Реверсивный шип постоянного напряжения три способа управления

8) Широтно-импульсные преобразователи. Принцип работы, достоинства и недостатки.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

8.1.Процессы в транзисторных широтно-импульсных преобразователях

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсного модулирования входного напряжения называют импульсным регулированием. Сущность его состоит в периодическом дозировании потока энергии, передаваемого от источника питания потребителю и обратно. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять путем изменения параметров выходных импульсов: их длительности τu и периода следования Т. Отсюда можно получить несколько способов импульсного регулирования, а именно:

1) широтно-импульсный, при котором τu = var, T=const;

2) частотно-импульсный, при котором τu=const ,T=var;

3) широтно-частотный, при котором τu = var, T=var.

Чаще всего применяется широтно-импульсное регулирование, при использовании которого достоинства импульсных методов управления проявляются в наибольшей степени.

Выходные каскады широтно-импульсных преобразователей проще выполнять на полностью управляемых вентилях: транзисторах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью управляющих импульсов.

При выходной мощности до нескольких десятков киловатт в качестве ключей целесообразно применять транзисторы.

Основными достоинствами транзисторных импульсных преобразователей по сравнению с тиристорными являются высокая частота коммутации, позволяющая получать благоприятный спектр выходного напряжения и тока, и полная управляемость, приводящая к отсутствию узлов принудительной коммутации. Недостатком является наличие коммутационных перенапряжений на транзисторах. Поэтому транзисторные импульсные преобразователи и применяются в источниках вторичного электропитания для вычислительных машин, в системах связи, устройствах автоматики, а также в автоматизированных системах электропривода малой и средней мощности.

Классификация широтно-импульсных преобразователей.

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) можно классифицировать по ряду признаков.

Как указывалось выше, ШИП можно различать в зависимости от типа используемых в силовой части полупроводниковых приборов:

а) ШИП на полностью управляемых вентилях;

б) ШИП на тиристорах.

Указанные ШИП разделяют на нереверсивные и реверсивные.

Нереверсивные ШИП преобразуют входное напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности.

Реверсивные ШИП преобразуют входное напряжение или в переменное разной по полупериодам длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.

Нереверсивные ШИП в зависимости от места включения управляемого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на три типа:

1) понижающие ШИП, в которых управляемый полупроводниковый прибор и дроссель фильтра включены последовательно с нагрузкой;

2) повышающие ШИП, в которых дроссель включается последовательно, а управляемый вентиль — параллельно нагрузке;

3) инвертирующие ШИП, в которых управляемый вентиль включен последовательно, а дроссель параллельно по отношению к нагрузке.

8.2 Широтно-импульсные преобразователи понижающего типа.

Импульсный преобразователь понижающего типа, является преобразователем постоянного напряжения. Полупроводниковые управляемые ключи, регулирующие процесс передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, характеризуются двумя состояниями: «замкнуто» и «разомкнуто».

На рис. 6.1,а приведен широко распространенный вариант импульсного преобразователя напряжения понижающего типа (ИПП-1) с диодно-транзисторным переключателем, схема замещения которого показана на рис.6.1,6.

Роль регулирующего элемента выполняет транзистор VT. В выходную цепь преобразователя входит нагрузка ZН активно-индуктивного характера и сглаживающий фильтр, в общем случае содержащий дроссель Lф и конденсатор Сф .

Диод VD, включенный в обратном направлении относительно напряжения выходной цепи, является необходимым элементом схемы и предназначен для создания в ней контура протекания тока нагрузки при размыкании управляющего ключа.

На интервале включенного ключа SW1 (pис.6.I,в) напряжение питания Ud подключается к сглаживающему фильтру и выходное напряжение Uн=Ud .

Обратный диод VD закрыт и через нагрузку протекает ток iН от источника питания. Ток будет достигать максимального значения в момент размыкания ключа SW1 (рис.6.1,г).

Рис.6.1. Импульсный преобразователь понижающего типа с диодно-транзисторным переключателем.

Далее, напряжение на дросселе изменяет полярность, ток через нагрузку начинает уменьшаться и протекать по контуру через обратный диод, UH = 0.

После замыкания ключа SW2. возможны различные режимы работы схемы, определяемые характером изменения тока.

