3.2.2. Нереверсивный понижающий шим,

работающий на двигательную нагрузку

Достаточно часто широтно-импульсные модуляторы применяют для регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока. Диапазон возможных мощностей ШИМ простирается от десятков ватт при питании всевозможных серводвигателей до сотен киловатт при регулировании частоты вращения электродвигателей транспортных средств.

Схема замещения ШИМ, работающего на двигательную нагрузку, приведена на рис. 3.3, где двигатель представлен в виде ЭДС E_d и индуктивности L_d. Если собственной индуктивности электродвигателя недостаточно для необходимого сглаживания тока, то в якорную цепь двигателя включают реактор. Далее будем считать активное сопротивление цепи постоянного тока R_d пренебрежимо малым по сравнению с результирующим индуктивным сопротивлением на частоте пульсаций, а под L_d будем понимать результирующую индуктивность.

Рис. 3.3. Схема замещения ШИМ, работающего на двигательную нагрузку (на ЭДС)

При работе нереверсивного ШИМ на ЭДС возможны режимы непрерывного и прерывистого тока I_d. Временные диаграммы напряжений и токов в отдельных элементах ШИМ для обоих режимов приведены на рис. 3.4.

Режим непрерывного тока. Средний ток I_d ограничивается активным результирующим сопротивлением выходной цепи R_d :

. (3.9)

ЭДС электродвигателя с учетом малого значения R_d

. (3.10)

а) б)

Рис. 3.4. Временные диаграммы напряжений и токов в отдельных элементах ШИМ: а – при непрерывном токе I_d , б – при прерывистом токе I_d

На обоих участках ток изменяется по линейному закону, граничные значения токов связаны со средним значением тока соотношением :

, . (3.11)

Режим прерывистого тока. В режиме прерывистого тока (рис. 3.4, б) после уменьшения тока I_d до нуля напряжение U_d равно ЭДС E_d, то есть среднее напряжение увеличивается.

Учитывая обозначения временных интервалов для режима прерывистых токов, уравнение (3.11) на момент уменьшения тока до нуля примет вид:

. (3.12)

Из уравнения (3.12) относительная продолжительность времени спада тока до нуля

, (3.13)

где - относительная ЭДС двигателя.

Среднее значение выходного тока ШИМ

. (3.14)

Введем базисное значение тока:

, (3.15)

Относительное значение выходного тока

. (3.16)

Из уравнения (3.16) легко получить уравнение внешней характеристики для режима прерывистого тока:

. (3.17)

Граница режима прерывистого тока описывается уравнением

. (3.18)

Семейство внешних характеристик ШИМ, работающего на ЭДС, приведено на рис. 3.5. Анализ внешних характеристик ШИМ, работающего на двигательную нагрузку показывает, что в области прерывистого тока ШИМ становится неуправляемым, ЭДС в цепи постоянного тока возрастает, то есть на холостом ходу двигатель начинает разгоняться. В связи с этим режим прерывистого тока крайне не желателен.

Рис.3.5. Семейство внешних характеристик нереверсивного ШИМ, работающего на двигательную нагрузку

Режим прерывистого тока можно устранить, если в интервале паузы нагрузку ШИМ закоротить ключом с двухсторонней проводимостью. Техническая реализация силовой цепи ШИМ приведена на рис. 3.6, временные диаграммы при реализации этого алгоритма приведены на рис. 3.7.

Рис. 3.6. Нереверсивный ШИМ с шунтированием нагрузки в паузе

Рис. 3.7. Временные диаграммы нереверсивного ШИМ с шунтированием нагрузки в паузе

Работа схемы в этом режиме полностью совпадает с ранее описанным режимом непрерывного тока. Среднее и предельные значения тока описываются уравнениями (3.9) и (3.11), но значение тока I_d0 отрицательно. Следует отметить, что при подаче отпирающего сигнала на транзистор он откроется, если направление тока соответствует проводимости транзистора.