ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

February 19, 2014 by admin Комментировать »

Использование модуляции для регулирования напряжения постоянного тока, подаваемого на нагрузку, является распространенным приемом. Отметим три способа модуляции:

– широтно-импульсная модуляция ШИМ, при которой период модуляции постоянен, а переменным является время приложения постоянного по значению напряжения к нагрузке. Обозначим его как время работы (раб. Оно определяется средними значениями напряжения и тока на нагрузке;

–   частотно-импульсная модуляция ЧИМ, при которой время приложения постоянного по значению напряжения к нагрузке неизменно в течение периода модуляции, а сам период переменен, т. е. частота модуляции определяется средними значениями напряжения и тока на нагрузке;

–   широтно-частотная модуляция ШЧМ, при которой и период модуляции, и время приложения постоянного по значению напряжения к нагрузке переменны и определяется средними значениями напряжения и тока на нагрузке.

В электроприводе наибольшее распространение получила широтноимпульсная модуляция. Эпюры напряжения и тока при однополярной ШИМ приведены на рис. 4.10, где Ц6 – длительность импульса напряжения, приложенного к нагрузке; (пау,ы – время паузы; /,,од – период модуляции.

Рис. 4.10. Эпюры напряжения и тока однополярной ШИМ

Соотношение время работы – период модуляции оценивается продолжительностью включения γ = tpaJ txm. Среднее напряжение за период модуляции определяется выражением

Такое ШИМ-напряжение достаточно рационально реализуется полупроводниковыми преобразователями, которые в большинстве случаев для нужд полиграфиче-

Рис. 4.11. Схема преобразователя для получения ШИМ-напряжения для двигателя постоянного тока

ского оборудования выполняются на транзисторах. Пример такого преобразователя представлен на рис. 4.11.

Напряжение питания UU11T = Ud постоянное по значению получается за счет применения неуправляемого выпрямителя (однофазного при малых мощностях или трехфазного при больших мощностях нагрузки). Транзисторным ключом VT обмотка якоря двигателя с периодом модуляции подсоединяется к нерегулируемому напряжению Ud. В рабочую часть периода ΙμΛ двигатель потребляет энергию от источника питания, расходуя ее на совершение полезной работы и на накопление кинетической и электромагнитной энергии. Во время паузы транзистор VT выключен, и ток по цепи якоря протекает за счет накопленной энергии через диод VD под действие ЭДС двигателя. Период модуляции задается системой управления ШИМ в соответствии с напряжением управления Супр, определяющим необходимые средние значения напряжения и тока, а следовательно и скорость электропривода. Зависимость скорости ω при ШИМ-регулировании можно записать в виде

где <х>„ – скорость идеального холостого хода;

/ср – среднее значение тока якоря;

Анализ работы схемы показывает, что период модуляции не зависит от частоты напряжения на входе неуправляемого выпрямителя, а определяется только динамическими свойствами транзистора. В силу высококачественных параметров современных транзисторов частота модуляции/мод =1/ /мод составляет десятки килогерц. Внутреннее сопротивление неуправляемого выпрямителя мало и напряжение Ud не зависит от нагрузки, что определяет высокую жесткость механических характеристик электропривода, которая зависит только от сопротивления якоря двигателя Ея. Этому способствует и то обстоятельство, что система возбуждения двигателя, особенно для небольших мощностей двигателя, выполняется постоянными магнитами с высокими уровнями магнитной энергии. Общий вид механических характеристик при ШИМ регулировании приведен на рис. 4.12.

Рис. 4.1Ξ. Механические характеристики электропривода с широтно-импульсным преобразователем

Традиционное выражение механической характеристики на основе выражения (4.15) будет иметь следующий вид:

Импульсное регулирование напряжения сопровождается пульсациями тока якоря, а значит момента и скорости двигателя. Это негативная сторона такого регулирования. Значение пульсаций тока выразим как

где Гя – электромагнитная постоянная времени якорной цепи;

К – коэффициент.

Для нереверсивных преобразователей коэффициент К = 1. Для реверсивных преобразователей коэффициент К может принимать значения 1 или 0,5 в зависимости от способа коммутации его силовых ключей. Выражение (4.16) показывает, что уменьшение пульсаций можно добиться увеличением электромагнитной постоянной времени якорной цепи и частотой модуляции. Последняя причина весьма выгодна, поскольку улучшаются динамические свойства электропривода. Регулирование может приводить к снижению значения среднего тока /ср, что вызывает возрастание его пульсаций, приводящей к снижению тока во время паузы к нулю. Наступает режим прерывистых токов. Граничное значение тока можно вычислить по выражению

Самая большая протяженность режима прерывистых токов возникает при γ = 0,5, при γ = 1 и γ = 0 наблюдается только режим непрерывного тока. В зоне прерывистых токов модуль жесткости механических характеристик уменьшается. Здесь они приблизительно описываются уравнением вида

Это выражение помогает понять, почему характеристики в зоне прерывистых токов выходят из точки идеального холостого хода. При токе /ср — 0 изменение γ не приводит к изменению ω„.

Избежать зоны прерывистых токов позволит применение реверсивных преобразователей ШИМ-напряжения. Это дает линейность механических характеристик во всем диапазоне изменения нагрузки двигателя. Схема реверсивного преобразователя приведена на рис. 4.13. Преобразователь собран по мостовой схеме, в каждом плече которой имеется /(/71-транзистор и дроссель L.

