- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
4.3. Импульсная модуляция
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. 4.4, а, и рис. 4.4, б, приведены схема и диаграммы, поясняющие управление с АИМ. Модуляция в соответствии с функцией fm осуществляется переключением ключей S1-S4 из одного состояния в другое с постоянной частотой f =1/Т в моменты времени Т, 2Т, 3Т. При этом предполагается, что во включенном состоянии может находиться только один ключ. Длительность включенного состояния постоянна и равна tи (рис. 4.4, б).
а в
Рис. 4.4. Система управления с АИМ: a-принципиальная схема; б-напряжения устройства при tи <T; в- диаграмма напряжения ключа при tи <T
В результате переключений на выходе устройства формируется напряжение с различными амплитудами. Если длительность импульсов tи =Т то на выходе формируется последовательность импульсов с амплитудами Е, 2Е, 3Е и 4Е. При tи = Т напряжение на выходе будет соответствовать ступенчатой функции с пороговым значением Е (рис. 4.4, в). Системы управления с АИМ относятся к линейным системам, для анализа которых справедливы принципы наложения или суперпозиции. Однако построение систем, реализующих изменение амплитуды импульсов, является непростой задачей, для решения которой, например, необходимо использовать первичный источник питания с четырьмя выводами от отдельных секций напряжением Е (см. рис. 4.4, а). Кроме того, возможности управления в этом случае ограничены количеством коммутируемых секций. В настоящее время существуют конструкции, изготовленные по принципу последовательно соединенных модулей, позволяющих ступенчато изменять входное напряжение, т.е. реализовать АИМ, в частности в многоуровневых преобразователях.
На рис. 4.5, а показана система управления с ШИМ и ЧИМ. При ШИМ ключ S переключается с постоянной частотой f =1/Т, а длительность импульса tи определяемая включенным состоянием ключа, изменяется в соответствии со значением модулирующей функции fm (рис. 4.5, б). В системах с ЧИМ изменяется частота переключения ключа S, что соответствует изменению периода переключения ключа согласно значениям функции fm (рис. 4.5, в). Длительность импульса tи остается в этом случае постоянной. Так как изменение частоты связано с изменением фазы, то аналогичным образом может быть реализована фазоимпульсная модуляция (ФИМ). Системы управления с ШИМ получили н большее распространение в силовых электронных устройствах.
а в
Рис. 4.5. Система управления с ШИМ: а- принципиальная схема; б- диаграмма ШИМ; в- диаграмма ЧИМ
Наиболее распространенный способ управления по напряжению основан на вертикально-фазовом управлении. При этом может быть реализовано управление по возмущению и по отклонению регулируемого параметра. На рис. 4.6, а представлена структурная схема системы управления по возмущению со стороны входного напряжения E. Напряжение генератора пилообразного напряжения формируется с частотой f = 1/Т, и его амплитуда uт определяется значением входного напряжения Е, поступающего на ГПН. Импульсы для включения ключа формируются блоком ФИУ в начальные моменты формирования напряжения uг (О, T, 2Т....) (рис. 4.6, б). Действие импульса прекращается в моменты равенства напряжений uг и напряжения задания, что и определяет длительность импульса. В свою очередь, длительность импульса соответствует длительности включенного состояния ключа S1 (и выключенного S2). В результате происходит изменение значения напряжения на нагрузке uн. Повышение напряжения Е или его уменьшение приводит к соответствующему уменьшению или увеличению длительности импульса управления.
б
Рис 4.6. Схема управления импульсного преобразователя с регулированием по возмущению: a-структурная схема; б-диаграммы формирования импульсов управления
Таким образом, реализуется стабильность выходного напряжения при изменениях входного Е, т. е. инвариантность регулируемого параметра от возмущения со стороны входного напряжения. Если это возмущение является определяющим, то такая организация управления позволяет наиболее эффективно обеспечивать стабилизацию выходного напряжения.
Структурная схема СУ, реализующая классический способ управления по отклонению на основе вертикально-фазового принципа организации ШИМ, представлена на рис. 4.7. В отличие от структуры на рис. 4.6, а, выходное напряжение uн поступает на датчик и затем сравнивается с напряжением задания. Разность этих напряжений сравнивается с напряжением ГПН uг (рис. 4.7, б). Момент равенства этих напряжений определяет длительность импульса в соответствии с принципом действия отрицательной обратной связи: при увеличении uн увеличивается и поэтому его длительность уменьшается. При снижении uн длительность возрастает, что приводит к стабилизации напряжения на нагрузке. Другой возможный вариант управления по току с постоянной частотой приведен на рис. 4.7, а. При таком способе управления момент формирования импульса управления на включение ключа S1 задается генератором импульсов ГИ с постоянной частотой f=1/Т, а импульс на выключение формируется в момент времени достижения током, максимального значения, определяемого сигналом рассогласования (рис. 4.7. б).
Рис. 4.7. Схема управления с регулированием по отклонению: a-структурная схема; б- диаграммы формирования импульсов управления; К1,К2- компараторы
При этом способе управления работоспособность схемы преобразователя сохраняется как при непрерывном, так и при прерывистом токе. В системах управления с модуляцией выходного тока по заданному закону широко используется принцип «слежения» реального тока за значениями, заданными законом модуляции. Наиболее часто этот способ применяется в системах переменного тока для обеспечения синусоидальной формы входного или выходного тока преобразователя. Этот способ называется «следящим» или дельта- модуляцией. Он близок к способу управления по току в заданной полосе. Без принятия специальных схемотехнических решений частота модуляции в этом случае также является переменной. На рис. 4.7 приведены упрощенная структурная схема его реализации и диаграммы формирования импульсов управления. Принцип «слежения» может быть применен и в системах с отслеживанием заданного напряжения. В этом случае в структуру регулятора обычно включается пропорционально-интегральное звено (ПИ-регулятор). На вход его подается разность задаваемого и реального напряжения, поступающего по цепи обратной связи. С выхода ПИ-звена сигнал поступает на релейно-импульсный переключатель с гистерезисной характеристикой. В этих системах частота импульсов управления является переменной, если не применять специальных мер. Из рассмотренных примеров следует, что при некоторых способах импульсного управления частота их следования является переменной величиной. В большинстве случаев изменение частоты коммутации ключей при работе преобразователя нежелательно. Основным ограничением является необходимость использования в таких системах более «тяжелых» входных и выходных фильтров, имеющих худшие удельные массогабаритные показатели.
Следует также отметить, что в отдельных случаях специально принимают меры к «размыванию» частотного спектра. При стабильной частоте частотный спектр имеет явно выраженный дискретный характер высших гармоник в сочетании с сопутствующими боковыми частотами. Такой спектр может быть нежелательным из-за следующих явлений: повышения акустических шумов в звуковом диапазоне; повышения потерь мощности в магнитопроводах на отдельных частотах в зависимости от марки магнитного материала; возникновения нежелательных резонансных явлений в системе источник питания — потребители; снижения информационной безопасности при использовании преобразователя в системах связи и др.