Новые автомобили становятся электронным чудом, в которых микропроцессор участвует в решении практически всех задач, таких как управление вентилятором, используемым для охлаждения радиатора, щетками стеклоочистителя стеклами окон и, конечно, насосом для подачи горючего. В одних случаях необходимо управлять скоростью вращения электродвигателей, в других — достаточно просто включать или выключать их. Благодаря простоте управления мощными МДП-транзисторами непосредственно от логических и отсутствию трудностей, связанных с применением тиристоров, мощные ПТ представляют, по-видимому, целесообразное дополнение к современным электронным устройствам в наших автомобилях.