2.5. Широтно-импульсные преобразователи

Широтно-импульсный преобразователь (ШИП), пре­образующий неизменное напряжение постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока, по сравнению с ТП характеризуется большей полосой пропускания и большей линейностью характеристик управления. По­этому ШИП находит применение в электроприводах с высокими быстродействием и точностью регулирования.

Силовые схемы ШИП выполняются на основе полностью управляемых вентильных приборов транзисторов и запираемых тиристоров или на основе аналогов полностью запираемых приборов - обычных тиристоров с узлами их искусственного выключения, называемыми узлами искусственной коммутации. Выходная ЭДС ШИП, прикладываемая к нагрузке, в зависимости от способа коммутации его вентилей представляет собой однополярные или разнополярные импульсы, регулируя скважность которых, можно плавно изменять среднее напряжение на нагрузке.

Однако широтно-импульсная модуляция выходного на­пряжения (ШИМ) вызывает дополнительные потери электроэнергии от пульсации рабочего тока и процессе коммутации вентилей. Для режимов рекуперации энер­гии потребуется источник питания ШИП, допускающий оба направления тока. При отсутствии такого источника обычно применяют неуправляемый выпрямитель, допол­няемый соответствующими цепями, в которых должна гаситься рекуперируемая нагрузкой электроэнергия. От­меченные недостатки ШИП ограничивают его примене­ние областью электроприводов небольшой мощности от до­лей кВт до нескольких киловатт.

Функционально ШИП состоит из двух частей: вход­ного блока Б1 - широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и выходного блока Б2 - вентильного коммута­тора (ВК) (рис. 2.24, а). Широтно-импульсный модуля­тор преобразует входную координату напряжение управления U_у во внутреннюю координату - скважность включения вентилей:

 = t_в /T_к, (2.65)

г де t_в - продолжительность включения положительного или отрицательного импульса напряжения, приложенно­го к нагрузке, для ШИП с однополярными импульсами или продолжительность положительного импульса для ШИП с разнополярными импульсами; T_к = t_в + t_о - пе­риод коммутации вентилей. Здесь t_о - продолжительность отключения импульса для ШИП с однополярными импульсами или продолжительность отрицательного импульса для ШИП с разнополярными импульсами.

В состав ШИМ входят генератор опорного напряже­ния (ГОН), вырабатывающий опорное напряжение пилообразной формы U_оп с частотой f_к = 1/T_к, пороговое устройство (ПУ), дающее сигнал минимального уровня (нулевой сиг­нал) при U_оп - U_у > 0 и сигнал максимального уровня (единичный сигнал) при U_оп - U_у > 0, формирователь управляющих импульсов (ФУИ), преобразующий сигналы ГОН и ПУ в соответствующие управляющие импульсы для силовых вентилей коммутатора К (рис. 2.24, б). Вентильный коммутатор реализует посредством включе­ния и отключения вентильных ключей - тиристоров или транзисторов - заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП, среднее значение которой определяется интегралом

, (2.66)

где е_d - мгновенная ЭДС ШИП, прикладываемая к на­грузке.

На рис. 2.25, а приведена простейшая нереверсивная схема вентильного коммутатора, состоящая из одного ключа ВК и одного диода VD, которая обеспечивает од­нополярные импульсы выходной ЭДС со средним значе­нием, согласно (2.66), равным

, (2.67)

где U_п - напряжение источника питания на входе ШИП.

Диод VD создает контур для протекания тока под действием ЭДС самоиндукции на интервале отключения коммутатора. Для реверсивной мостовой схемы вентиль­ного коммутатора, приведенной на рис. 2.25, б, возмож­ны различные законы коммутации ключей. При симметричной коммутации вентили включаются парами пооче­редно, а именно на интервале t_в включены BKI и ВКЗ и отключены ВК2, ВК.4, а на интервале t_о=T_к - t_в, на­против, включены ВК2, ВК4 и отключены BKI, ВКЗ. Та­кой закон коммутации создает на нагрузке разнополярные импульсы ЭДС со средним значением согласно (2.66) равным

. (2.68)

П ри данном способе коммутации ток нагрузки в тече­ние периода не прерывается даже при Е_d=0 за счет воз­можности его протекания в обоих направлениях. Это обусловливает во всем диапазоне изменения тока на­грузки режим непрерывных токов, что обеспечивает ли­нейность внешних характеристик ШИП. Однако работа ШИП с дву-полярными импульсами напряжения харак­теризуется повышенными пульсациями тока нагрузки.

