1.2.2 Широтно-імпульсні перетворювачі

Лекція 6. Широтно-імпульсні перетворювачі (ШІП) постійного струму. Типові схемні рішення, динамічні властивості, характеристики керування, режими роботи ШІП.

Завдання на СРС. Передаточна функція ШІП. Використання ШІП в системах електроприводу.

Література: 1, с.43-55; 2, с.64-69; 1а, с.254-272; 1б, с.159-167.

Питання для самоконтролю:

1. Широтно-імпульсні перетворювачі постійного струму. Принцип роботи, вузли примусової комутації тиристорів, типові схемні рішення перетворювачів, побудова вихідної напруги.

2. Динамічні властивості широтно-імпульсних перетворювачів постійного струму, режими регулювання швидкості, електричного гальмування і реверсу двигуна постійного струму.

Пошук оптимального варіанта перетворювача для електроприводів постійного струму малої потужності (до 10 кВт), поряд з подальшим удосконаленням керованих випрямлячів, примусив розроблювачів електронної техніки спрямувати увагу на можливості використання напівпровідникових імпульсних перетворювачів, які живляться через випрямляч від мережі змінного струму.

Робота імпульсних перетворювачів заснована на періодичному підключенні джерела постійної напруги до навантаження (рис.1.2.24,a) При замкненому ключі K струм в навантаженні протікає під дією напруги мережі живлення , при розмиканні ключа під дією ЕРС самоіндукції дроселя струм проходить через діод VD. При цьому струм у навантаженні має пульсуючий характер, а середнє значення напруги (рис. 1.2.24,б) при постійній амплітуді імпульсів можна регулювати зміною шпаруватості імпульсної напруги.

(1.2.11)

Таке регулювання постійної напруги при збереженні постійної амплітуди імпульсів називають широтно-імпульсним, а перетворювачі - широтно-імпульсними (ШІП).

Рис. 1.2.24

Рис 1.2.25

Використанні до позитивних якостей ШІП слід віднести їх високий ККД, малу чутливість до змін температури навколишнього середовища, малі габарити й масу, постійну готовність до роботи. ШІП властиві деякі недоліки: імпульсний режим регулюючого елемента призводить до необхідності вмикання на їх виході фільтрів, що знижує швидкодію систем з ШІП; високі швидкості вмикання і вимикання струму в силових колах ШІП спричинюють виникнення радіоперешкод.

Структура і класифікація ШІП. Функціональна схема ШІП пока­зана на рис. 1.2.25. Перетворювач складається з вхідного підсилювача постійного струму ГШС, широтне-імпульсного модулятора ШІМ, одного або кількох підсилювачів імпульсів ПІ, імпульсного підсилювача потужності ІІШ і струмообмежуючого пристрою СОП.

Вхідний підсилювач постійного струму використовується в ШІП у тих випадках, коли недостатньо результуючого коефіцієнта підсилення ШІМ, ПІ і ІІШ для забезпечення необхідних вимог.

Широтно-імпульсний перетворювач формує модульовані за трива­лістю імпульси з постійною частотою їх проходження; тривалість імпульсів на виході ШІМ однозначно визначається рівнем вхідного сигналу.

Розрізняють два способи отримання модульованих імпульсів:

за допомогою складання двох прямокутних напруг з регульованим зсувом по фазі між ними (рис. 1.2.26,а). Реалізується за допомогою двох мультивібраторів і фазозміщувального пристрою;

за допомогою додавання опорної напруги , зумовленої несучої частоти, форми (синусоїдальної, трикутної або пилкоподібної) і напруги керування . Сумарна напруга подається на вхід порогового пристрою (наприклад, тригера Шмітта), на виході якого формуються модульовані сигнали (рис. 1.2.26,б).

Рис. 1.2.26

Підсилювачі імпульсів призначені для керування ІПП мають, як правило, стандартну структуру.

Імпульсний підсилювач потужності (силова частина ШІП) призна­чений для широтно-імпульсного керування напруги на навантаженні. ПІП має робочі й комутуючі вентилі. На відміну від керованих випрямлячів, де відбувається природна комутація вентилів, в ШІП використовується штучна комутація; комутуючими елементами в ШІП є транзистори й тиристори. Застосуванню тиристорів надається перевага через те, що вони припускають більш високі струми й напруги і мають більшу експлуатаційну надійність. До недоліків тиристорів в ШІП відносять: необхідність штучної комутації; можливість самовимкнення при струмі навантаження, меншому струму утримання тиристора, наявність часу для нарощення струму до струму утримання тиристора при індуктивному характері навантаження.

