2. Применение шим

ШИМ широко применяется в устройствах силовой электроники. Для питания установок электропривода переменного тока и в системах электропитания различных потребителей широко используют инверторы напряжения, корректоры коэффициента мощности и активные выпрямители. Для обеспечения высокого качества электрической энергии на входе и (или) выходе таких преобразователей применяют различные виды широтно-импульсной модуляции.

2.1 Частотные преобразователи асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространённым типом электрической машины. Его конструкция, принципиально разработанная ещё в конце XIX века, сохранилась до сих пор и поныне является одной из самых дешевых и долговечных электрических машин, что объясняется отсутствием щёток и контактных колец: принцип работы двигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля. Длительное время асинхронный двигатель использовался, в основном, в нерегулируемых электроприводах [3].

При всех известных способах регулирования скорости асинхронно двигателя только электропривод с регулированием путём изменения частоты напряжения может обеспечить большой диапазон регулирования и приемлемую точность поддержания скорости.

Сегодня наиболее распространённый тип электропривода с двигателем переменного тока включает в себя приводной преобразователь на основе преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и инвертором с ШИМ. В преобразователь встроена система управления привода с микропроцессорным управлением (МПУ) и внешним интерфейсом, обеспечивающим пользователю максимум возможностей для использования привода в самых различных отраслях промышленности.

В преобразователях со звеном постоянного тока переменное выходное напряжение формируется автономным инвертором из напряжения постоянного тока. Для питания от промышленной сети переменного тока в состав ПЧ входит управляемый или неуправляемый выпрямитель. ПЧ со звеном постоянного тока подразделяются на преобразователи с автономным инвертором тока (АИТ) и автономным инвертором напряжения (АИН). Последние используются наиболее широко.[3]

Синусоидальная форма тока обмотки статора наиболее благоприятна для питания асинхронного двигателя. Форму тока, близкую к синусоидальной, могут обеспечить инверторы с ШИМ.

Наиболее распространённым типом ПЧ с ШИМ является преобразователь с неуправляемым выпрямителем в звене постоянного тока. При этом напряжение на входе инвертора не меняется, а регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Такие выпрямители выпускаются рядом электротехнических фирм с начала 90-х годов XX в., когда производители мощных полупроводниковых приборов освоили выпуск биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). IGBT представляет собой p-n-p-транзистор, управляемый через высоковольный n-канальный полевой транзистор. К достоинствам IGBT относятся низкие потери в импульсном режиме, управление напряжением и высокая допустимая плотность тока. Благодаря этим свойствам IGBT нашли широкое применение в современных преобразователях с ШИМ.

Принцип формирования ШИМ проще всего пояснить на примере однофазного инвертора, который питается от источника постоянного напряжения со средней точкой, структура которого показана на рис. 2.1.

Активно-индуктивная нагрузка Z_н включена между средней точкой источника питания и точкой соединения электронных ключей 1 и 2, каждый из которых включает в себя транзистор, работающий в ключевом режиме, и диод обратного тока. Система управления транзисторными ключами содержит в своём составе нуль-орган (НО) и формирователи Ф1 и Ф2. На входе нуль-органа сравниваются задающий сигнал u* и пилообразное опорное напряжение u_оп. Если разность u*>u_оп, то сигнал на выходе нуль-органа положителен, и на выходе формирователя Ф1 существует положительный сигнал f₁^*, открывающий соответствующий транзистор.

Рис. 2.1 Структура однофазного инвертора с ШИМ

К нагрузке оказывается приложено напряжение 0,5U_d, «положительное». При u*<u_оп, замыкается ключ 2 и напряжение на нагрузке становится отрицательным и равным -0,5U_d.

Рисунок 2.2а поясняет принцип работы полумостового инвертора напряжения. Он управляется симметричным опорным напряжением U_опт и напряжением задания u*, которое предполагается постоянным в течение периода T_ШИМ опорного напряжения. Среднее значение напряжения на выходе определяется как:

U = 0,5U_d(1 – 2T₂/T_ШИМ);

T_ШИМ = T₁+T₂,

Где T₁ и T₂ – интервалы замкнутого состояния ключей 1 и 2 соответственно.

Рис. 2.2. Характеристики передаточного коэффициента инвертора:

а) напряжения опорное и задания, б) регулировочная кривая инвертора

T_ШИМ – период широтно-импульсной модуляции, который равен f ^-1_ШИМ (частота задаётся вершинами «треугольников» опорного пилообразного напряжения).

Из регулировочной характеристики U=f(u*) на рисунке 2.2. б видно, что должно быть предусмотрено её ограничение на уровне 0,5U_d, так как для получения неискаженного напряжения на выходе задающий сигнал u* не должен превышать амплитуду опорного напряжения U_опт.

Схема трёхфазного мостового инвертора (рис. 2.3) включает в себя три плеча с транзисторными ключами, каждое из которых выполнено аналогично плечу однофазного инвертора. К средним точкам каждого из плеч подключено начало фазной обмотки статора двигателя, как это показано на рис. 2.3 (соединение обмоток звездой) или угол треугольника (в случае соединения обмоток треугольником). Управляющие сигналы представляют собой трёхфазную систему синусоидальных напряжений u*_1А, u*_1В, u*_1С, сдвинутых между собой на 120^О. [3]

Рис. 2.3 ПЧ с трёхфазным инвертором и ШИМ

1 – Автономный инвертор напряжения, 2 – система управления АИН