книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики

Рис. 7.15

кроме того, легко осуществить регулирование как величины, так и частоты выходного. напряжения. Комбинированные структуры ПЧ, сочетающие в себе свойства СОК и СОУ (рис. 7.16, а), позволяют осуществить и фазовое регулирование выходного напряжения при улучшении его качества. Однако следует отметить, что введение ВПЭ в описанные структуры ПЧ не влияет на коэффициент использования ключевых элементов, который остается достаточно низким.

Сравнивая качество ступенчатого напряжения и напряжения с ОШИМ можно отметить, что АИМ и ее разновидности позволяют устра­ нить большее число гармоник, близлежащих к основной, чем ШИМ.

291

Коэффициент kT при АИМ меньше, чем при ШИМ, и снижается при увеличении числа аппроксимирующих уровней. Амплитуды гармоник при АИМ меньше, чем при ШИМ, и не увеличиваются с ростом числа уровней, т. е. многоуровневые формы выходного напряжения при одинаковом количестве импульсов на полупериоде выходной частоты аппроксимируют синусоидальный закон с большей точностью, причем наилучшим гармоническим составом обладает многоуровневое напря­ жение при отсутствии пауз между импульсами (СМ). Точность аппро­ ксимации тем выше, чем больше количество аппроксимирующих уров­ ней, и при достаточно большом их числе можно исключить сглажи­ вающие фильтрующие элементы, что нельзя сделать, в принципе, при ШИМ. Существенным недостатком ПЧ со ступенчатой аппроксимацией выходного напряжения является необходимость применения значи­ тельного количества ключевых элементов, причем их количество долж ­ но быть тем больше, чем больше требуемая точность аппроксимации. Этот недостаток может быть устранен при использовании режима квантования с применением ИКМ.

Необходимость регулирования выходного напряжения ПЧ ;в до­ статочно широких пределах возникает в результате колебаний напря­ жения источника питания, изменения режима работы ПЧ (регулиро­ вание частоты, изменение величины и характера нагрузки) или вслед­ ствие необходимости регулирования напряжения на нагрузке по за­ данному закону.

Выходное напряжение можно регулировать различными метода­ ми: амплитудным, широтно-импульсным, фазовым. Наиболее простым является амплитудный метод регулирования, который может быть реализован регулированием напряжения постоянного тока на входе ПЧ или регулированием напряжения переменного тока на выходе ПЧ. Регулирование напряжения постоянного тока на входе ПЧ имеет существенные недостатки, связанные с необходимостью включения на входе ПЧ сглаживающего фильтра с двухступенчатым преобразова­ нием энергии и малым диапазоном регулирования. Регулирование на­

совмещения функций формирования кривой выходного напряжения и его регулирования.

Наиболее широкими возможностями по регулированию обладает фазовый метод, при котором ПЧ состоит из нескольких инверторов с соединенными последовательно выходными цепями. При изменении фазового сдвига, например двух инвертированных напряжений, вы­ ходное напряжение, являющееся геометрической суммой напряжений обоих инверторов, плавно регулируется. Фазовое регулирование ис­ пользуется в основном при построении ДПЧ с СОК, при этом общая мощность распределяется между инверторами, что позволяет избежать параллельного соединения ключевых элементов.

Рассмотрим способ формирования квазисинусоидального напря­ жения с АШИМ и промежуточным повышением частоты, базирующей­ ся на основе фазового метода регулирования и стабилизации. Он за-

29 2

Р и с. 7.17

ключается в том, что формируются две группы высокочастотных на­ пряжений. В первой из них фазы напряжений неизменны и синфазны по отношению друг к другу. Фазы высокочастотных напряжений вто­ рой группы поочередно сдвигаются друг за другом по закону эталон­ ного напряжения (например, синусоидального). При этом в начале каждого полупериода эталонного напряжения высокочастотные на­ пряжения второй группы противофазны напряжениям первой группы. Выделение низкочастотного квазисинусоидального напряжения с АШИМ осуществляется посредством демодуляции суммарного высо­ кочастотного напряжения обеих групп.