Струмообмежуючий пристій забезпечує обмеження струму наван­таження і повинен мати високу швидкодію.

ШІП виготовляються у реверсивному й нереверсивному варіантах, при цьому в перших використовуються мостові схеми.

Нереверсивні ШІП можна поділити на дві групи: паралельні й послідовні. У послідовних ШІП (див. рис. 1.2.24,а) робочий вентиль вмикається послідовно з навантаженням. У послідовних ШІП неможливо отримувати напруги на їх виході вищі від напруги джерела живлення.

У паралельних ШІП (рис. 1.2.27) робочий вентиль або накопичуючий дросель вмикають паралельно навантаженню. Характерна особливість паралельних ШІП - отримання напруги на навантаженні, яка вища від напруги джерела живлення. Дійсно, з виразу

(1.2.12)

випливає, що при напруга на навантаженні може різко збіль­шуватись.

Рис 1.2.27

Способи запирання тиристорів. Застосування тиристорів у силових комутуючих елементах ШІП зумовлює необхідність їх примусового запирання. Запірні властивості тиристора відновлюються, якщо:

• зменшити анодний струм нижче від струму утримання або прикласти до тиристора зворотну напругу, яка повинна діяти протягом часу, не меншого за час вимкнення ;

• подати на керуючий електрод запираючий імпульс (для двоопе-раційних тиристорів).

Усі схеми штучної комутації, як уже зазначалось, можна звести до схем паралельної або послідовної комутації. При паралельній комутації попередньо заряджений конденсатор підключається паралельно тиристору, який запирається (рис. 1.2.28,а,д,е), або паралельно навантаженню (рис. 1.2.28,б), при послідовній комутації - послідовно з навантаженням (рис. 1.2.28,в,г).

У схемі, показаній на рис. 1.2.28,а, коли тиристор VS запертий, конденсатор С заряджається (полярність показана на рис. 1.2.28 без дужок). При відпиранні тиристора VS відбувається коливальне перезарядження конденсатора. Через півперіод власних коливань контура LC полярність напруги на конденсаторі змінюється на зворотну, і в наступний півперіод власних коливань наростаючий струм перезаряду конденсатора, який протікає назустріч анодному струму тиристора, запирає його в момент, коли сумарний струм дорівнює нулю.

Рис 1.2.28

У схемі (рис. 1.2.28,б) комутуючий конденсатор С попередньо заряджається від джерела (на схемі не показано) до напруги, яка перевищує (полярність напруги показана на рисунку). Для запирання тиристора VS1, відкривається допоміжний тиристор VS2. При цьому за рахунок струму розряду конденсатора, який протікає назустріч анодному струму тиристора по контуру C-VS2-VS1- -C тиристор VS1 запирається в момент, коли сумарний струм дорівнює нулю. Після запирання тиристора VS1 конденсатор C перезаряджається струмом навантаження. Запирання тиристора VS2 і відкривання діода відбувається тоді, коли напруга на конденсаторі C стане рівною нулеві. У схемі на рис. 1.2.28,в при відпиранні тиристора VS відбувається коливальний заряд конденсатора C. При спаданні струму LC-контура (анодного струму тиристора) до нуля тиристор запирається.

Комутуюча напруга може бути введена послідовно в ланцюг ти­ристора, що запирається за допомогою допоміжного тиристора VS2 (рис. 1.2.28,г). При відпиранні тиристора VS2 напруга попередньо зарядженого конденсатора ( ) прикладається до дроселя L, на тиристор VS1 подається зворотна напруга й він запирається. Контур перезарядження конденсатора протягом часу комутації відділений від навантаження запертим тиристором VS1 і струм цього кола не бере участі в перезаряді конденсатора.

Якщо ключем, що підключає джерело комутуючої напруги, стає наступний в черзі відпирання робочий тиристор, то таку штучну комутацію називають одноступінчатою (рис. 1.2.28,д). При протіканні струму через тиристор VS1 конденсатор C заряджається. При відпиранні тиристора VS2 «+» конденсатора C прикладається до катода тиристора VS1, в результаті чого останній запирається. Після цього конденсатор перезаряджається і готуються умови для запирання тиристора VS2.

