Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

 

ШИМ обеспечивает формирование импульсного сигнала постоянной частоты и изменяемого коэффициента заполнения - отношение длительности импульса к периоду следования (скважность).

 

 Рис.1

 

На вход широтно-импульсного преобразователя (ШИП) может поступать непрерывный сигнал (в случае аналоговой обработки сигналов) или код числа (при цифровых способах обработки сигналов).

Основное преимущество ШИП – высокий КПД усилителей мощности, работающих в ключевом режиме.

Амплитуда ШИМ сигнала, поступающего на исполнительный двигатель должна быть равна величине его номинального напряжения.

Скважность сигнала на выходе преобразователя (модулятора) изменяется от 0 до 1 во всем диапазоне входного напряжения. При выходе входного напряжения за допустимые значения, ШИП входит в режимы насыщения. Таким образом, его статическая характеристика имеет вид:

Рис.2

 

Управление нагрузкой в режиме ШИМ

 

Для управления двигателями широко применяются широтно-импульсные транзисторные преобразователи различного типа, например, реверсивный широтно-импульсный преобразователь представленный на рис. 3.

 

 Рис.3

 

C появлением полупроводниковых приборов нового поколения (MOSFET, IGBT), транзисторные преобразователи стали применять в электроприводах мощностью от долей ватта до сотен киловатт, с полосой пропускания более 100Гц и диапазоном регулирования скорости до 100000.

Транзисторы в преобразователях работают в ключевом режиме с целью максимального использования допустимой мощности вентиля.

Питание преобразователя часто осуществляется от неуправляемого выпрямителя, на выходе которого устанавливается фильтр (в простейшем случае - конденсатор). При неуправляемом выпрямителе рекуперация энергии в сеть переменного тока невозможна. При наличии фильтра возможна частичная рекуперация энергии в конденсатор фильтра.

Возможны два варианта управления транзисторным мостом: симметричное и несимметричное.

В первом случае к нагрузке прикладывается разнополярное напряжение, во втором - знакопостоянное.

 

Несимметричное управление

 

При несимметричном управлении в режиме питания нагрузки открыты два транзисторных ключа, например, К1-К3. Под действием напряжения сети по нагрузке протекает ток по цепи: источник – К1 - нагрузка – К3 - источник. По истечении времени управления один из транзисторов закрывается, например, К3. Ток в индуктивной нагрузке мгновенно стать равным нулю не может и под действием ЭДС самоиндукции продолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по цепи: нагрузка - D4 - К1 - нагрузка. Этот ток затухает по мере расхода запаса электромагнитной энергии в индуктивных элементах цепи. Ток может снизиться до нуля. По окончании времени цикла при закрытом К4 и открытом К1 вновь открывается транзистор К3 и нагрузка подключается к источнику питания.

Среднее значение выходного напряжения U_cp = g U_max .

Кривая выходного напряжения транзисторного преобразователя, работающего в несимметричном режиме, представлены на рис. 4. Значение коэффициента заполнения импульса (скважности) g = t/T.

 Рис.4

 

Симметричное управление

 

При симметричном управлении транзисторы плеч К1-К3 и К2-К4 переключаются одновременно и попарно.

Недостатком ШИП с симметричным управлением является изменение знака напряжения на нагрузке и повышение пульсации тока в выходной цепи. При одновременном переключении транзисторов в одной стороне моста (K1, К2 или К3, К4) возникает опасность сквозных коротких замыканий источника питания в течение интервалов рассасывания неосновных носителей в базовых областях полупроводниковых приборов. Для предотвращения коротких замыканий включение транзисторов плеч моста должно осуществляться с некоторым запаздыванием. Например, после закрытия транзисторов К1-КЗ ток нагрузки под действием ЭДС самоиндукции замыкается по цепи: нагрузка - D4 - источник энергии - D2 - нагрузка. А после закрытия транзисторов К2-К4 ток якоря замыкается по цепи: нагрузка - D1 - источник энергии - DЗ -нагрузка.

Среднее значение напряжения на выходе преобразователя U_cp =(2g-1)U_max. Очевидно, что при g=0,5 среднее значение напряжения U_cp=0. При g<0,5 выходное напряжение меняет знак.

Кривая выходного напряжения транзисторного преобразователя, работающего в несимметричном режиме, представлены на рис.5.

 Рис.5

Для обмена энергией между источником и приемником источник питания должен обладать двухсторонней проводимостью. В случае питания ШИП от выпрямителя, если возможен переход машины постоянного тока в генераторный режим, выходной каскад должен быть дополнен схемой возврата энергии, в простейшем случае на выходе выпрямителя ставится конденсатор.

Изменение среднего значения выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением отношения времени открытия транзисторов к времени цикла g = t/T. Изменение g может выполняться различными способами:

·        изменением времени управления при постоянстве длительности цикла - широтно-импульсное управление;

·        изменением длительности цикла при постоянном времени управления - частотно-импульсное управление.

Наибольшее распространение получил первый способ при плавном изменении g от нуля до единицы.

 

Передаточная функция транзисторного преобразователя

 

В общем случае передаточная функция преобразователя может быть описана уравнением:

где:

U_тп(s) - изображение выходного напряжения преобразователя,

U_y(s) - изображение напряжения управления транзисторами;

К_тп - коэффициент передачи (усиления) преобразователя;

Т_тп - электромагнитная постоянная времени силовой цепи преобразователя (Т_тп =L/R);

t₀ - время задержки, зависит от момента и направления изменения управляющего сигнала и находится в диапазоне 0 £ l/f, где f - частота ШИМ (2-10кГц). При высокой частоте f ШИП можно считать безынерционным звеном и в первом приближении пренебречь величинами Т_тп и t₀ и принять W(s)=k_тп.

Применение транзисторных выпрямителей в качестве преобразователей постоянного тока имеет ряд особенностей, которые влияют на механические и регулировочные характеристики электроприводов постоянного тока:

·        дискретность регулирования;

·        влияние параметров преобразователя на статические характеристики электродвигателя;

·        прерывистость тока обмотки якоря при малых моментах нагрузки.

Важной особенностью транзисторов является то, что они могут работать на более высоких частотах, чем тиристоры. По сравнению с тиристорами транзисторы легко закрываются, что исключает необходимость применять специальные схемы искусственной коммутации и этим существенно упрощают управление преобразователем.