Один из возможных вариантов построения ПЧ с АШИМ и проме­ жуточным повышением частоты, питающийся от источника постоянно­ го напряжения ИП, реализующий рассматриваемый способ формиро-. вания квазисинусоидального напряжения, представлен на рис. 7.17. Рассмотрим его работу для случая, когда каждая из групп высокоча­ стотных напряжений формируется двумя инверторными ячейками И1, И2 и ДИ1, ДИ2. Синхронизируемый высокочастотным напряжением VG задающего генератора G блок генераторов пилообразного напря­ жения БГПН вырабатывает два пилообразных напряжения £/гпш и £ /г п и 2 , смещенных по амплитуде друг относительно друга таким обра­ зом,. что максимальное значение £/гпш равно минимальному значению Uгпн2 (рис. 7.18). Эти напряжения поступают на одни входы ам­ плитудных компараторов КМ1 и КМ2. На вторые их входы подается напряжение Uв двухполупериодного выпрямителя В, которое, если пренебречь влиянием схемы обратной связи ОС, будет представлять собой выпрямленное напряжение генератора эталонной синусоиды ГЭС. При изменении напряжения UB в интервале времени t0— tx на выходе компаратора КМ1 формируется широтно-модулированное на-

293

IV

о1 п п п п п п п п п п п . п п .

этом фазовый сдвиг напряжения U<t>ci сохраняет свое конечное зна­ чение. Дальнейшее изменение напряжения UB в интервале времени (*i ~ Q запускает компаратор КМ2, что влечет за собой аналогичное изменение фазы напряжения и Фс2 на выходе фазосдвигающей схемы ФС2. В интервале времени (t2— ts) и (tB— Q процессы изменения фаз напряжений С/ф сь 0 Фс2 идут в обратном порядке. Напряжения и Фс\, и Фс2 являются управляющими соответственно для инверторных ячеек ДИ1, ДИ2 с выходными напряжениями £/дш, £/дизТаким образом, напряжение UB при выходе из зоны регулирования КМ1 попадает в зону регулирования КМ2, чем и достигается в конечном счете пооче­

294

редный фазовый сдвиг высокочастотных напряжений инверторных ячеек ДИ1, ДИ2. Инверторные ячейки И1, И2 синхронизируются напряжением £/<? задающего генератора, и фаза их напряжений £/иь Um в процессе работы не изменяется. В результате суммирования £/дш. Uди2 > Uvu, Um на выходе демодулятора Д формируется высоко­ частотное напряжение V£. Управление демодулятором осуществляется с помощью фазореверсирующей схемы ФР, которая в моменты перехо­ да напряжения ГЭС через нуль, фиксируемые ноль-органом НО, изме­ няет на своем выходе фазу напряжения Uo на 180°. При этом на выхо­ де демодулятора Д формируется квазисинусоидальное напряжение £/пч с АШИМ.

Следует отметить, что любому мгновенному значению напряжения ■ ГЭС от нуля до максимума соответствует строго определенный фазовый сдвиг напряжений инверторных ячеек ДИ1, ДИ2, однозначно опреде­ ляющий величину выходного напряжения. В связи с этим преобразо­ ватель обладает диапазоном регулирования квазисинусоидального на­

£/гпнь квазисинусоидальное напряжение имеет вид обычной одно­ сторонней шим.

Заметим, что И1, И2 могут быть заменены одной инверторной ячейкой с удвоенной амплитудой высокочастотного напряжения. Ис­ пользование инверторных ячеек, выполненных по мостовой схеме, позволяет вдвое уменьшить их количество. При этом, одни плечи мо­ стовых инверторов синхронизируются G, а другие — фазосдвигающими схемами ФС1, ФС2. Для улучшения формы выходного напряжения преобразователя, по сравнению с рассмотренной, количество инвер­ торных ячеек с фазовым регулированием можно увеличить. Это при­ ведет к увеличению числа ступеней в выходном напряжении и, как следствие, к уменьшению доли напряжения с ШИМ.

