Импульсные регуляторы к каким они относятся схемам. С максимальной нагрузкой. Импульсные регуляторы постоянного напряжениядля питания многоуровневых инверторов

Линейные стабилизаторы имеют общий недостаток – это малый КПД и высокое выделение тепла. Мощные приборы, создающие нагрузочный ток в широких пределах имеют значительные габариты и вес. Чтобы компенсировать эти недостатки, разработаны и используются импульсные стабилизаторы.

Устройство, поддерживающее в постоянном виде напряжение на потребителе тока с помощью регулировки электронным элементом, действующим в режиме ключа. Импульсный стабилизатор напряжения, так же как и линейный существует последовательного и параллельного вида. Роль ключа в таких моделях исполняют транзисторы.

Так как действующая точка стабилизирующего устройства практически постоянно расположена в области отсечки или насыщения, проходя активную область, то в транзисторе выделяется немного тепла, следовательно, импульсный стабилизатор имеет высокий КПД.

Стабилизация осуществляется с помощью изменения продолжительности импульсов, а также управления их частотой. Вследствие этого различают частотно-импульсное, а другими словами широтное регулирование. Импульсные стабилизаторы функционируют в комбинированном импульсном режиме.

В устройствах стабилизации с регулированием широтно-импульсным частота импульсов имеет постоянную величину, а продолжительность действия импульсов является непостоянным значением. В приборах с регулированием частотно-импульсным продолжительность импульсов не изменяется, меняют только частоту.

На выходе устройства напряжение представлено в виде пульсаций, соответственно оно не годится для питания потребителя. Перед подачей питания на нагрузку потребителя, его нужно выровнять. Для этого на выходе импульсных стабилизаторов монтируют выравнивающие емкостные фильтры. Они бывают многозвенчатыми, Г-образными и другими.

Средняя величина напряжения, поданная на нагрузку, вычисляется по формуле:

• Ти – продолжительность периода.
• tи – продолжительность импульса.
• Rн – значение сопротивления потребителя, Ом.
• I(t) – значение тока, проходящего по нагрузке, ампер.

Ток может перестать протекать по фильтру к началу следующего импульса, в зависимости от индуктивности. В этом случае идет речь о режиме действия с переменным током. Ток также может дальше протекать, тогда имеют ввиду функционирование с постоянным током.

При повышенной чувствительности нагрузки к импульсам питания, выполняют режим постоянного тока, не смотря со значительными потерями в обмотке дросселя и проводах. Если размер импульсов на выходе прибора незначителен, то рекомендуется функционирование при переменном токе.

Принцип работы

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.

Повышающий стабилизатор

Импульсные повышающие стабилизаторы применяют вместе с нагрузками, разность потенциалов которых выше, чем напряжение на входе приборов. В стабилизаторе нет гальванической изоляции сети питания и нагрузки. Импортные повышающие стабилизаторы называются boost converter. Основные части такого прибора:

Транзистор вступает в насыщение, и ток проходит по цепи от положительного полюса по накопительному дросселю, транзистору. При этом накапливается энергия в магнитном поле дросселя. Нагрузочный ток может создать только разряд емкости С1.

Отключим выключающее напряжение с транзистора. При этом он вступит в положение отсечки, а следовательно на дросселе появится ЭДС самоиндукции. Оно будет коммутировано последовательно с напряжением входа, и подключено по диоду к потребителю. Ток пойдет по цепи от положительного полюса к дросселю, по диоду и нагрузке.

В этот момент магнитное поле индуктивного дросселя выдает энергию, а емкость С1 резервирует энергию для поддержки напряжения на потребителе после вхождения транзистора в режим насыщения. Дроссель является для резерва энергии и не работает в фильтре питания. При повторной подаче напряжения на транзистор, он откроется, и весь процесс пойдет заново.

Стабилизаторы с триггером Шмитта

Такой вид импульсного устройства имеет свои особенности наименьшим набором компонентов. Основную роль в конструкции играет триггер. В его состав входит компаратор. Основной задачей компаратора является сравнивание величины выходной разности потенциалов с наибольшим допустимым.

