С симметричным законом управления

К преобразователям постоянного напряжения относятся широтно-импульсные преобразователи и импульсные источники электропитания постоянного тока [1, 2].

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) используются, как правило, в регулируемых электроприводах постоянного тока. По построению ШИП можно разделить на одноплечевые (рис. 4.1 а) и мостовые (двухплечевые) (рис. 4.8 а). Питание первых осуществляется от источника со средней точкой.

Для управления ШИП используются в основном три способа (алгоритма):

□ симметричный;

□ несимметричный;

□ поочередной.

Два последних способа используются только в мостовых ШИП.

При симметричном способе управления транзисторы плеча переключаются в противофазе (рис. 4.1 г).

Рассмотрим последовательность образования коммутационных интервалов и электромагнитные процессы в ШИП при симметричном управлении для общего случая , нагрузки с противо э.д.с. При включении верхнего по схеме транзистора VT1 и выключении нижнего VT2, образуется цепь + , VT1, , , Е, - (рис. 4.1 б) для протекания тока нагрузки. К нагрузке в этом интервале прикладывается напряжение питания , а ток увеличивается от минимального значения до максимального (рис. 4.1 г). Напряжение на транзисторе VT1 на этом интервале равно нулю, а ток равен току нагрузки.

258 Электронные аппараты

Рис. 4.1. Одноплечевой ШИП с симметричным

законом управления

На транзисторе VT2 напряжение равно 2 . Это напряжение является отрицательным для диода D2 и ток через него равен нулю. При включении нижнего по схеме транзистора VT2 и выключении верхнего VT1 ток, поддерживаемый индуктивностью нагрузки, продолжает протекать в том же направлении. При этом образуется цепь, показанная на рис. 4.1 в, в которой ток нагрузки протекает навстречу э.д.с. и источнику . На этом интервале напряжение на нагрузке изменяет знак, а ток уменьшается.

К транзистору VT1 прикладывается напряжение 2 , диод D2 открыт, напряжение на нём равно нулю, а ток равен току нагрузки (рис. 4.1 в).

Если к началу рассматриваемого интервала в индуктивности нагрузки накоплена достаточная энергия, то такое состояние цепи сохраняется до очередного переключения транзисторов плеча. Если эта энергия недостаточна, то

Преобразователи постоянного напряжения 259

ток может упасть до нуля, а затем изменить направление под действием и э.д.с. В этом случае он переходит с диода D2 на транзистор VT2.

Поскольку диод и транзистор во включённом состоянии считаются идеально замкнутыми ключами, то на анализ электромагнитных процессов перехода тока с диода на транзистор не сказывается. При этом реализуется два состояния силовой части ШИП: одно – когда VT1 включён, а VT2 выключен; второе – когда VT1 выключен, а VT2 включен. Длительности этих состояний соответственно равны Т и (1 - )Т, где - относительная длительность первого состояния, изменяющаяся от 0 до 1.

Поэтому можно считать, что в схеме на периоде образуются два коммутационных интервала, схемы замещения на которых показаны на (рис. 4.1 б, в). При симметричном законе формируется знакопеременное напряжение на нагрузке, а среднее значение этого напряжения определяется из выражения:

, (4.1)

оно равно нулю при = 0,5, при > 0,5 среднее напряжение на нагрузке положительное, при < 0,5 – отрицательное. Регулировочная характеристика ШИП при симметричном управлении, рассчитанная по (4.1), показана на рис. 4.2.

Функциональная схема управления (СУ), реализующая симметричное управление ШИП, показана на рис. 4.3 а, а электромагнитные процессы – на рис. 4.3 б.

Рис. 4.2. Регулировочная характеристика ШИП

при симметричном управлении

260 Электронные аппараты

Генератор пилообразного напряжения (ГПН), тактируемый генератором импульсов (Г) вырабатывает(пилообразное напряжение) с периодом Т. Схема сравнения (СС) представляет собой релейный элемент, который переключается с плюса на минус и обратно, в момент равенства напряжения с выхода ГПН и напряжения на входе (рис. 4.3 б). Для управления ШИП распределитель импульсов (РИ) имеет два выхода: один – прямой, второй – инверсный. Эти импульсы, усиленные усилителями, поступают на базы транзисторов VT1, VT2, переключая их в противофазе (рис. 4.1, 4.3 б).

