Импульсное регулирование напряжения электропривода постоянного тока. Принцип импульсного регулирования напряжения.

В основе работы импульсных преобразователей лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент к, который периодически замыкается и размыкается.

Время замкнутого t_р и разомкнутого t₀ состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления СУ. В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис.64,б. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояний ключа к.

Согласно определению среднего значения напряжения можно записать

,

где U_d - среднее значение напряжения на нагрузке;

t - период переключения ключа или время цикла регулирования,

t = t_р + t₀;

¦ - частота переключения ключа, ¦ = 1/t .

Отношение

(t_р /t) = g

называют коэффициентом заполнения периода рабочим импульсом. Изменяя g, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке.

Иногда рассматривается обратная величина q = (1/ g) = (t / t_р), которая называется скважностью работы ключа.

При установлении соотношений между входным и выходным напряжениями, выявляя зависимость тока импульсного преобразователя от регулирующей переменной, мы будем использовать коэффициент g.

Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения коэффициента g можно рассматривать как широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке.

Возможны три способа регулирования напряжения:

1. Широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда время t_р - переменное, а частота ¦-постоянная;

2. Частотно- импульсное регулирование (ЧИР), когда время t_р - постоянное, а частота ¦- переменная;

3. Широтно-частотное регулирование, когда время t_р и частота ¦ - переменные.

Чаще всего используется первый способ регулирования выходного напряжения. Его мы и будем рассматривать.

Таким образом время рабочего импульса и время паузы связаны с g соотношениями

t_р = gt , t₀= (1- g)t .

Схема регулирования напряжения и диаграмма, изображенные на рис.64, могут быть реализованы лишь при активном сопротивлении нагрузки.

При использовании импульсного регулирования в системах электропривода нагрузка имеет активно- индуктивный характер и часто в составе нагрузки присутствует источник ЭДС. В таком случае должен быть предусмотрен обратный вентиль. Он обеспечивает непрерывность тока в нагрузке при разрыве цепи импульсным элементом (ключом). На рис.65 изображена схема диаграммы напряжения и тока при активно- индуктивной нагрузке с противо ЭДС.

На основании баланса энергии, поступающей в нагрузку из сети (от U_пит), и энергии, которая тратится в нагрузке, выявим связь между средним значением тока, напряжением питания U_пит , ЭДС нагрузки E_н и коэффициентом g. При получении этой зависимости введем допущение, что среднее и действующее значение тока в нагрузке равны. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если L_н = ¥):

U_н I t_р = E_н I t_р + I² R_н t_р + W_L (1)

W_L = E_н I t₀ + I² R_н t₀

U_н I t_р = E_н I t + I² R_н t (2)

U_н t_р = E_н t + I R_н t

Разделив левую и правую части на t, получим

U_н g = E_н + I R_н

g = (E_н + I R_н )/ U_н

I = (U_н g - E_н )/ R_н (34)

Уравнение (31) представляет собой уравнение баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (t_р) и энергии, тратящейся в нагрузке за время t. Энергия W_L за время t_р накапливается в индуктивности, этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, равного I, за время паузы t₀. Прибавив к правой части уравнения значение W_L , получим уравнение баланса энергии (32). Дальнейшие действия ясны без пояснений.

Уравнение (33) указывает на связь переменной g с переменными I ,U_н ,E_н ; уравнение (34) показывает, что регулирование тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением g при неизменных R_н ,U_н ,E_н.

Способы реализации импульсных элементов (ключей).

Импульсные элементы (бесконтактные ключи) могут быть реализованы на базе тиристоров или силовых транзисторов, работающих в режиме переключения.

Тиристоры являются приборами с неполной управляемостью, поэтому для выключения тиристора, включенного на постоянное напряжение, необходимо использовать искусственную коммутацию, для чего в коммутирующем устройстве должен быть элемент, запасающий энергию в виде электрического или магнитного поля (емкость, или электромагнитный элемент). Эта энергия используется для выключения тиристора, проводящего ток.

Импульсные преобразователи на тиристорах.

Известно большое число схем тиристорных ключей, обеспечивающих импульсное регулирование напряжения постоянного тока. Современные тиристоры допускают большую частоту включений и выключений, доходящую до десятка килогерц. Поэтому тиристорные ключи получили применение в электроприводе постоянного тока. Они широко используются, например, на подвижных объектах с питанием от аккумуляторных батарей: на аккумуляторных электровозах, электромобилях, электрокарах.

Оптимальная частота импульсных регуляторов составляет примерно 100 …400 Гц.

Наиболее простой вариант тиристорного ключа представлен на рис.65. Здесь используется искусственная коммутация с помощью коммутирующей емкости C_к, подключаемой параллельно тиристору V_s1 другим тиристором V_s2.

Ключ работает следующим образом. Когда включен рабочий тиристор V_s1, нагрузка (якорь двигателя М) оказывается подключенной к напряжению U_пит. Под действием напряжения на нагрузке заряжается конденсатор C_к по цепи верхняя щетка М-R₁-C_к - нижняя щетка М - с полярностью, указанной на рисунке.

После заряда C_к в момент, когда подан управляющий импульс на тиристор V_s2, последний включается, подключая C_к параллельно V_s1 .

Ток разряда конденсатора течет в направлении, противоположном прямому току вентиля V_s1 , вызывая его выключение. Значение сопротивления R₁ выбирается из расчета, чтобы ток V_s2 был меньше тока удержания этого тиристора. Это означает, что после разряда емкости C_к и выключения V_s1 тиристор V_s2 тоже выключится. Наступит пауза, когда ток якоря под действием ЭДС самоиндукции замкнется через неуправляемый вентиль V_D. Приведенная схема является наиболее простой и наглядной схемой тиристорного ключа.