Принцип действия аппарата с триггером Шмитта состоит в том, что при увеличении наибольшего напряжения осуществляется коммутация триггера в позицию ноля с размыканием электронного ключа. В одно время разряжается дроссель. Когда напряжение доходит до наименьшего значения, то выполняется коммутация на единицу. Это обеспечивает замыкание ключа и прохождение тока на интергратор.

Такие приборы имеют отличия своей упрощенной схемой, но использовать их можно в особых случаях, так как импульсные стабилизаторы бывают только повышающими и понижающими.

Понижающий стабилизатор

Стабилизаторы импульсного типа, функционирующие с понижением напряжения, являются компактными и мощными приборами питания электрическим током. При этом они имеют низкую чувствительность к наводкам потребителя постоянным напряжением одного значения. Гальваническая изоляция выхода и входа в понижающих устройствах отсутствует. Импортные приборы получили название chopper. Выходное питание в таких устройствах постоянно находится меньше входного напряжения. Схема импульсного стабилизатора понижающего типа изображена на рисунке.

Подключим напряжение для управления истоком и затвором транзистора, который войдет в положение насыщения. По нему будет проходить ток по цепи от положительного полюса по выравнивающему дросселю и нагрузке. В прямом направлении ток по диоду не протекает.

Отключим управляющее напряжение, которое выключает ключевой транзистор. После этого он будет находиться в положении отсечки. ЭДС индукции выравнивающего дросселя будет преграждать путь для изменения тока, который пойдет по цепи через нагрузку от дросселя, по общему проводнику, диод, и опять придет на дроссель. Емкость С1 будет разряжаться и будет удерживать напряжение на выходе.

При подаче отпирающей разницы потенциалов между истоком и затвором транзистора, он перейдет в режим насыщения и вся цепочка вновь повторится.

Инвертирующий стабилизатор

Импульсные стабилизаторы инвертирующего типа используют для подключения потребителей с постоянным напряжением, полюсность которого имеет противоположное направление полюсности разности потенциалов на выходе устройства. Его значение может быть выше сети питания, и ниже сети, в зависимости от настройки стабилизатора. Гальваническая изоляция сети питания и нагрузки отсутствует. Импортные приборы инвертирующего типа называются buck-boost converter. На выходе таких приборов напряжение всегда ниже.

Подключим управляющую разность потенциалов, которое откроет транзистор между истоком и затвором. Он откроется, и ток пойдет по цепи от плюса по транзистору, дросселю к минусу. При таком процессе дроссель резервирует энергию с помощью своего магнитного поля. Отключим разность потенциалов управления от ключа на транзисторе, он закроется. Ток пойдет от дросселя по нагрузке, диоду, и возвратится в первоначальное положение. Резервная энергия на конденсаторе и магнитном поле будет расходоваться для нагрузки. Снова подадим питание на транзистор к истоку и затвору. Транзистор опять станет насыщаться и процесс повторится.

Преимущества и недостатки

Как и все приборы, модульный импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Разберем основные из преимуществ:

• Простое достижение выравнивания.
• Плавное подключение.
• Компактные размеры.
• Устойчивость выходного напряжения.
• Широкий интервал стабилизации.
• Повышенный КПД.

Недостатки прибора:

• Сложная конструкция.
• Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
• Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
• Сложность работ по ремонту.
• Образование большого количества помех частоты.

Допустимая частота

Функционирование импульсного стабилизатора возможно при значительной частоте преобразования. Это является основной отличительной чертой от устройств, имеющих трансформатор сети. Увеличение этого параметра дает возможность получить наименьшие габариты.

Для большинства приборов интервал частот будет равен 20-80 килогерц. Но при выборе ШИМ и ключевых приборов необходимо учесть высокие гармоники токов. Верхняя граница параметра ограничена определенными требованиями, которые предъявляются к радиочастотным приборам.