Недостатком рассмотренного ПЧ является сложность формирова­ ния пилообразных напряжений со стабильным сдвигом по амплитуде. Изменение его в ту или иную сторону неизбежно ведет к искажению выходного напряжения. Например, при разрыве между Umm и Umm появляется зона нечувствительности, в которой отсутствует связь между текущим значением эталонного напряжения и шириной импуль­ сов амплитудных компараторов.

Данный недостаток устраняется, если БГПН вырабатывает два пилообразных напряжения £/гпш. Umm с противоположными накло­ нами и без амплитудного сдвига. В этом случае выходное напряжение с АШИМ, формируемое за счет суммирования напряжений Um, Г/иг. £/диь £/дИ 2 инверторных ячеек, будет иметь двустороннюю модуляцию.

Достоинством рассмотренного ДПЧ с суммированием в общем кон­ туре и промежуточным повышением частоты является возможность унификации инверторных ячеек, а также его работа с напряжениями типа «меандр» или близкими к ним.

На рис. 7.19, а представлена структура ДПЧ с ИКМ и высокоча­ стотным промежуточным преобразованием, содержащая модулятор М, амплитудный квантователь АК с высокочастотным трансформатором,

295

демодулятор ДМ и схему управления СУ. АК и ДМ выполнены на клю­ чевых элементах с двусторонней проводимостью, причем АК включает в себя ряд последовательно соединенных по выходу силовых модулей, каждый из которых представляет собой замкнутую цепь из последова­ тельно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых эле­ ментов, силовые электроды одного из которых образуют выходы модуля.

Напряжения на вторичных обмотках трансформатора пропорцио­ нальны весам двоичных разрядов

где U0— шаг квантования напряжения по уровню. На выходе М формируется напряжение

и„ = Unsip (<out).

296

Д ля коммутации ключевых элементов АК СУ вырабатывает управ­

ксимирующая выходной сигнал требуемой формы. Тогда выходное на­ пряжение АК запишется в виде

«АК = sip (< )M0 ф (0-

После демодуляции этого напряжения на выходеДМ формирует­ ся напряжение, соответствующее коммутационной функции. Процесс формирования выходного напряжения ПЧ представлен на рис. 7.19, б.

Рассмотренная структура ПЧ содержит АК, выполненный по схе­ ме, подобной схеме с СОУ. При этом формирование выходного напря­ жения заданной формы осуществляется за счет замыкания ключей 5Ai„ и в соответствии с управляющим кодом. При реализации этой структуры ПЧ необходимо применять специальные импульсные усилители, формирующие импульсы управления ключами произволь­ ной длительности, что довольно затруднительно и требует немалых аппаратурных затрат. Поэтому в ряде случаев целесообразно АК выполнять по схеме с СОК (рис. 7.20. а). При этом структура ПЧ со­ держит несколько модуляторов, число которых равно числу силовых модулей АК, выполненных по схеме с СОУ. Модуляторы выполняются по мостовой схеме инвертора напряжения с трансформаторным выхо­ дом. Напряжения на вторичных обмотках трансформаторов Uv ..Un пропорциональны весам двоичных разрядов. Частота этих напряжений одинакова и соответствует частоте высокочастотного преобразователя ПЧ. Каждый из модуляторов включается в работу в соответствии с

рис. 7.20, б.

При организации многофазных структур ПЧ преобразовательный тракт содержит соответствующее число силовых каналов, включаю­ щих в себя модулятор, амплитудный квантователь и демодулятор. Управляющая память блока управления при этом содержит соответ­ ствующее число массивов информации, значения которых сдвинуты при программировании на определенный интервал.

Рассмотренная структура ПЧ может эффективно использоваться при построении двухзвенных ПЧ, так как предусматривает режим питания от источника постоянного напряжения. Однако принципы ИКМ позволяют организовать структуру ПЧ, которая принципиально устраняет двойное .преобразование электроэнергии при питании ПЧ от сети переменного тока.