Основным недостатком этой схемы является ее неустойчивая работа в переходных режимах, при быстрых нарастаниях тока.

Значительно лучшие эксплуатационные характеристики имеет тиристорный ключ, схема которого представлена на рис.66. Здесь искусственная коммутация осуществляется с помощью колебательного контура. Работа ключа осуществляется следующим образом. При включении схемы на напряжение U_п происходит заряд емкости C_к по цепи + U_п - L- C_к - L_к- V_D1 - М- - U_п . Полярность заряда емкости показана сверху. В момент подачи управляющего импульса на тиристор V_s1 последний включается и начинается время рабочего импульса. При этом заряд на емкости C_к сохраняется, т.к. цепи для ее разряда нет. Когда наступит время выключения рабочего импульса, т.е. выключения тиристора V_s1 , подают управляющий импульс на тиристор V_s2 . Появляется цепь разряда емкости C_к : C_к + -V_s1 - V_s2 - L_к- C_к -. Рассмотренный контур является колебательным контуром с высокой добротностью. В нем есть емкость C_к и индуктивность L_к . Что же касается активных сопротивлений, то они представлены двумя тиристорами в открытом состоянии. Эти сопротивления очень малы, чем и объясняется высокая добротность контура.

Частота свободных колебаний этого контура во много раз (до двух порядков) превышает частоту рабочих импульсов. Колебательный процесс в контуре вызывает перезарядку емкости C_к (полярность указана в скобках). Затем наступает второй полупериод колебания. Ток проходит по цепи C_к (+)- L_к-V_D1 - V_s1 -C_к (-). Этот ток выключает тиристор V_s1, и во время этого полупериода выключается также тиристор V_s2 .

Индуктивность L осуществляет обратную положительную связь между величиной тока нагрузки и уровнем заряда емкости C_к после выключения тиристора V_s1 за счет ЭДС самоиндукции в этой индуктивности. Эта положительная обратная связь обеспечивает устойчивость работы ключа в переходных режимах.

Импульсные преобразователи на транзисторах.

В отличие от тиристора, транзистор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, поэтому возможности, свойства и особенности импульсных преобразователей на этих приборах во многом отличаются от тиристорных преобразователей. Если перечислить требования, которым должны удовлетворять полупроводниковые преобразователи, то окажется, что в наибольшей степени этим требованиям отвечают транзисторные преобразователи:

1. Двусторонняя проводимость энергии между источником питания и двигателем, являющимся нагрузкой преобразователя, что обеспечивает его работу во всех квадрантах механической характеристики.

2. Малое и не зависящее от тока выходное сопротивление для получения механических характеристик, близких к естественным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и динамических характеристик электропривода в целом.

3. Малая инерционность.

4. Высокий КПД.

5. Высокая перегрузочная способность для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода.

6. Высокая надежность и помехозащищенность.

7. Малая масса и габариты.

8. Слабое влияние на сеть.

Основой транзисторных широтно-импульсных преобразователей (ШИП) является силовой транзисторный ключ, который представляет собой функционально законченное устройство, содержащее схемы развязки, усиления и защиты. В настоящее время структура и построение транзисторных ключей, их конструктивная и схемная реализация разработаны достаточно полно. Один из возможных вариантов транзисторного ключа представлен на рис.67.

Схема содержит выходные транзисторы V_Т5 и V_Т6, включенные по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона). Обратный диод V_D2, включенный параллельно выходному каскаду транзисторного ключа, служит для создания пути тока нагрузки в ШИП.

Предвыходной каскад выполнен на транзисторах V_Т1 - V_Т4, каскад согласования управляющих сигналов и сигналов защиты с предвыходным усилителем - на микросхеме D. Схема транзисторного ключа содержит также устройство защиты по току Б3 и каскад гальванической развязки ГРУ. Питание предвыходного усилителя, устройств управления и защиты осуществляется от отдельного симметричного источника со средней точкой.

Работа силового транзисторного ключа осуществляется следующим образом. При отсутствии управляющих импульсов ( U_упр. = 0) на выходе ГРУ и БЗ имеет место логическая единица, выходной транзистор схемы совпадения D (V_вых) открыт, транзисторы V_Т1 -V_Т3 заперты, а транзистор V_Т4 открыт. При этом по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет запирающий ток. При подаче сигнала управления на ГРУ ( U_У = 1) отпираются транзисторы V_Т1 -V_Т3 , запираются транзистор V_Т4 и по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет отпирающий базовый ток, т.е. транзисторный ключ оказывается в открытом состоянии.

При превышении током, протекающим через транзисторный ключ, заданного уровня сигнал, поступающий с измерительного резистора R_изм на вход БЗ, переводит его в открытое состояние (логический нуль на выходе). Этот сигнал запирает транзисторный ключ. Импульсы частотой 10…30 кГц, поступающие на синхронизирующий вход БЗ, переводят его в исходное (нормальное) состояние, в котором он и останется, если устранилась причина, вызвавшая недопустимый ток. В противном случае сигнал с резистора R_изм вновь переведет БЗ в аварийное состояние. Таким образом, ток транзисторного ключа окажется ограниченным на определенном уровне.

Вентиль V_D2 , включенный параллельно выходному каскаду транзисторного ключа, служит для создания пути тока нагрузки, протекающего под действием ЭДС самоиндукции при прерывании цепи тока другим транзисторным ключом. Подробнее этот процесс будет рассмотрен ниже.