Автоматический регулятор прерывистого действия, выходной сигнал (управляющее воздействие) которого имеет характер модулированной последовательности импульсов. Необходимым элементом Р. и. является импульсный элемент (модулятор), осуществляющий модуляцию выходной импульсной последовательности в соответствии с величиной сигнала ошибки. В зависимости от вида модуляции импульсной различают амплитудно-, широтно- и частотно-импульсные регуляторы.

Импульсный характер управления облегчает решение ряда тех. проблем, возникающих при разработке автомат, регуляторов, и позволяет создавать регулирующие устройства, обладающие существенными конструктивными и эксплуатационными преимуществами. Одним из главных преимуществ Р. и. является то, что в них с помощью простых и экономичных тех. средств можно разрешить противоречие между точностью и мощностью управляющих сигналов. При непрерывном характере управления первичный измерительный прибор (магнитоэлектрический гальванометр, логометр, гироскоп и т. п.) постоянно соединен с датчиком-преобразователем, который преобразует показания прибора в мощный сигнал, управляющий работой исполнительного механизма. Датчик является дополнительной нагрузкой на подвижную систему прибора, снижающей точность его показаний. В Р. и. имеется возможность подключать датчик к первичному прибору лишь на время действия управляющего импульса. На это время подвижная система измерительного прибора фиксируется в том положении, в котором она находилась перед появлением импульса, так что точность показаний прибора не ухудшается.

Существенным преимуществом регуляторов с амплитудно- и широтно-импульсной модуляцией (АИМ, ШИМ) является возможность осуществлять многоканальное регулирование. При этом один Р. и. управляет работой нескольких объектов управления (рис. 1, а) за счет временного разделения каналов регулирования, осуществляемого импульсными элементами , работающих с одинаковыми или кратными периодами повторения Т, но сдвинутых по фазе на величину АТ (рис. 1, а и б). Для исключения взаимного влияния каналов должно соблюдаться условие: , если в Р. и. применяется амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), или тмакс если в Р. и. применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Здесь N - число каналов регулирования, - длительность управляющих импульсов, модулируемых по амплитуде, а - макс., длительность импульсов,

модулируемых по ширине. Такой способ регулирования удешевляет систему автомат, управления за счет экономии регулирующей аппаратуры.

Осн. преимуществом Р. и. с частотно- и широтно-импульсной модуляцией (ЧИМ и ШИМ) является сочетание высокого качества регулирования с конструктивной простотой и надежностью, характерными для релейных систем. Высокое качество регулирования обеспечивается здесь линеаризующим действием час-тотно-импульсной модуляции (ЧИМ) или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), благодаря которому динамические характеристики Р. и. приближаются к характеристикам линейных регуляторов.

1. Многоканальная импульсная система автоматического регулирования: а - структурная схема; б - диаграмма работы импульсных элементов; - регулируемые величины, fi - задающие сигналы, сигналы ошибок, воздействия

2. Блок-схема частотно-импульсного регулятора.

В то же время релейный характер выходного (управляющего) сигнала таких Р. и. позволяет применять простые и надежные исполнительные механизмы с релейным управлением: асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, электрогидравлические или электропневматические приводы, соленоидные клапаны, шаговые двигатели и т. п. В качестве примера на рис. 2 изображена блок-схема простейшего частотно-импульсного регулятора. Сигнал ошибки , усиленный усилителем напряжения УН, поступает на интегрирующий ДС-фильтр. Сигнал после фильтра, усиленный усилителем мощности УМ, подается на реле РУ, управляющее работой исполнительного механизма ИМ и реле времени РВ. Реле РВ, срабатывая с небольшой временной задержкой , разряжает конденсатор С.

