Что обеспечивает широтно импульсный преобразователь на двигателе

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Двигатели постоянного тока и управление ими с помощью широтно-импульсной модуляции. Часть 1.

Электродвигатели это очень распространенный объект управления в различных устройствах и технических комплексах. Без них наша современная жизнь была бы не такой уж и современной. Они используются во многих сферах потребительской техники и промышленной автоматизации, начиная от небольших двигателей, вращающих барабан стиральной машинки, и заканчивая огромными махинами, приводящими в движение заводские конвейеры и шахтные подъемники.

Традиционно электродвигатели делят на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. Последние в силу бурного развития научно-технической мысли, которая предлагает более совершенные алгоритмы векторного управления и довольно дешевые и удобные в использовании частотники, приобретают все большую популярность. Но двигатели постоянного тока (ДПТ) тоже имеют свои преимущества, и они еще долгое время будут крутить свои валы в режиме нещадной эксплуатации в различных технических областях, поэтому сегодня речь пойдет именно о ДПТ, точнее об управлении коллекторными электродвигателями постоянного тока.

Такие агрегаты были первыми двигателями, нашедшими широкое применение в промышленном оборудовании, и их до сих пор используют там, где требуется невысокая стоимость конечного устройства, простая установка и управление. На роторе этих двигателей располагается обмотка (1 на рисунке 1), а на статоре — электромагниты (2 на рисунке 1). Щеточные контакты (3 на рисунке 1), которые устанавливаются по окружности вала ротора, применяются для переключения полярности напряжения, прикладываемого к обмотке ротора. Они же создают основную проблему эксплуатации коллекторного ДПТ — ненадежность, поскольку претерпевают сильный износ и требуют периодической замены. Также между щетками и коммутаторными контактами в ходе работы возникают искры, что может привести к возникновению сильных электромагнитных помех. Кроме того, при неправильной эксплуатации всегда имеется риск создать электрическую дугу в коллекторе или, как еще это называют, круговой огонь. В этом случае якорь двигателя гарантированно отживает свой срок.

Рисунок 1 – двигатель постоянного тока

Сегодня получили распространение две схемы управления двигателем такого типа: генератор-двигатель (Г-Д) и преобразователь-двигатель (тиристорный ТП-Д и транзисторный ТрП-Д).

Рисунок 2 – силовые схемы электроприводов постоянного тока а) Г-Д, б) ТП-Д или ТрП-Д

На рисунке 2 показаны две схемы управления ДПТ с независимым возбуждением. В обоих случаях управление угловой скоростью и моментом по абсолютному значению и направлению осуществляют путем регулирования напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре двигателя Д в системе Г-Д регулируют путем изменения силы тока в обмотке возбуждения генератора (ВГ). Для этой цели служит возбудитель генератора ВГ, в качестве которого используют силовые магнитные усилители (системы МУ-Г-Д, хотя это прошлый век, и в современных системах такого не встретишь), тиристорные (ТВ-Г-Д) или транзисторные (ТрВ-Г-Д) преобразователи. В системах ТП-Д напряжение на якоре двигателя регулируют путем фазового управления коммутацией тиристоров, а в системах ТрП-Д путем изменения скважности пульсирующего питающего напряжения, то есть с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Популярность Г-Д, а также ТП-Д с каждым годом падает из-за их громоздкости, аппаратной избыточности и сложности в управлении, по сути, они в основном применяются в промышленности для управления крупными двигателями. А ТрП-Д все чаще применяется в различных технических системах благодаря своей простоте, дешевизне и удобству управления. Также за счет обилия на рынке различных моделей MOSFET и IGBT-транзисторов и драйверов управления их затворами системы ТрП-Д применяются для управления как маломощными, так и крупными двигателями. Думаю, это стоит того, чтобы познакомиться с такими системами ближе.

Итак, сердцем ТрП-Д является широтно-импульсный преобразователь (ШИП), который состоит из четырех транзисторов (рисунок 3). В диагональ такого транзисторного моста включается нагрузка, то есть якорь двигателя. Питается ШИП от источника постоянного тока.