Структурная организация такого ПЧ представлена на рис. 7.21. Он включает в себя преобразовательный тракт, содержащий последо­

297

РИС. 7.22

венно на информационные входы АНП и АУС, которые управляются КАНП и КАУС. На каждом интервале квантования по времени на выходах анализаторов формируются многоразрядные коды, соответ­ ствующие мгновенным значениям функций ип (t) и Ху(/>. Эти коды по­ ступают на информационные входы ФП, который на каждом интер­ вале квантования формирует код, соответствующий коммутационной функции

Тогда на выходе АК формируется напряжение

ыак = «п (О Ф (0 sip К ,0 = Хуsip (wM0.

Процесс формирования выходного напряжения ПЧ при условии синусоидальности функций ип (/) и Ху (t) представлен на рис. 7.22.

Нетрудно заметить, что искажения выходного напряжения обус­ ловлены степенью квантования по уровню и дискретизаций во вре­ мени сигналов и соотношением частот напряжения питания, модуля­ ции и задающего сигнала.

299

Отметим, что аналогично рассмотренной выше структуре ПЧ мо­ дулятор и демодулятор выполняются по мостовой схеме инвертора напряжения, а АК может быть выполнен как по схеме с СОУ, так и по схеме с СОК. При этом напряжения на вторичных обмотках тран­ сформатора пропорциональны весам двоичного кода.

При питании ПЧ от однофазной сети переменного тока в выходном напряжении изображены провалы до нуля. Исключение составляет случай равенства частоты напряжения питания и частоты выходного напряжения. Для устранения таких искажений целесообразно ис­ пользование трехфазного напряжения питания и, соответственно, трех комплектов модулятор-квантователь. Формирование выходного напряжения при этом осуществляется за счет суммирования напря­ жений, полученных в результате пофазной АИМ трехфазной системы переменного напряжения одной частоты трехфазной системой комму­ тационных функций другой частоты. Однако в том случае, когда мощ­ ность нагрузки несоизмеримо мала по сравнению с мощностью пита­ ющей сети, устранение искажений возможно путем использования двухфазного напряжения питания. При этом два комплекта модуляторквантователь подключается к фазному и линейному напряжению пи­ тания.

Рассмотренные структуры ПЧ позволяют получить высокое ка­ чество выходного напряжения произвольной формы, в том числе си­ нусоидальной. при отсутствии выходных энергетических фильтров,- обеспечивая при этом большой частотный диапазон (включая низкие и инфракрасные частоты), широкий диапазон регулирования ампли­ туды напряжения, возможность реализации требуемого закона регу­ лирования (причем на программном уровне), минимальный уровень дополнительно уносимых искажений формы кривой выходного напря­ жения во всем диапазоне его регулирования, а также возможность реализации функции регулирования совместно с функцией форми­ рования кривой выходного напряжения в едином функциональном узле.

На рис. 7.23, а представлена структура ПЧ, обеспечивающая как преобразование, так и регулирование и стабилизацию выходного на­ пряжения и его формы. Преобразовательный тракт ПЧ включает в се­ бя амплитудный квантователь АК, содержащий две группы последо­ вательно соединенных по выходу силовых модулей (рис. 7.23, б). Ключевые элементы одной из групп силовых модулей связаны пораз­ рядно с информационным выходом блока управления (БУ), на кото­ ром формируется многозначный код Хп, управляющий формой выход­ ного напряжения. Кроме того, структура содержит цифровой сумма­ тор SM1, на выходе которого формируется код Z, поступающий через блок инверторов (БИ) на управление ключевыми элементами другой группы силовых модулей АК, а также цифровой сумматор SM2, на входы которого поступают управляющий код Х п и задающий код амплитуды выходного напряжения Х 3, а выход поразрядно соединен с одним из входов цифрового сумматора SM J. Рассмотрим более подробно работу схемы этого ПЧ. Очевидно, что величина выходного напряжения по ряду причин может не соответствовать коду Х п, фор-

300