Это приводит к возврату реле РУ и остановке ИМ. В результате на выходе РУ появляются прямоугольные импульсы с постоянной длительностью частотой, приблизительно пропорциональной сигналу ошибки . По динамическим свойствам такой Р. и. близок к простейшему линейному астатическому регулятору (И-регулятору), а по конструктивной простоте и надежности - к -позиционному релейному регулятору. Импульсный способ передачи информации обладает повышенной помехозащищенностью. Поэтому Р. и. применяют в системах автомат, управления, содержащих проводные или радиотехнические каналы связи. Примерами таких систем являются радиолокационные станции сопровождения, системы телеуправления промышленными объектами и т. п. В электроэнергетике большое распространение получили широтно- и частот-но-импульсные регуляторы напряжения, частоты и активной мощности. В СССР серийно выпускается большой ассортимент устройств для одно- и многоканального импульсного и цифрового регулирования, напр., серия Р. и. типа РП, электронная система многоканального импульсного регулирования типа пневматические обегающие устройства типов предназначенные для 8- и 16-канального импульсного регулирования и выпускающиеся в составе системы «СТАРТ», машины для централизованного контроля и многоканального цифрового регулирования типов «ЭЛРУ», «Зенит», «Цикл-2», «АМУР», «МАРС-200Р» и др.

Р. и. вместе со спец. логико-вычисл. устройствами позволяют создавать системы экстремального регулирования, предназначенные для автоматического поддержания максимального (минимального) значения регулируемой величины. Примерами экстремальных Р. и. являются частотно-импульсный экстремальный регулятор «ЭРА-1» и экстремальные пневматические Р. и. серии АРС (система «СТАРТ»). Лит.: Цыпкин Я. 3. Теория линейных импульсных систем. М., 1963 [библиогр. с. 926-963]; Боярченков М. А. [и др.]. Импульсные регуляторы на бесконтактных магнитных элементах. М.- Л., 1966 [библиогр. с. 119]; Кунцевич В. М., Чеховой Ю. Н. Нелинейные системы управления с частотно- и широтно-импульсной модуляцией. К., 1970 [библиогр. с. 330-336]. Ю. Н. Чеховой.

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
для питания многоуровневых инверторов

Юрий Кумаков , соискатель степени к.т.н., Саратовский государственный технический университет

Перспективным направлением в развитии вентильных преобразователей частоты на основе автономных инверторов напряжения является применение схем с многоуровневой модуляцией выходного напряжения. Об одной из разработок в этой области – инверторах напряжения с мультиуровневой модуляцией – Юрий Александрович Кумаков уже рассказывал в нашем журнале («Новости ЭлектроТехники» № 6(36) 2005).
При разработке и внедрении многоуровневых схем возникает необходимость одновременного получения нескольких уровней постоянного напряжения для питания инвертора. В сегодняшнем материале автор рассматривает вопросы, связанные с применением для этой цели импульсных регуляторов постоянного напряжения.

В последние годы схемы вентильных преобразователей частоты на базе автономных инверторов напряжения (АИН) с многоуровневой ступенчатой модуляцией (СМ) или многоуровневой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения получают всё более широкое распространение. С ростом числа уровней становится возможным формировать ступенчатое напряжение, которое аппроксимирует синусоидальное напряжение с точностью, определяемой числом уровней. В результате появляется возможность уменьшить потери мощности и снизить частоту ШИМ (если она применяется), а также существенно улучшить гармонический состав выходного напряжения АИН. Эти эффекты становятся более значимыми с увеличением числа уровней выходного напряжения . При разработке и внедрении многоуровневых схем появляется необходимость одновременного получения нескольких уровней постоянного напряжения для питания инвертора. В отдельных случаях этого удается достичь исключительно за счет схемных решений при использовании только одного источника питания (ИП) . В остальных случаях возникает необходимость одновременного применения нескольких ИП постоянного тока или напряжения.