Однополярные импульсы выходного напряжения ШИП получаются при другом законе коммутации, по­лучившем название закона поочередной (несимметричной) коммутации. При этом коммутируется одна диагональная пара вен­тильных ключей. Каждый вентильный ключ пары вклю­чается на интервал времени t_в+Т_к с временным сдви- гом включения одного вентильного ключа относительно дру­гого на период T_к. Например, для создания на нагрузке положительных однополярных импульсов ЭДС на нагрузке должны коммутировать ключи ВК1 и ВК3. В интервалы времени t_в, когда включены оба вен­тильных ключа, появляется положительный импульс ЭДС, а на интерва­ле t_о, когда включен только один из этих вентильный ключей, им­пульс ЭДС отсутствует, а ток самоиндукции замыкается через включенный вентильный ключ и один из диодов.

Для изменения полярности ЭДС, то есть для получения отрицательных однополярных импульсов на нагрузке аналогично комму­тируется другая пара вентильных ключей (ВК2 и ВК4).

Анализ работы ШИП, нагрузкой которого является обмотка якоря дви­гателя постоянного тока, позволяет определить важный показатель ШИП - пульсации тока, вызываемые коммутацией вентилей

, (2.69)

где k = 1 для однополярных импульсов ЭДС; k = 0,5 для разнополярных импульсов ЭДС; R_я - сопротивление якорной цепи двигателя; Т_я - электромагнитная постоянная времени якорной цепи.

Из (2.69) следует, что максимальные пульсации тока имеют место при  = 0,5 и при несимметричной коммута­ции они вдвое меньше, чем при симметричной коммута­ции. В этом достоинство схемы ШИП с несимметрич­ным законом коммутации.

Н а рис. 2.26 приведена нереверсивная схема ШИП с двумя транзисторными ключами. В данной схеме транзистор VT2, коммутируе­мый в противофазе с транзистором VT1, позволяет из­менить направление тока нагрузки и осуществить тормозные режимы двигателя М. Схема обеспечивает режим непрерывного тока при любой нагрузке и регули­руемую скорость холостого хода двигателя. Для проте­кания токов самоиндукции схема дополняется диодами, включаемыми встречно-параллельно двигателю М (диод VD2) и транзистору VT1 (диод VD1).

На рис. 2.28, б показаны внешние характеристики нере­версивных ШИП с режимом торможения. Если из рассматриваемой схемы исключить транзистор VT2 и диод VD1, то режим торможения будет невозможен. Внешние характеристики нереверсивных ШИП без режима торможения показаны на рис. 2.28, а. Приведенные на рис. 2.28, а, б внешние характеристики соответствуют случаю, когда внутренние сопротивления элементов силовой схемы ШИП вынесены в цепь нагрузки. Если необходимо иметь внешние характеристики в четырех квадрантах их координат, то необходимо использовать реверсивную схему ШИП, которая может работать в тормозных режимах. Такая транзисторная мостовая схема приведена на рис. 2.27.

Т ак же, как и в ТП координата , в ШИП внутренняя координата  делит ШИП на две части - ШИМ и К (см. рис. 2.24, а), управляющие свойства которых опре­деляются характеристиками управления  = _у(U_у) для ШИМ и E_d = _к() для вентильного коммутатора К. Ре­зультирующая характеристика управления ШИП нахо­дится как сложная функция E_d = _к[_у(U_у)] = (U_у). Опорное напряжение, определяющее характеристику _у(U_у), должно иметь пилообразную линейную форму (рис. 2.29).

Д ля нереверсивного ШИП значение опорного напряжения в момент t_о, соответствующий переднему фронту положительного импульса ЭДС на нагрузке, равно

, (2.70)

а для реверсивного ШИП с разнополярными импуль­сами равно

. (2.71)

Так как начало положительного импульса соответствует условию U_у=U_оп, то с учетом этого из (2.70) и (2.71) могут быть получены характеристики управления ШИМ для ШИП с однополярными и разнополярными импульсами

; (2.72)

. (2.73)

Подстановка (2.72) в (2.67) и (2.73) в (2.68) даст уравнение результирующей характеристики управления ШИП, справедливое как для схем с симметричной коммутацией ключей, так и для схем с несимметричной коммутацией

. (2.74)

Как следует из (2.74), характеристика управления ШИП линейна. В нереверсивных схемах напряжение управления изменяется в пределах

,

а в реверсивных схемах в пределах

.

С точки зрения динамики, ШИП представляет импульсное звено. Для инженерных расчетов можно использовать передаточные функции ШИП в линейном приближении в виде апериодического звена первого порядка или звена чистого запаздывания

; (2.75)

, (2.76)

где - коэффициент усиления ШИП, который при линейной характеристике управления (2.74) равен U_п /U_пm; - постоянная времени ШИП.

В большинстве практических случаев все постоянные времени системы автоматики, где используется ШИП, более чем на один порядок превышают период коммутации ключей T_к, поэтому допустима передаточная функция ШИП в виде

.

Как элементы систем автоматики широтно-импульсные преобразователи рассмотрены в /1/.