Читайте также:  Защита картера двигателя гранта с чего подходит

Рисунок 3 – схема транзисторного ШИП

Есть несколько способов управления ШИП по цепи якоря. Самый простой – это симметричный способ. При таком управлении в состоянии переключения находятся все четыре транзистора, и выходное напряжение ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. Сам принцип переключения показан на рисунке 4. Логично предположить, если относительная продолжительность включения будет равна 50%, то на выходе ШИП получим 0 В. Преимуществом симметричного способа является простота реализации, но двухполярное напряжение на нагрузке, вызывающее пульсации тока в якоре, является его недостатком. По сути, он используется для управления маломощными ДПТ.

Рисунок 4 – симметричный способ управления ДПТ

Более совершенным является несимметричный способ управления. Как мы видим на рисунке 5, он обеспечивает на выходе ШИП однополярное напряжение. В данном случае переключаются лишь два транзистора Т3 и Т4, при этом Т1 постоянно открыт, а Т2 постоянно закрыт. Для того, чтобы среднее напряжение на выходе ШИП было равно нулю, достаточно чтобы нижний переключающийся транзистор оставался в закрытом состоянии. Такой подход тоже не очень хорош тем, что верхние ключи загружены по току больше, чем нижние. При больших нагрузках это может привести к перегреву и выходу транзисторов из строя.

Рисунок 5 – несимметричный способ управления ДПТ

Но и с этим недостатком справились, придумав способ поочередного управления (рисунок 6). Здесь как при движении как в одну сторону, так и в другую будут переключаться все четыре транзистора. Обязательным условием является нахождение в противофазе управляющих напряжений транзисторов Т1 и Т2 для одной группы и Т3 и Т4 для другой.

Рисунок 6 – поочередный способ управления ДПТ

Из рисунка видим, что при определенном знаке сигнала задания на скорость длинные импульсы с разницей в полпериода подаются на диагонально противоположные ключи (в данном случае Т1 и Т4). Соответственно, также со сдвигом полпериода на ключи противоположной диагонали подаются короткие импульсы. Таким образом, нагрузка подключается к источнику во время отсутствия коротких импульсов, а во время их присутствия закорачивается либо на питание, либо на землю. При изменении знака задания транзисторы управляются противоположным образом.

В общем, такой краткий теоретический экскурс, надеюсь, поможет понять, как легко и просто запускать ДПТ. Для более подробного осмысления и понимания, что такое двигатели постоянного тока (да и не только постоянного) рекомендую книгу Кацмана М.М. «Электрические машины автоматических устройств». А для детального ознакомления с силовой частью электропривода и принципами управления советую почитать Семенова Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному», Розанова Ю.К. «Основы силовой электроники» и Воронина П.А. «Силовые полупроводниковые ключи».

Во второй части на конкретном примере мы более детально рассмотрим ШИМ-управление и поймем, что двигатель крутится вовсе не потому, что он круглый!

Источник

Что обеспечивает широтно импульсный преобразователь на двигателе

8) Широтно-импульсные преобразователи. Принцип работы, достоинства и недостатки.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

8.1.Процессы в транзисторных широтно-импульсных преобразователях

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсного модулирования входного напряжения называют им­пульсным регулированием. Сущность его состоит в периодичес­ком дозировании потока энергии, передаваемого от источника питания потребителю и обратно. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять путем изменения параметров вы­ходных импульсов: их длительности τu и периода следования Т. Отсюда можно получить несколько способов импульсного регули­рования, а именно:

1) широтно-импульсный, при котором τu = var, T=const;

2) частотно-импульсный, при котором τu=const ,T=var;

3) широтно-частотный, при котором τu = var, T=var.

Чаще всего применяется широтно-импульсное регулирова­ние, при использовании которого достоинства импульсных мето­дов управления проявляются в наибольшей степени.

Выходные каскады широтно-импульсных преобразователей проще выполнять на полностью управляемых вентилях: транзис­торах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью управляющих импульсов.

Читайте также:  Вибрация двигателя на холостом ходу паджеро 2

При выходной мощности до нескольких десятков кило­ватт в качестве ключей целесообразно применять транзисторы.

Основными достоинствами транзисторных импульсных преоб­разователей по сравнению с тиристорными являются высокая частота коммутации, позволяющая получать благоприятный спектр выходного напряжения и тока, и полная управляемость, приводящая к отсутствию узлов принудительной коммутации. Не­достатком является наличие коммутационных перенапряжений на транзисторах. Поэтому транзисторные импульсные преобразователи и применяют­ся в источниках вторичного электропитания для вычислительных машин, в системах связи, устройствах автоматики, а также в автоматизированных системах электропривода малой и средней мощности.