Рис 4.13 Схема реверсивного преобразователя ШИМ-напряжения

В диагональ моста включена обмотка якоря двигателя, дроссель L5 и шунт RS. Двухполярное ШИМ-напряжение на обмотке якоря формируется симметричным режимом работы транзисторов VT 1… 174, которые в течение периода модуляции переключаются попарно: VT\… VT3 обеспечивают (ра61 (+ud), a VT2… VT4 – (ра62 ( Ud), где /|;,а61 > ipa62, для одного направления вращения вала двигателя, и 17 Ί … 174 обеспечивают (ра61 (+ud), a VT2… VT3 – (ра62 (-ud), где (ра61 < (ра62, для обратного направления вращения. Среднее напряжение на нагрузке определяется выражением

Оно равно нулю при γ = 0,5, и меняет свой знак при γ < 0,5. Дроссели L\, L4 и L2, L3 ограничивают сквозной ток, который может возникнуть в момент переключения транзисторов 771, VT4 и 172, 173, изменяющих полярность на обмотке якоря в конце /раб.1 и аналогично – в конце tpa6.2. Симметричный режим работы ключей повышает уровень пульсаций тока в нагрузке (17), поскольку скважность модуляции при этом может составить только γ = 0,5. Однако, наличие дросселя L5 уменьшает это значение. Шунт RS в цепи обмотки якоря предназначен для организации обратной связи по току и для измерения этого тока.

Такого построения преобразователь имеет возможность сформировать на нагрузке два вида напряжения: двухполярное (рис. 4.14, а) и однополярное (рис. 4.14, б).

Рис. 4.14. Эпюры напряжений двухполярной ПШМ (а) и однополярной ШИМ (б)

Однополярное ШИМ-напряжение формируется работой только транзисторов 171, 173 для одного направления вращения вала двигателя или только 172, 174 – для обратного. Скважность модуляции при этом может составить γ = 1, тогда согласно (4.17) пульсации тока вдвое меньше, чем в предыдущем случае. Но и здесь дроссель L5 исполнит свою роль и уменьшит пульсации тока в нагрузке.

Систему управления ключами преобразователя, реализующую ШИМ, с точки зрения технической реализации целесообразно основывать на сравнении пилообразного опорного напряжения Uon с напряжением управления Опорное напряжение задает частоту модуляции, а напряжение управления задает скважность модуляции, которая определяет средние значения напряжения и тока в нагрузке. Опорное напряжение вырабатывается генератором пилообразного напряжения, построенного по любому принципу. Однако на практике в их схемных решениях используется линейная часть кривой заряда конденсатора, имеющей экспоненциальную зависимость. В момент равенства нарастающего пилообразного напряжения и напряжения управления схема управления вырабатывает импульсы, переключающие соответствующие транзисторы преобразователя. Линеаризируя передаточную функцию преобразователя, можно считать его как звено чистого запаздывание – . Время чистого запаздывания принимают равным периоду модуляции

τ = 7′Ш1Д. Как указывалось ранее, частота модуляции в преобразователях велика, то τ мало и экспоненциальную зависимость можно заменить линейной. Тогда импульсный преобразователь модно представить апериодическим звеном первого порядка с малой постоянной времени –.                                                            Если   система управления выполняет модуляцию с очень высокой частотой, то постоянной времени запаздывания преобразователя можно пренебречь, а его считать безинерционным звеном с передаточной функцией Wnр = /<пр.

Регулируемые электроприводы, приводящие в движение производственные механизмы, могут работать как в двигательном режиме, так и переходить в тормозные (генераторные) режимы. В этих режимах запасенная механизмом энергия рекуперируется в источник питания приводного двигателя, где она либо накапливается в его емкостных элементах, увеличивая на них напряжение выше допустимого значения, либо должна рассеиваться на его активных элементах. В рассматриваемой схеме, рис. 4.13, ток рекуперации от двигателям, перешедшего в генераторный режим, через диоды EDI, VD3 или через диоды ED2, ED4 в зависимости от направления его вращения аккумулирует возвращаемую энергию в конденсаторе С, повышая на ней напряжение выше значения, выпрямленного мостом UZ. Для предотвращения воздействия этого перенапряжения на вентили выпрямительного моста и на силовые транзисторные ключи ЕЛ, ЕУЗ, Е72, Е74 в схеме преобразователя предусматривается управляемая цепь снятия этого перенапряжения, состоящая из транзистора VT5 и резистора R. При появлении перенапряжения схема, контролирующая этот процесс, подает импульс управления на транзистор VT5, и возвращаемая энергия рассеивается сопротивлением R, что приводит к снижению напряжения на конденсаторе С до уровня выпрямленного значения. Такой процесс в работе электропривода наблюдается и при снижении скорости за счет использования регулируемого ШИМ-напряжения. Кроме такого ограничения режимов работы электропривода в нем организуется аварийное торможение, которое может использоваться в частности при коротких замыканиях, при перегрузках, понижении или обрыве фазы питающего напряжения, при несоответствии фактической скорости якоря двигателя заданной и т. п. Аварийное торможение является динамическим. В большинстве случаев динамическим сопротивлением является измерительный шунт, используемый для снятия информации о токе в обмотке якоря двигателя. Аварийное торможение включается схемой, выявляющей аварийные режимы, а реализуется, например, в рассматриваемом электроприводе оптронным ключом ESI либо VS2 в зависимости от направления вращения электродвигателя (от полярности его ЭДС). Включившийся оптронный ключ замыкает якорную обмотку двигателя на сопротивление шунта RS, образуя тем самым динамическое торможение. В ней в силу малого сопротивления шунта обеспечивается большое значение тормозного тока, тормозного момента и весьма быстрое (в течение долей секунды) снижение скорости до нуля. Механическая характеристика при таком динамическом торможении имеет высокий модуль жесткости.

Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты