6.3. Электроприводы постоянного тока с широтно-импульсным регулированием

Развитие силовой преобразовательной техники, прежде всего силовых транзисторов с изолированным затвором (IGBT – биполярные транзисторы с изолированным затвором) открыло широкие возможности создания регулируемых источников постоянного напряжения (тока), которые находят широкое применение в электроприводах постоянного тока.

Основные достоинства IGB-транзисторов: высокие параметры силовой цепи (напряжение – до 1500В, ток до 500А с возможностью параллельной работы), малая мощность управления; высокая частота переключений – десятки кГц; модульная конструкция, объединяющая транзистор, быстродействующий обратный диод и элементы цепей управления и защиты, - делают эти приборы идеальными ключами, позволяющими с высокой частотой производить коммутацию электрических цепей.

Рис.6.17. Схема электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулятором напряжения

Принцип ра-боты привода с двигателем по-стоянного тока независимого возбуждения и транзисторным широтно-им-пульсным регулятором напряжения уясняется из рассмотрения схемы рис.6.17.

В этой схеме якорная цепь двигателя периодически подключается к источнику питания постоянного тока (неуправляемый выпрямитель UZ), имеющего постоянную величину напряжения U_П. Включение – отключение напряжения питания осуществляется ключом – транзистором VT. Частота коммутаций цепи постоянная, равная .

Величина среднего напряжения, поступающего к якорю двигателя, определяется отношением времени включенного состояния ключа t_в ко времени периода коммутаций , как это показано на рис.6.18. Если время включенного состояния велико и составляет порядка, то среднее напряжение, поступающее на двигатель, будет максимально и составлять. Если уменьшать время включенного состояния ключаVT, то среднее значение напряжения будет уменьшаться (оно пропорционально заштрихованной площади на рис.6.18, деленной на время Т_к).

Из рис.6.18 следует, что среднее напряжение широтно-импульсного регулятора равно

. (6.22)

Величину называют скважностью импульсов.

При размыкании ключаVT ток в якорной цепи двигателя прекратится мгновенно не может, т.к. цепь якоря обладает значительной ин-дуктивностью. Поэтому после отключения VT ток будет под действием э.д.с. самоиндукции обмотки якоря протекать через шунтирующий диод VD2. Переход тока якоря от транзистора VT к диоду VD2 иллюстрируется ди-аграммами, представлен-ными на рис.6.19. Вели-чина пульсаций тока зави-сит от частоты коммутаций ω_к – чем выше частота, тем меньше амплитуда пульсаций. В настоящее время широтно-импульсные регуляторы (ШИР) проектируются с частотой 2-10кГц и более. При высоких частотах амплитуды пульсаций тока будут незначительными и существенно меньше, чем при использовании тиристорных преобразователей с импульсно-фазовым управлением, питающихся от промышленной сети напряжением частотой 50Гц.

Среднее напряжение, поступающее на якорную цепь двигателя, будет равно и, следовательно, механические характеристики электропривода в данной схеме будут описываться выражением

.

Заметим, что величина скважности γ может изменяться от 0 до 0,95. Величина U_п зависит от схемы выпрямления. При достаточно мощном фильтровом конденсаторе она приближается к амплитудному значению линейного напряжения переменного тока.

Механические характеристики нереверсивного привода постоянного тока независимого возбуждения с ШИР регулятором напряжения аналогичны характеристикам на рис.6.13.

Рис.6.20. Схема реверсивного электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулятором напряжения

Важным достоинством схем с широтно-импульсным регулированием напряжения является то, что на входе преобразователя устанавливается неуправляемый выпрямитель, вследствие чего его cosφ₁ (по первой гармонике) близок к единице, а коэффициент мощности будет не ниже 0,95.

Для реализации реверсивного привода с ШИР-регулятором напряжения используется мостовая схема включения силовых транзисторных ключей, показанная на рис.6.20. В этой схеме якорь двигателя включен в диагональ моста ключей VT₁÷VT₄. Протекание тока в одном направлении происходит через транзисторные ключи VT₁-VT₃, в другом – через ключи VT₂-VT₄. Для обеспечения непрерывности тока служат диоды VD.

Широтно-импуль-сное регулирование напряжения может в данной схеме про-изводиться двумя способами: первый аналогичен рассмо-тренному для нере-версивных схем (рис.6.18), второй предусматривает двуполярную ком-мутацию за время каждого периода заданной тактовой частоты (рис.6.21). В последнем случае в течение времени t_в включены ключи VT₁ и VT₃, а в течение времени (Т_к-t_в) включены ключи VT₂ и VT₄. Среднее напряжение на нагрузке (якорной цепи двигателя) будет пропорционально разности заштрихованных площадей. Когда напряжение положительно, когдаоно равно нулю; когдасреднее напряжение отрицательно. Недостатком данного алгоритма ШИР является необходимость предусматривать некоторую паузу при переключении ключей.

Величина среднего напряжения при двухполярной коммутации будет:

,

где: - отношение времени включенного состояния ключей TV₁-TV₃ ко времени периода.

Применяется также комбинированный алгоритм коммутации, когда при значениях U<0,5U_п производится двуполярная коммутация, а при U>0,5U_п – однополярная, или когда на части периода Т_к открыты ключи VT₂-VT₄, на части все ключи закрыты.

В схемах с широтно-импульсными регуляторами и нерегулируемым источником постоянного тока режим рекуперативного торможения невозможен. Поэтому для приводов небольших мощностей используется режим противовключения с ограничением тока якоря величиной скважности. Энергия торможения расходуется в якорной цепи двигателя, вызывая нагрев обмоток. Возможен режим динамического торможения, когда якорная цепь двигателя замыкается на тормозной резистор R через транзисторный ключ VT₅.