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПИТАНИЯ АИН

Одним из перспективных направлений развития многоуровневых преобразователей стало использование многоячейковых структур. Каждая ячейка такой структуры состоит из однофазных мостовых преобразователей, выполненных на полностью управляемых ключах. Все ячейки соединяются последовательно на стороне переменного тока в каскады (преобразователи с такой схемой называются также каскадными). Ячейки получают питание от изолированных ИП постоянного тока, в общем случае имеющих разное напряжение .
Другим шагом стала разработка АИН с мультиуровневой модуляцией, большое число уровней выходного напряжения которых достигается за счет особого способа трансформаторного суммирования напряжений двух мостов. Однако АИН с мультиуровневой модуляцией также требуют наличия нескольких ИП. Например, АИН с 24-уровневой модуляцией требует трех, с 40-уровневой – четырех, с 60-уровневой – пяти ИП .
В некоторых случаях для этой цели можно использовать несколько двухобмоточных трансформаторов, каждый из которых соединен с неуправляемым выпрямителем. Этот способ вполне приемлем, однако стоимость подобного устройства может быть очень высокой.
Возможно и одновременное использование нескольких управляемых выпрямителей, имеющих на выходах разные уровни напряжения. Однако серьезным недостатком такого способа является импульсное потребление тока из входной сети, во многих случаях приводящее к искажению формы кривых напряжения и таким образом к ухудшению работы всех потребителей электроэнергии в той же сети. Эту проблему часто решают путем замены группы управляемых выпрямителей на группу импульсных регуляторов постоянного напряжения (ИРПН) 1 , питающихся от одного или от нескольких неуправляемых выпрямителей, снабженных LC-фильтром. Такой способ позволяет достичь потребления практически синусоидального тока из входной сети с cos j , близким к 1. Схемы с ИРПН имеют высокий КПД; наличие трансформаторов в них не требуется, однако по сравнению с трансформаторными ИП необходимы конденсаторы большой емкости как в самих ИРПН, так и в неуправляемом выпрямителе.

1 ИРПН также называют импульсными стабилизаторами напряжения (ИСН).

ТИПЫ ИРПН

Наиболее известными являются ИРПН трех типов:

• понижающего (U вых меньше U вх);
• повышающего (U вых больше U вх);
• инвертирующего (U вых имеет произвольную величину, но обратно U вх по знаку).

Все три типа ИРПН (рис. 1, а, б, в) состоят из индуктивности (накопительного дросселя) L, регулирующего транзистора T, работающего в ключевом режиме, блокировочного диода VD, фильтрующего конденсатора C, системы управления СУ, формирующей сигналы управления ключом T, а также вспомогательного вольтметра V. Отличия состоят в порядке включения в схему перечисленных элементов и соответственно в алгоритме управления, заложенном в СУ. Принципы их работы описаны, например, в .
Наибольшее распространение получил ИРПН понижающего типа, в котором накопительный дроссель L одновременно является элементом сглаживающего LC-фильтра. В ИРПН повышающего и инвертирующего типов дроссель L не участвует в сглаживании пульсации выходного напряжения, которое достигается только за счет увеличения емкости конденсатора С, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом.

Рис. 1
Схема ИРПН: а) понижающего типа,
б) повышающего типа,
в) инвертирующего типа

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ИРПН

Оптимальным алгоритмом управления ключом T для ИРПН любого типа является применение ШИМ, поскольку:

• обеспечиваются высокий КПД и оптимальная частота преобразования независимо от напряжения первичного источника питания Uвх и тока нагрузки;
• частота пульсации на нагрузке является неизменной, что имеет существенное значение для ряда потребителей электроэнергии;
• реализуется возможность одновременной синхронизации частот преобразования неограниченного числа ИРПН, что исключает опасность возникновения биений частот при питании нескольких ИРПН от общего первичного источника постоянного тока.