В конце интервала приложения напряжения ток iH может быть положительным или равным нулю. Первый случай получил название режима непрерывного тока, его временные диаграммы приведены на рис. 6.2. Указанный режим возникает, если в конце интервала дискретности сохраняется часть энергии, накопленной реактивными элементами: дросселем Lф и индуктивностью нагрузки LH.

Рис.6.2. Временные диаграммы напряжения и токов понижающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Если же запасаемая энергия равна нулю, то возникает второй случай, называемый режимом прерывистого тока (риc.6.3).

Рис.6.3. Временные диаграммы напряжения ж токов понижающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Характер изменения тока в нагрузке в значительной степени определяет вид количественных, соотношений, описывающих схемы импульсных преобразователей напряжения.

Следует отметить, что режим непрерывного тока при повышенной мощности нагрузки и широком диапазоне ее изменения по сравнению с режимом прерывистого тока обеспечивает преобразователям определенные положительные свойства.

Среднее значение напряжения на нагрузке равно:

где γ = τи/T коэффициент заполнения импульсов; τи — длительность импульсов; Т — период коммутации; Ud — напряжение источника.

Таким образом, изменяя величину коэффициента заполнения, можно получать на выходе широтно-импульсного преобразователя различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое для преобразователей понижающего типа меньше напряжения источника питания.

Мгновенные значения тока нагрузки во время импульса и паузы могут быть получены различными способами, например, из решения дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в преобразователе.

В режиме непрерывного тока указанные уравнения имеют вид при условии, что внутреннее сопротивление источника питания и активное сопротивление дросселя стремятся к нулю

где L — суммарная индуктивность фильтра и нагрузки; RH -активное сопротивление цепи нагрузки.

Решение для тока нагрузки имеет вид:

постоянная времени цепи нагрузки.

Максимальное и минимальное значения тока нагрузки (тока через транзистор и обратный диод) можно найти из выражения (5.1) для моментов t=0 и t = tи :

Амплитуда пульсаций тока нагрузки

Из выражения (2.2) следует, что амплитуда максимальна при γ = 0,5.

Среднее значение тока нагрузки

определяется средним значением напряжения и сопротивлением нагрузки.

В режиме прерывистого тока амплитуда размаха пульсаций тока зависит от его максимального значения:

8.3 Импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа.

На рис.6.4,а приведена простейшая силовая схема повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения с параллельным включением транзистора и нагрузки и последовательным по отношению к ним включением дросселя Iф, Схема замещения такого преобразователя показана на рис.6.4,б.

При открытом состоянии транзистора VT дроссель Lф подключен к источнику электрической энергии, диод VD закрыт, нагрузка от источника отключена и конденсатор поддерживает уровень выходного напряжения.

На указанном интервале времени ток iL через дроссель увеличивается до максимального значения (рис.6.4,в). При запирании транзистора, т.е. при размыкании ключа SW1 и замыкании SW2 (рис.6.4,г), энергия, накопленная в дросселе на первом интервале, поступает на выход схемы в RC-цепь. При этом ток дросселя Lф уменьшается по линейному закону, достигая в конце интервала своего минимального значения. Если преобразователь работает в режиме непрерывного тока (рис.6.5), то максимальное и минимальное значения тока дросселя, транзистора и диода определяются следующими выражениями:

Рис.6.4. Импульсный преобразователь напряжения повышающего типа

Рис.6.5. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Амплитуда пульсаций тока дросселя

Среднее значение тока нагрузки будет определяться током дросселя на втором участке периода коммутации

где Тэ=Lф/Rэ; t0 – момент запирания транзистора

Если принять допущения, что пульсации входного и выходного токов, а также напряжения питания отсутствуют, можно получить из выражения (2.3) уравнения внешней характеристики:

где RВH — внутреннее сопротивление источника литания; Е — ЭДС источника.

При увеличении сопротивления нагрузки ток IL уменьшается быстрее и может наступить режим прерывистых токов дросселя (рис.6.6).

Рис.6.6. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме прерывистого тока.

Если в режиме непрерывного тока за счет увеличения индуктивности размах пульсаций можно сделать сколь угодно малым, то в режиме прерывистого’ тока

8.4 Инвертирующий широтно-импульсный преобразователь.