Классификация широтно-импульсных преобразователей.

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) можно класси­фицировать по ряду признаков.

Как указывалось выше, ШИП можно различать в зависимости от типа используемых в силовой части полупроводниковых при­боров:

а) ШИП на полностью управляемых вентилях;

б) ШИП на тиристорах.

Указанные ШИП разделяют на нереверсивные и реверсивные.

Нереверсивные ШИП преобразуют входное напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности.

Реверсивные ШИП преобразуют входное напряжение или в переменное разной по полупериодам длительности, или в им­пульсное постоянной амплитуды, разной длительности и поляр­ности.

Нереверсивные ШИП в зависимости от места включения управляе­мого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на три типа:

1) понижающие ШИП, в которых управ­ляемый полупроводниковый прибор и дроссель фильтра включены последовательно с нагрузкой;

2) повышающие ШИП, в которых дрос­сель включается последовательно, а управляемый вентиль — па­раллельно нагрузке;

3) инвертирующие ШИП, в которых управляемый вентиль включен последовательно, а дроссель параллельно по отношению к нагрузке.

8.2 Широтно-импульсные преобразователи понижающего типа.

Импульсный преобразователь понижающего типа, является преобразователем постоянного напряжения. Полупро­водниковые управляемые ключи, регулирующие процесс передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, ха­рактеризуются двумя состояниями: «замкнуто» и «разомкнуто».

На рис. 6.1,а приведен широко распространенный вариант импульсного преобразователя напряжения понижающего типа (ИПП-1) с диодно-транзисторным переключателем, схема заме­щения которого показана на рис.6.1,6.

Роль регулирующего элемента выполняет транзистор VT. В выходную цепь преобразователя входит нагрузка ZН активно-индуктивного характера и сглаживающий фильтр, в общем случае содержащий дроссель Lф и конденсатор Сф .

Диод VD, включенный в обратном направлении относитель­но напряжения выходной цепи, является необходимым элементом схемы и предназначен для создания в ней контура протекания тока нагрузки при размыкании управляющего ключа.

На интервале включенного ключа SW1 (pис.6.I,в) напряже­ние питания Ud подключается к сглаживающему фильтру и вы­ходное напряжение Uн=Ud .

Обратный диод VD закрыт и через нагрузку протекает ток iН от источника питания. Ток будет достигать максималь­ного значения в момент размыкания ключа SW1 (рис.6.1,г).

Рис.6.1. Импульсный преобразователь понижающего типа с диодно-транзисторным переключателем.

Далее, напряжение на дросселе изменяет полярность, ток через нагрузку начинает уменьшаться и протекать по контуру через обратный диод, UH = 0.

После замыкания ключа SW2. возможны различные режимы работы схемы, определяемые характером изменения тока.

В конце интервала приложения напряжения ток iH может быть положительным или равным нулю. Первый случай получил название режима непрерыв­ного тока, его временные диаграммы приведены на рис. 6.2. Ука­занный режим возникает, если в конце интервала дискретности сохраняется часть энергии, накопленной реактивными элемента­ми: дросселем Lф и индуктивностью нагрузки LH.

Рис.6.2. Временные диаграммы напряжения и токов понижающего преобразователя в режиме непрерывно­го тока

Если же запасаемая энергия равна нулю, то возникает вто­рой случай, называемый режимом прерывистого тока (риc.6.3).

Рис.6.3. Временные диаграммы напряжения ж токов по­нижающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Характер изменения тока в нагрузке в значительной степе­ни определяет вид количественных, соотношений, описывающих схемы импульсных преобразователей напряжения.

Следует отметить, что режим непрерывного тока при по­вышенной мощности нагрузки и широком диапазоне ее изменения по сравнению с режимом прерывистого тока обеспечивает преоб­разователям определенные положительные свойства.

Среднее значение напряжения на нагрузке равно:

где γ = τи/T коэффициент заполнения импульсов; τи — длительность импульсов; Т — период коммутации; Ud — на­пряжение источника.

Читайте также:  Как сделать двигатель ваз 2115 инжектор

Таким образом, изменяя величину коэффициента заполне­ния, можно получать на выходе широтно-импульсного преобразователя различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое для преобразователей понижающего типа меньше напря­жения источника питания.