Последнее дает возможность питать несколько ИРПН от одного неуправляемого выпрямителя с LC-фильтром .
Вольтметр V и система управления (СУ) часто выполняются на аппаратной элементной базе. В таком случае эти два узла для каждого отдельного ИРПН включают в себя делитель напряжения, источник опорного напряжения, сравнивающий элемент, усилитель рассогласования, формирователь синхронизирующего напряжения (задающий генератор) и пороговое устройство, осуществляющее формирование модулированных по длительности импульсов.
Современная техника позволяет использовать в качестве СУ промышленный микроконтроллер (МК). На рынке МК можно найти кристаллы со встроенными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и ШИМ-модуляторами. Тогда единственным элементом в цепи управления, помимо СУ, будет вольтметр V, представляющий собой делитель напряжения (или, в зависимости от возможностей выбранного кристалла, делитель напряжения и внешний АЦП).
Преимущества МК особенно очевидны, когда один МК обслуживает несколько ИРПН (что актуально в системе питания многоуровневого АИН). Тогда для каждого ИРПН независимыми элементами являются лишь делители напряжения, что приводит к снижению стоимости устройств. Плюсом МК является и возможность прямо в ходе работы гибко настраивать алгоритм управления одним или всеми ИРПН. Например, можно легко повысить или понизить частоту ШИМ в зависимости от чувствительности нагрузки к пульсациям выходного напряжения АИН.
Из-за высокой частоты нескольких ШИМ, скважность каждого импульса которых контролируется, дополнительные задачи возлагать на МК, управляющий несколькими ИРПН, нежелательно.

МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ ИРПН

Традиционно управление ИРПН осуществляется таким образом, чтобы ток через дроссель L был непрерывным. Тогда внешние и регулировочные характеристики ИРПН при непрерывном токе являются линейными. При прерывистом токе они нелинейны, а регулировочные характеристики еще и неоднозначны. Кроме того, расчеты режима прерывистого тока более сложны, чем непрерывного. При выборе режима работы ИРПН для питания АИН необходимо учитывать, что для обеспечения режима непрерывного тока ИРПН индуктивность дросселя должна быть достаточно велика, причем её размер возрастает с уменьшением пульсаций входного тока и выходного напряжения. Однако спецификой АИН как нагрузки ИП является импульсный характер потребления тока со скачкообразным изменением от нуля до рабочего значения и наоборот, что обусловлено вентильным распределением энергии в инверторах напряжения. Накопление значительной энергии в дросселе может привести к всплескам выходного напряжения в моменты отключения вентиля и просадке напряжения в моменты его включения. Поэтому при питании АИН более оптимальным является режим прерывистого тока дросселя, для осуществления которого требуется меньшая индуктивность дросселя.
Итак, преимуществами прерывистого режима ИРПН являются: отсутствие всплесков напряжения при питании импульсной нагрузки и меньший номинал дросселя при том же значении максимального тока ИРПН, отсутствие колебаний выходного напряжения длительностью более одного-двух тактов ШИМ. Недостаток – увеличение емкости конденсатора C. Минусы, связанные с нелинейностью характеристик, при микропроцессорном управлении ИРПН большого значения не имеют.

РАСЧЕТ СХЕМ ДЛЯ РЕЖИМА ПРЕРЫВИСТОГО ТОКА

Исходными (задаваемыми) параметрами ИРПН являются входное и выходное напряжения ИРПН U вх и U вых, максимальный ток I max , потребляемый нагрузкой, и предельная величина пульсаций U вых при токе I max , которую можно обозначить D U max . При питании многоуровневого АИН значения U вх и U вых являются постоянными.
При реализации схемы ИРПН необходимо, отталкиваясь от значений этих четырех величин, рассчитать значения частоты переключения ключа T в режиме ШИМ T ШИМ, емкости конденсатора C, индуктивности дросселя L и найти оптимальный алгоритм расчета величины Q – скважности (коэффициента заполнения) импульса ШИМ, равной отношению времени открытия ключа T к длительности одного периода ШИМ. Поскольку величины T ШИМ, C и D U max непосредственно связаны между собой, то одна из величин TШИМ и C может быть задаваемой, а значение второй должно рассчитываться по заданному параметру и величине D U max .