Рис. 4.3. Функциональная схема управления ШИП (а)

и электромагнитные процессы (б)

Преобразователи постоянного напряжения 261

9.5.2. Мостовой широтно-импульсный

Рис. 4.8. Мостовой ШИП (а) и алгоритм симметричного

управления (б)

262 Электронные аппараты

Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рис 4.8 б. По сравнению с рассмотренной одноплечевой схемой здесь нет никаких особенностей. Единственное отличие состоит в том, что к закрытому силовому транзистору здесь прикладывается напряжение питания , а не 2 , как это имеет место в одноплечевом ШИП. Поэтому эта схема в большинстве случаев является более предпочтительной.

Функциональная схема управления, реализующая симметричный способ управления мостовым ШИП, аналогична схеме (рис. 4.3) с той лишь разницей, что импульсы управления поступают не на один транзистор, а на пару диагонально расположенных транзисторов (рис 4.8 б).

Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока.

Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостатком ШИП с симметричным управлением является двухполярное напряжение на нагрузке и, в связи с этим, повышенные пульсации тока в нагрузке.

Стремление исключить этот недостаток привело к разработке способов, обеспечивающих однополярное напряжение на выходе ШИП. Простейшим из них является несимметричный.

Электромагнитные процессы в ШИП при несимметричном управлении представлены на рис. 4.10 а. В этом случае переключаются транзисторные ключи фазной группы VT3 и VT4 (ключи VT1 и VT2 при противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ VT1 постоянно открыт и насыщен, а ключ VT2 постоянно закрыт.

Транзисторные ключи VT3 и VT4 переключаются в противофазе. При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения одного их нижних по схеме транзисторов = 0.

Недостатком рассмотренного способа управления является то, что верхние по схеме транзисторные ключи (VT1, VT3) по току загружены больше, чем нижние. Этот недостаток устранён при поочередном управлении, временные диаграммы которого изображены на рис. 4.10 б.

Здесь при любом знаке входного сигнала в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, при этом частота переключения каждого из них в два раза меньше частоты напряжения на выходе. Управляющие напряжения транзисторных ключей одной фазы моста VT1, VT2 и VT3, VT4 постоянно находятся в противофазе; при этом ключи переключаются

Преобразователи постоянного напряжения 263

Рис. 4.10. Несимметричное (а) и поочередное (б) управление

транзисторным мостовым ШИП

через период выходного напряжения Т. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы , длительностью подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (рис. 4.10 б) со сдвигом на полпериода, а управляющие импульсы , длительностью . Также со сдвигом на полпериода, подаются на транзисторы противоположной диагонали (VT2, VT3). В этом случае на интервале нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный. При несимметричном и поочередном управлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью , пропорциональной сигналу на входе, среднее значение которого определяется из выражения:

, (4.2)

264 Электронные аппараты

Регулировочная характеристика ШИП при несимметричном и поочередном управлении приведена на рис. 4.11.

Функциональная схема управления транзисторным ШИП при несимметричном управлении изображена на рис. 4.12 а. Она содержит импульсный генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), два сумматора (СУМ1, СУМ2), две схемы сравнения (СС1, СС2), два распределителя импульсов (РИ1, РИ2) и усилители (У1,У2). Диаграммы на рис. 4.12 б поясняют принцип работы схемы управления ШИП.

Рис. 4.11. Регулировочная характеристика ШИП

при несимметричном и поочередном управлении

На входе сумматоров напряжение с выхода ГПН сравнивается с постоянным опорным напряжением UОП. Величина опорного напряжения задаётся равной максимальному значению напряжения с выхода ГПН. В результате с выхода сумматоров на входы схем сравнения поступают смещённые на UОП пилообразные напряжения (рис. 4.12 б). Схема сравнения СС1 со своим распределителем импульсов (РИ1) и усилителями управляют переключением одного плеча моста (VT1, VT2 рис. 4.8), а схема сравнения СС2 с РИ2 и усилителями управляет переключением другого плеча моста (VT3, VT4 рис. 4.8).

В результате при одной полярности входного сигнала переключаются транзисторы одного плеча, а в другом плече один транзистор всё время открыт, а другой закрыт. При другой полярности входного сигнала плечи меняются местами.

Преобразователи постоянного напряжения 265

Рис. 4.12. Функциональная схема управления (а) и

электромагнитные процессы (б) транзисторного

ШИП при несимметричном управлении

Рис. 4.12. Модель блока несимметричного управления ШИП

266 Электронные аппараты