Мгновенные значения тока нагрузки во время импульса и паузы могут быть получены различными способами, например, из решения дифференциальных уравнений, описывающих электро­магнитные процессы в преобразователе.

В режиме непрерывного тока указанные уравнения имеют вид при условии, что внутреннее сопротивление источника пи­тания и активное сопротивление дросселя стремятся к нулю

где L — суммарная индуктивность фильтра и нагрузки; RH -активное сопротивление цепи нагрузки.

Решение для тока нагрузки имеет вид:

постоянная времени цепи нагрузки.

Максимальное и минимальное значения тока нагрузки (тока через транзистор и обратный диод) можно найти из выраже­ния (5.1) для моментов t=0 и t = tи :

Амплитуда пульсаций тока нагрузки

Из выражения (2.2) следует, что амплитуда максимальна при γ = 0,5.

Среднее значение тока нагрузки

определяется средним значением напряжения и сопротивлением нагрузки.

В режиме прерывистого тока амплитуда размаха пульсаций тока зависит от его максимального значения:

8.3 Импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа.

На рис.6.4,а приведена простейшая силовая схема повы­шающего импульсного преобразователя постоянного напряжения с параллельным включением транзистора и нагрузки и последова­тельным по отношению к ним включением дросселя Iф, Схема замещения такого преобразователя показана на рис.6.4,б.

При открытом состоянии транзистора VT дроссель Lф под­ключен к источнику электрической энергии, диод VD закрыт, на­грузка от источника отключена и конденсатор поддерживает уро­вень выходного напряжения.

На указанном интервале времени ток iL через дроссель увеличивается до максимального значения (рис.6.4,в). При за­пирании транзистора, т.е. при размыкании ключа SW1 и замыкании SW2 (рис.6.4,г), энергия, накопленная в дросселе на первом интервале, поступает на выход схемы в RC-цепь. При этом ток дросселя Lф уменьшается по линейному закону, до­стигая в конце интервала своего минимального значения. Если преобразователь работает в режиме непрерывного тока (рис.6.5), то максимальное и минимальное значения тока дросселя, тран­зистора и диода определяются следующими выражениями:

Рис.6.4. Импульсный преобразователь напряжения повышающего типа

Рис.6.5. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Амплитуда пульсаций тока дросселя

Среднее значение тока нагрузки будет определяться то­ком дросселя на втором участке периода коммутации

где Тэ=Lф/Rэ; t0 – момент запирания транзистора

Если принять допущения, что пульсации входного и выход­ного токов, а также напряжения питания отсутствуют, можно получить из выражения (2.3) уравнения внешней характеристи­ки:

где RВH — внутреннее сопротивление источника литания; Е — ЭДС источника.

При увеличении сопротивления нагрузки ток IL уменьшает­ся быстрее и может наступить режим прерывистых токов дроссе­ля (рис.6.6).

Рис.6.6. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме прерывис­того тока.

Если в режиме непрерывного тока за счет увеличения ин­дуктивности размах пульсаций можно сделать сколь угодно ма­лым, то в режиме прерывистого’ тока

8.4 Инвертирующий широтно-импульсный преобразователь.

В инвертирующем ШИП (рис. 6,7,а, б) дроссель фильтра включен параллельно, а мощный транзистор — последовательно по отношению к нагрузке.

При открытом состоянии силового транзистора VT диод VD закрыт под действием сумм напряжений источника питания и нагрузки, приложенных к нему в обратном направлении, вслед­ствие чего, нагрузка от источника электроэнергии отключена (рис.6,7,.в). При этом параллельно источнику подклинен дрос­сель Lф, в котором происходит накопление энергии.

В момент закрывания транзистора VT энергия, накоплен­ная в дросселе, поступает в конденсатор Сф и нагрузку через открывшийся диод (рис.2.7,г), а полярность выходного напря­жения преобразователя будет противоположной полярности пи­тающего напряжения. Временные диаграммы токов и напряжения для режима непрерывного тока дросселя приведены на рис.6.8.

Для режима непрерывного тока учитываем, что при откры­том состоянии транзистора к дросселю приложено напряжение питании Ud , а при закрытом — UH.

Максимальное и минимальное значения тока дросселя, тран­зистора и диода:

Рис.6.7. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения

Источник