В инвертирующем ШИП (рис. 6,7,а, б) дроссель фильтра включен параллельно, а мощный транзистор — последовательно по отношению к нагрузке.

При открытом состоянии силового транзистора VT диод VD закрыт под действием сумм напряжений источника питания и нагрузки, приложенных к нему в обратном направлении, вследствие чего, нагрузка от источника электроэнергии отключена (рис.6,7,.в). При этом параллельно источнику подклинен дроссель Lф, в котором происходит накопление энергии.

В момент закрывания транзистора VT энергия, накопленная в дросселе, поступает в конденсатор Сф и нагрузку через открывшийся диод (рис.2.7,г), а полярность выходного напряжения преобразователя будет противоположной полярности питающего напряжения. Временные диаграммы токов и напряжения для режима непрерывного тока дросселя приведены на рис.6.8.

Для режима непрерывного тока учитываем, что при открытом состоянии транзистора к дросселю приложено напряжение питании Ud , а при закрытом — UH.

Максимальное и минимальное значения тока дросселя, транзистора и диода:

Рис.6.7. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения

Источник

Реверсивный ШИП

Он строится по мостовой схеме.

Работа реверсивного широтно-импульсного преобразователя (ШИП’а) зависит от способа управления транзисторами, который осуществляется через их базовый электрод. Используется смметричный и несимметричный способы управления.

При симметричном управлении на транзисторы VT1, VT3 подаются импульсы одной полярности, а на VT2, VT4 – другой. При симметричном управлении в период на VT1, VT3 подаются положительные импульсы , а в период на VT2, VT4 – отрицательные импульсы. Это приводит к импульсному характеру изменения тока якоря и .

При , вращения нет.

Способ позволяет легко переходить на обратное вращение, то есть реверсироваться. Исключается режим прерывистых токов, но снижается КПД, увеличивается нагрузка на ДПТ, ухудшая его импульсный характер работы.

При несимметричном управлении импульсы подаются только в период времени на транзисторы VT1, VT3 при прямом вращении или на транзисторы VT2, VT4 при обратном вращении.

В период времени ток якоря в нужном направлении поддерживается через диоды VD1-VD4. КПД повышается, уменьшается импульсный характер работы, но при малых нагрузках возможен режим прерывистого тока.

Регулируемый привод с обратной связью по скорости и току и одним усилителем.

Обратная связь по скорости обеспечивает повышение точности вращения.

Так как .

Датчик тока (ДТ) обеспечивает обратную связь по току якоря, который связан с моментом

Поэтому регулирование тока якоря обеспечивает изменение момента особенно в переходных режимах, что позволяет обеспечить высокое быстродействие, вводится для снижения времени переходных процессов.

Датчики тока могут быть выполнены:

1. в виде шунта (резистора с малым сопротивлением).

, то есть соответствует низкой чувствительности и необходимо усиливать этот сигнал. снижает жёсткость механической характеристики и КПД.

2. в виде трансформаторов переменного тока, устанавливаемых в первичной обмотке силового трансформатора.

Выходное напряжение составляет несколько вольт, но оно переменное и его необходимо выпрямлять.

3. трансформаторы постоянного тока в якорной цепи,

4. датчики Холла.

Механическая характеристика разомкнутого привода имеет вид:

Учитывая, что замыкание сигналов обратной связи по скорости и току осуществляется на одном усилителе, где они суммируются, то .

Отсюда

, — замкнутые по скорости и току. Обратная связь по скорости повышает жёсткость механической характеристики, а обратная связь по току снижает жёсткость механической характеристики.

Устройство токоограничения (УТО).

УТО обеспечивает ограничение тока якоря допустимыми значениями.

УТО могут быть выполнены в виде УТО с отсечкой или упреждающего УТО.

1. УТО с отсечкой является нелинейным элементом. То есть при , а при

В I зоне обратная связь по току отсутствует и за счёт механическая характеристика жёсткая. Во II зоне при токе большем жёсткость механической характеристики резко падает. Из-за сильной отрицательной обратной связи по току ДПТ может работать в этом случае при токе стопорения и при .

Такие механические характеристики называются экскаваторными. При расточные станки могут работать на жёсткий упор, когда скорость подачи резца равна нулю, но он вращается и в отверстии дно выхаживается.

УТО с отсечкой реализуется схемами с диодом или стабилитроном.