Основные принципы управления импульсными системами

Большинство силовых электронных аппаратов по принципу управления являются импульсными системами. Такое определение вытекает из импульсного характера функционирования основных элементов силовой части устройства — тиристоров, транзисторов и др. В импульсных электротехнических системах применяются элементы с дискретно изменяемыми параметрами, например проводимостью (сопротивлением). Кроме того, такие системы содержат также и непрерывную, обычно линейную часть, например фильтр, нагрузку и др. В электронных аппаратах импульсными элементами с дискретно изменяемым состоянием проводимости являются электронные ключи. Периодическое изменение состояния ключей аналогично во многом квантованию сигналов по уровню или времени в информационных системах. Квантование происходит дискретно в определенные моменты времени и по определенным законам, характеризующим преобразование непрерывных сигналов в импульсные. При анализе импульсных информационных систем эти законы называют законами модуляции. Такая же терминология в основном сохранилась и для энергетических импульсных систем, в которых различают следующие основные виды модуляции:

• — амплитудно-импульсную (АИМ);
• — широтно-импульсную (ШИМ);
• — частотно-импульсную (ЧИМ).

Существуют и другие способы модуляции, сочетающие различные виды. Особо надо отметить широко применяющиеся релейные системы с квантованием по уровню. Этот вид импульсных систем может быть отнесен к разновидности импульсных систем, сочетающих ШИМ и ЧИМ.

Способы модуляции в энергетических импульсных системах, в отличие от информационных, обычно используются для реализации простых функций, например обеспечения постоянного значения выходного параметра, изменения его в соответствии с синусоидальной или линейной функцией и др.

Рассмотрим виды модуляции более подробно, полагая закон модуляции линейным. При этом будем считать, что в соответствии с терминологией, принятой в информационной импульсной технике, имеет место модуляция 1-го рода, когда модулируемые параметры определяются значениями модулирующего сигнала в фиксированные моменты времени, в частности совпадающие с моментами переключения ключей из непроводящего состояния в проводящее. При модуляции 2-го рода модулируемый параметр может зависеть от разных значений модулирующей функции на интервале переключения.

На рис. 12.2 приведены схема и диаграммы, поясняющие управление с АИМ. Модуляция, в соответствии с функцией /_м, осуществляется переключением ключей S1 — S4 из одного состояния в другое с постоянной частотой / = 1 /Т в моменты Г, 2 Г, 3 Г. При этом предполагается, что во включенном состоянии может находиться только один ключ. Длительность включенного состояния постоянна и равна ?_и (рис. 12.2, б). В результате переключений на выходе будет формироваться напряжение с разными амплитудами. Если длительность импульсов t_u < Т, то на выходе сформируется последовательность импульсов с амплитудами Е, 2Е, 3Е и АЕ. При ?_и = Т напряжение па выходе будет соответствовать ступенчатой функции с пороговым значением Е. Очевидно, что точная реализация линейного закона АИМ 1-го рода в данном случае может иметь место только при определенном соотношении Е, ?_и, Т и линейной модулирующей функции. Во всех остальных случаях точность, реализуемая АИМ 1-го рода, будет приближенной.

Рис. 12.2. Система управления с АИМ:

а — принципиальная схема; 6 — диаграмма работы при < Г; в — диаграмма работы при t_H = Т

Рис. 123. Система управления с ШИМ и ЧИМ:

а — принципиальная схема; б — диаграммы, соответствующие ШИМ; в — диаграммы, соответствующие ЧИМ На рис. 12.3 показана система управления с ШИМ и ЧИМ. При ШИМ ключ S переключается с постоянной частотой / = 1 /Т, а длительность импульса t_iv определяющего включенное состояние ключа, изменяется в соответствии со значением модулирующей функции /_м (рис. 12.3, б).

В системах с ЧИМ изменяется частота переключения ключа S, что соответствует изменению периода переключения согласно значениям функции /_м (см. рис. 12.3, в). Длительность импульса ?_и остается в этом случае постоянной. Так как изменение частоты связано с изменением фазы, то аналогичным образом может быть реализована фазоимпульсная модуляция. Системы управления с ШИМ получили наибольшее распространение в силовых электронных устройствах. Требуемый закон управления иногда может быть реализован посредством релейной модуляции, сочетающей признаки ШИМ и ЧИМ. Этот принцип управления благодаря ряду преимуществ в технической реализации за последние годы стал широко использоваться в различных силовых электронных устройствах.

В качестве примера рассмотрим систему управления с релейной модуляцией, реализующую «слежение» тока нагрузки за эталонным сигналом i₀(t), который может быть отнесен к модуляционной функции. Силовая часть схемы изображена на рис. 12.4, а. Ключи S1 и S2 синхронно переключаются — если один включен, то другой выключен, и наоборот. На рис. 12.4, б представлена упрощенная структура реализации переключений ключей S1 и S2. Если ключ S1 включен, а ключ S2 выключен, то ток i_H нарастает под воздействием напряжения Е. При обратном состоянии ключей ток г_н спадает. Индуктивность 1_н определяет инерционность этих процессов. Моменты переключения S1, S2 определяются шириной ±Де характеристики гистерезисного элемента ГЭ, которая показана на рис. 12.4, в. Компаратор КОМ сравнивает мгновенное значение тока i_H с эталонным i₀ и, когда разность этих сигналов превышает величину Де, происходит переключение ключей S1 и S2 (см. рис. 12.4, г). Гистерезисный элемент ГЭ определяет точность слежения за эталонным сигналом и частоту переключений. Очевидно, что частота переключений будет зависеть также от скорости изменения эталонного сигнала di₀/dt и постоянной времени цепи нагрузки т_н = L_H / R_H. Этот способ регулирования называют также гистерезисной модуляцией или дельта-модуляцией.

Кроме рассмотренных видов модуляции существует большое разнообразие их модификаций. В частности, в силовых электронных устройствах широко используется модуляция разнополярпых импульсов. Эту разновидность модуляции иногда называют двухили трехуровневой, в зависимости от топологии силовой схемы. Схема с нулевым выводом в цепи питания и диаграмма выходного напряжения при двухуровневой модуляции представлены на рис. 12.5. На этой схеме в проводящем состоянии находится всегда один из ключей S1, S2. Такой режим может возникать при активно-индуктивном сопротивлении z_fl и ключах, способных проводить ток в двух направлениях. При этом могут изменяться по определенному закону длительности проводящих состояний ?_и1 и ?_и2. В результате, значение напряжения на нагрузке и_а[) может изменяться с +?/2 на -Е/2, и наоборот. На рис. 12.6 показаны мостовая схема и диаграмма напряжения, поясняющие трехуровневую модуляцию. В этой схеме возможно обеспечить три уровня напряжения и_аЬ — 0, +?, -Е. Нулевая пауза обеспечивается при проводящем состоянии одной из пар ключей — S1, S3 или S2, S4 и условии выключенного состояния другой пары.

Рис. 12.4. Система управления с релейным регулированием:

а — принципиальная схема; б — структурная схема модулятора; в — характеристика гистерезисного элемента; г — диаграммы работы.

Рис. 12.5. Система управления с двухуровневой модуляцией:

а — принципиальная схема; б — диаграмма напряжения.

Рис. 12.6. Система управления с трехуровневой модуляцией:

а — принципиальная схема; 6 — диаграмма напряжения В системах с программным управлением, например содержащих микропроцессор, возможна реализация более сложных законов управления силовым электронным ключом, чем в рассмотренных выше видах модуляции. Эти законы должны соответствовать стратегии оптимального управления.