РАСЧЕТ ЕМКОСТИ C И ЧАСТОТЫ T ШИМ

Из рис. 1 видно, что конденсатор C, формирующий выходное напряжение U вых и сглаживающий пульсации, обусловленные импульсным характером работы ключа, является одинаковым элементом ИРПН всех типов. Поэтому расчет емкости C или величины T ШИМ для ИРПН всех типов выполняется одинаково. При этом целесообразно отталкиваться от максимальной величины пульсаций выходного напряжения D U max в режиме прерывистого тока индуктивности. Для случая, когда задаваемой величиной является частота T ШИМ, а вычисляемой – C, емкость C можно рассчитать по формуле:

(1)

что является минимальной емкостью, при которой величины пульсаций напряжения при токе не выше номинального (I max) не превысят DUmax. Например, если для ИРПН мощностью 165 кВт (3,3 кВ, 50 А) взять D U max = 30 В (коэффициент пульсаций при этом составит менее 1%), а T ШИМ = 20 кГц, то величина C составит 83 мкФ.
Иногда размер емкости может быть искусственно увеличен, если она, помимо сглаживания пульсаций постоянного напряжения, используется для других целей. Например, выходные конденсаторы ИРПН могут использоваться также для возврата реактивной мощности нагрузки, питаемой АИН, как это сделано в мультиуровневых АИН . Существуют различные методики оценки емкости, необходимой для возврата реактивной мощности. Однако если рассчитанная по ним величина C превышает значение, полученное по формуле (1), то имеет место второй случай, когда величина C становится задаваемой. Тогда выгодно понизить частоту ШИМ до такого минимального значения, при котором пульсации выходного напряжения не превысят D U max . Это легко сделать, преобразовав формулу (1) к виду:

(2)

Стоит, однако, заметить, что увеличение емкости C сказывается на стоимости устройства. Поэтому в некоторых случаях, если это допустимо, целесообразно расчет C производить по формуле (1), а возврат реактивной мощности осуществлять не в емкость C, а во входную сеть. Для этого необходима схемная доработка ИРПН – добавление цепи, отвечающей за рекуперацию избыточной энергии. Два варианта доработки ИРПН понижающего типа до реверсивного по току рекуперативного ИРПН приведены на рис. 2.
В неуправляемом варианте (рис. 2, а) диод DR1 препятствует протеканию обратного тока через емкость, а диод DR2 направляет обратный ток в цепь источника питания. Такой вариант более прост в реализации, но имеет ряд недостатков, например, в некоторых случаях он может приводить к перенапряжениям нагрузки.
Более приемлемым является управляемый вариант (рис. 2, б). При превышении напряжением емкости C требуемого значения U вых система управления СУ с помощью управляемого ключа TR (при закрытом ключе T) производит накопление энергии в дросселе L, после чего при размыкании ключа накопленная энергия через диод DR поступает в сеть входного источника питания. Процесс повторяется с частотой, сравнимой с T ШИМ или равной ей, до тех пор, пока напряжение емкости не достигнет допустимых значений.

Рис. 2. Схемы рекуперативных ИРПН понижающего типа
а) неуправляемого,
б) управляемого

Расчет индуктивности L

Следующим шагом при расчете схем ИРПН является получение значения индуктивности L. Из рис. 1 следует, что для ИРПН понижающего типа как ток зарядки, так и ток разрядки дросселя L протекает на землю через емкость C. Для ИРПН повышающего и инвертирующего типов ток разрядки дросселя протекает через емкость, а ток зарядки – нет. Поэтому методики расчета величины L отличаются.

ИРПН повышающего и инвертирующего типов

Рассмотрим сначала расчет индуктивности L для ИРПН повышающего и инвертирующего типов. Допустим, емкость C, заряженную в текущий момент до напряжения U C , необходимо дозарядить за один период ШИМ до требуемого напряжения U вых. Разница заданного и текущего напряжений при этом составляет dU C = U вых – U C . Тогда величины L и Q для этих типов ИРПН в режиме прерывистого тока будут связаны приближенной формулой:

(3)