Якщо джерело комутуючої напруги підключається до запертого тиристора за допомогою допоміжного, то таку комутацію називають двоступінчастою (рис. 1.2.28,г,е). При цьому процес у схемі проходить за два етапи: спочатку запирається робочий тиристор, а потім, після розряду або перезаряду конденсатора, ‑ допоміжний. Наприклад, в схемі на рис.1.2.28,е конденсатор C заряджається, коли відпертий допоміжний тиристор VS2 (полярність без дужок). При відпиранні робочого тиристора VS1 відбувається перезаряджання конденсатора С через коло, яке складається з діода VD1 дроселя L (полярність у дужках) Тиристор VS1 запирається при відпиранні тиристора VS2

Схеми з двоступінчастою комутацією дають змогу регулювати тривалість відкритого стану робочого тиристора у широких межах і наблизити схеми за своїми властивостями до схеми, яка працює на повністю керованих вентилях.

На практиці здебільшого застосовуються схеми запирання з ємнісною комутацією з вмиканням конденсатора C паралельно головному тиристору (зокрема схема на рис. 1.2.28,е).

Імпульсні підсилювачі потужності для електроприводів. Залежно від галузі застосування живлення ШІП можливо від батареї, мережі постійного струму, а в тягових електроприводах - від контактної мережі. При живленні від батареї труднощів не виникає; при живленні від мережі, яка має індуктивні елементи, ШІП необхідно підключати через LC-фільтр. Цей фільтр потрібний для забезпечення достатньо високих швидкостей наростання струму в процесі комутації і запобігання водночас неприпустимих коливань вхідної напруги перетворювача. Щоб запобігти коливальні процеси, необхідно вибрати резонансну частоту фільтра з врахуванням індуктивностей мережі таким чином, щоб вона була достатньо малою відносно низької робочої частоти ШІП , тобто:

(1.2.13)

ШІП електроприводів повинні задовольняти таким вимогам:

• надійно функціонувати в широких межах вхідної напруги й струму навантаження;

• особливого значення набуває здатність до перевантаження;

• робоча частота повинна бути достатньо високою, що дає змогу утиснути вплив ШІП на суміжні споживачі й вхідний фільтр, а також мати дешеві згладжуючі пристрої. Для тягових електроприводів необхідно забезпечити сталість робочої частоти;

• при значних діапазонах регулювання необхідно забезпечити малу тривалість імпульсу;

• додаткове навантаження елементів в ШІП комутаційними процесами повинно бути якомога малим;

• застосовуватись найбільш прості, надійні й дешеві схеми.

Останнім часом розроблена велика кількість схем ІІШ для нереверсивних електроприводів. Однак, з цих схем найбільш поширені нереверсивні ШП (рис. 1.2.29,а,б), у яких напруга комутуючого конденсатора прикладається до робочого тиристора через фільтр джерела живлення і діод, що шунтує якір двигуна. Ці перетворювачі дозволяють отримати достатньо значний діапазон регулювання напруги на навантаженні; багато з них можуть автоматично збільшувати ко­мутаційну потужність із зростанням навантаження, що особливо важливо для електроприводів. Загальний недолік нереверсивних ШП ‑ погане використання тиристорів за струмом і напругою.

а) б)

Рис. 1.2.29

Рис. 1.2.30

Для реверсивних електроприводів ШІП звичайно будуються на базі мостової схеми з чотирма ключами (тиристори VS1-VS4) і одним джерелом живлення (рис. 1.2.30). Розрізняють три способи комутації:

• симетричний, для якого характерне підключення навантаження послідовно з джерелом живлення. Керуючі імпульси подаються спочатку на одну пару тиристорів, а потім на іншу;

• несиметричний, коли на якорі двигуна забезпечуються однополярні імпульси регульованої шпаруватості;

• черговий, коли на якорі двигуна забезпечуються однополярні імпульси регульованої шпаруватості. Працююча пара ключів замикається одночасно з частотою комутації ланцюга якоря, а вимикається по черзі з частотою в два рази меншою.

При симетричному і несиметричному способах комутації струм якоря двигуна має безперервний характер у всіх режимах роботи. Однак за енергетичними показниками перевага віддається застосуванню чергового способу комутації, для якого пульсації струму якоря удвічі менші, ніж при симетричному, а втрати на комутацію значно нижчі порівняно з несиметричним способом.

