Транзисторные широтно-импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока

Симметричный способ управления

Для создания современного, надёжного, высокоэффективного электропривода используется широтно-импульсный преобразователь (ШИП). Имеется несколько типов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения. Наиболее перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ватт до единиц мегаватт.

Рис. 1.138. Функциональная схема широтно-импульсного преобразователя: ТК1… ТК4 — силовые ключи: и… и4-управляющие напряжения ключами:

Lh. Rh — активно-индуктивная нагрузка: С — конденсатор: ИП — источник питания

Упрощенная функциональная схема ШИП представлена на рис. 1.138. Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1 …ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена для примера активноиндуктивная нагрузка. Нагрузкой в приводах постоянного тока является цепь якоря двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока ЯЯ, шунтированного конденсатором С.

Наиболее простым способом управления ШИП является симметричный. При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется сигналами управления и1…и4.

Работу ШИП с симметричным управлением и временные диаграммы напряжений и1.м4 рассмотрим гга модели, представленной гга рис. 1.139.

Схема модернизированного блока Discrete PWM Generator М показана на рис. 1.140.

Рис. 1.139. Схема модели широтно-импульсного преобразователя с симметричным управлением (Fig 1139)

Силовые транзисторные ключи реализованы в блоке Universal Bridge, необходимое количество ключей и тип транзистора определяется настройкой блока. Источником питания выбрана аккумуляторная батарея напряжением 100 В. В качестве нагрузки ШИП используется fi. L-цепь. Управление преобразователем осуществляется блоком Discrete PWM Generator Л/, представляющим широтно-импульсный модулятор (ШИМ-PWM). За основу взят блок Discrete PWM Generator из библиотеки Simulink и модернизирован для управления по симметричному способу.

Временная диаграмма работы ШИП, являющаяся результатом моделирования файла FigJ₁₃₉, приведена на рис. 1.141.

Рис. 1.141. Временная диаграмма работы ШИП при симметричном управлении

loot-с-: — -I-:-1.

О 0009 0.01 0019 002 0029 003.

Частота коммутации силовых ключей постоянна и задаётся в окне настройки блока Discrete PWM Generator М. Этой частотой синхронизируется генератор опорного напряжения Utriang треугольной формы. Опорное напряжение сравнивается с напряжением управления Uy₉ в результате которого формируется импульсный сигнал единичного уровня, следующий с постоянной частотой, но с изменяющейся относительной продолжительностью включения у от 0 до 1. Эти сигналы используются для управления ключами gl…g4.

Максимальный диапазон изменения напряжения управления ±Uy.max и амплитуда опорного напряжения ±Utriang.max должны быть равны. В данном примере это значение равно ±1 В. Напряжение управления выбрано синусоидальным: амплитуда 0,9 В, частота 50 Гц. Результаты моделирования свидетельствуют об удовлетворительном качестве отработки задающего сигнала.

В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение Un на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения у = 0,5. Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис. 1.141. Напряжение на нагрузке разнополярное ±100 В, сигналы управления транзисторами не превышают 1 В. При нулевом напряжении на базе транзистор закрыт, при значении, нс равном нулевому, транзистор открыт.

Рис. I. 142. Настройки блоков Universal Bridge и Discrete PWM Generator M

Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостаток ШИП с симметричным управлением состоит в наличии двухполярного напряжения на нагрузке и в связи с этим, повышенных пульсаций тока в нагрузке. Последнее требует повышения частоты коммутации транзисторов (силовых ключей) и приводит к увеличению потерь на ключах и к дополнительному нагреву.

На рис. 1.142 и 1.143 показаны окна настроек основных элементов ШИП с симметричным управлением.

Рис. I. /43. Окна настройки блоков

Рис. 1.143. Окна настройки блоков Triangle и Sine Wave

Из информации, приведённой на рис. 1.142, следует, что преобразователь включает: два плеча силовых ключей; тип силового транзистора — IGBT с диодом; транзисторы зашунтированы цепью, состоящей из последовательно соединённых резистора и конденсатора; тип генератора ШИМ соответствует типу ШИП частота коммутации силовых ключей 1990 ГЦ; интервал дискретности генератора ШИМ принят 1 микросекунда.

Из информации, приведённой на рис. 1.143, следует, что генератор опорного напряжения имеет треугольную форму, амплитуду ±1 В и частоту Fc= 1990 Гц. Напряжение управления имеет синусоидальную форму, частота 50 Гц, амплитуда 0,9 В, интервал дискретности 5 микросекунд.