На рис. 1.2.31,а показано структурну схему реверсивного електропривода, в якому власне вентильний перетворювач (силова схема ШІП) працює на основі схеми з черговим способом комутації. Напруга живлення подається на двигун M (рис. 1.2.31,б) тільки при одночасному вмиканні робочих тиристорів (VS1,VS2 або VS3,VS4).

Гальмування двигуна здійснюється при зміні полярності напруги на виходах двигуна M за допомогою вмикання протилежної пари робочих тиристорів. Струмообмежуючий пристрій СОП діє на входи порогових пристроїв у бік припинення їх роботи.

Схеми ІПП і характерні показники їх роботи в різних режимах подані в табл. 1.2.3.

У перетворювачі першого типу і відповідно при відкритому й закритому вентильному комутаторі ВК; тому середня напруга і струм мають позитивне значення. Схема працює в першому квадранті координатної площини , ; енергія передається із мережі живлення до навантаження. Схему можна використовувати для забезпечення рухового режиму роботи електропривода.

Рис. 1.2.31

Таблиця 1.2.3

№ п/а	Тип перетворювача	Схема перетворювача	Область регулювання
1	Одноквадрантний для двигунного режиму
2	Одноквадрантний для режиму рекуперативного гальмування
3	Двохквадрантний з реверсом струму
4	Двохквадрантний з реверсом напруги
5	Чотирьох-квадрантний

Перетворювач другого типу забезпечує роботу електропривода в другому квадранті площини , . В схемі і відповідно при відкритому й закритому стані вентильного комутатора ВК. Напрям струму негативний і, оскільки позитивна величина, то енергія передається від навантаження до мережі живлення. Схему можна використовувати для забезпечення рекуперативного гальмування електропривода.

Перетворювач третього типу поєднує властивості перших двох і працює в першому та другому квадрантах. У цій схемі , коли проводить ВК2 або VD1; , коли проводить ВК1 або VD2; в результаті напруга стає позитивною. Струм може змінювати знак: він позитивний, якщо проводять ВКІ або VD1, і негативний, якщо проводять ВК2 або VD2. При позитивній напрузі і реверсуванні струму напрям потоку енергії змінюється на протилежний. Схема забезпечує рухомий і рекуперативний режими роботи двигуна.

Перетворювач четвертого типу також забезпечує роботу в двох-квадрантах площини , . При відкритих вентильних комутаторах ВК1 і ВК2 , а при закритих ВК1 і ВК2 і проводящих діодах VD1 та VD2 . Середнє значення напруги на навантаженні, позитивне, якщо тривалість відкритого стану ВК1 і ВК2 більше часу їх закритого стану, і негативне, якщо навпаки. При позитивному i негативній енергія віддається в мережу живлення. Схема забезпечує рухомий і рекуперативний режими роботи двигуна, однак в останньому випадку ЕРС двигуна повинна змінити напрям.

У чотириквадратному перетворювачі реверсуються як , так i . При постійно відкритому ВК3 i закритому ВК4 керування станами ВК1 і ВК3 дозволяє реверсувати при позитивній , і навпаки, при відкритому ВК2 і закритому ВК1 сумісне регулювання ВКЗ та ВК4 забезпечує негативне значення і реверсування струму . Схема забезпечує реверсування двигуна й рекуперацію енергії.

Регулювальні та динамічні властивості системи ШІП - ДПС. Електромеханічні характеристики двигуна системи ШІП - ДПС при припущенні, що опори тиристорів і діодів дорівнюють нулю й швидкість двигуна протягом періоду комутації незмінна, мають вигляд кривих, показаних на рис. 1.2.32 і побудованих за рівнянням:

(1.2.14)

де ‑ опір кола якоря.

Рис. 1.2.32

Характеристики паралельні природній характеристиці двигуна, яку не можна одержати через те, що .

При імпульсному регулюванні напруги можливий режим переривчастого струму, який настає при граничних значеннях швидкості і струму двигуна:

де ‑ електромагнітна стала часу кола якоря, с.

Динамічні властивості ШІП слід розглядати з урахуванням кола навантаження. З достатньою для практики точністю ШІП можна представляти як безінерційну ланку системи, особливо тоді, коли сталі часу силового ланцюга реверсивного перетворювача істотно більші часу періоду комутації і незначна стала часу фільтрів.