Предполагается, что за время замыкания ключа реальное значение входного напряжения U вх существенно не изменится, ток через индуктивность в момент замыкания ключа равен нулю, а величина dU C не превышает D U max , причем D U max значительно меньше требуемого выходного напряжения U вых. Полученная формула связывает величины Q и L, поэтому, чтобы выразить одну из этих величин, необходимо определить значение второй. Для того чтобы оценить значение L, зададим номинальную скважность Q 0 для некоторой величины (dU C) 0 (важно, чтобы выбранное значение Q 0 не приводило к переходу в режим непрерывного тока дросселя). Например, при отклонении (dU C) 0 = D U max скважность Q 0 можно выбрать равной 0,3 или 0,4. Тогда, определяя L из формулы (3), получаем окончательное выражение: Видно, что отличие формулы (5) от формулы (3) состоит в методике расчета величины K. Применяя метод оценки L, использованный для получения формулы (4), находим: Подставив в эту формулу значение L, рассчитанное соответственно по формуле (4) или (6), после сокращения получаем формулу для расчета скважности (коэффициента заполнения) импульса ШИМ:

(8)

Эта формула является регулировочной характеристикой ШИМ. Стоит сделать оговорку, что Q теоретически не может превышать 1, следовательно, если рассчитанное значение в какой-то момент превышает 1, необходимо принять его равным 1. На практике рекомендуется ограничить Q значением 0,7–0,9 для предотвращения чрезмерного нарастания тока через индуктивность (рис. 3).

Рис. 3. Зависимости Q от dU C при разных Q 0 .
Все (dU C) 0 = 1 В; Q max = 0,9

Как отмечалось выше, статическая регулировочная характеристика при непрерывном токе дросселя является линейной; при прерывистом токе, как видно из формулы (8) и рис. 3, она нелинейная, однако управляющий МК легко может хранить её в виде таблицы (достаточно 50–100 значений). ИП с таким алгоритмом управления хорошо переносит импульсную нагрузку, не давая просадки или всплеска напряжения в начале или в конце импульсов выходного тока. На рис. 4 представлены результаты моделирования установившегося режима в ИРПН понижающего типа.

Рис. 4. Процессы в ИРПН понижающего типа в установившемся режиме.
U вх = 180 В; U вых = 60 В; ток нагрузки 6 А; T ШИМ = 100 кГц

Особенности пуска ИРПН

Приведенные выше расчеты регулировочной характеристики пригодны лишь для установившегося режима работы ИРПН. Особым случаем является пуск ИРПН, при котором напряжение U C изначально равно нулю. В этом случае применение алгоритма для любого типа ИРПН приведет к чрезмерному накоплению энергии в дросселе L, что в свою очередь вызовет значительный всплеск напряжения емкости C после достижения на ней заданного значения U вых и отключения вентиля T.
Проблема решается двумя путями. Первый состоит в том, что после включения питания управляющий МК должен ограничить максимальную скважность Q max значениями 0,2–0,3 до тех пор, пока напряжение емкости не станет приблизительно равным U вых. Но лучший способ – запретить на время зарядки C работу АИН, добившись таким образом обнуления выходного тока, при этом Q 0 (при (dU C) 0 = D U max) на время зарядки C ограничивается значениями порядка 0,1 или менее.
На рис. 5 представлены результаты моделирования пуска ИРПН понижающего типа при отключенной нагрузке. Видно, что применение описанного алгоритма позволяет избежать сильного всплеска выходного напряжения и последующих колебаний выходного напряжения после достижения заданного значения U вых.
Процессы в реальных сетях могут отличаться от изображенных на рис. 5 в связи, например, с ограничением значения входного тока ИРПН. В последнем случае процесс зарядки емкости удлиняется.

Рис. 5. Процессы в ИРПН понижающего типа в режиме пуска без нагрузки и в момент после включения нагрузки.
U вх = 180 В; U вых = 60 В; ток нагрузки 6 А; T ШИМ = 10–5 с; Q 0 (пусковое) = 0,08; Q 0 (рабочее) = 0,6

Выводы

1. Все типы ИРПН пригодны для питания многоуровневых АИН. Тип ИРПН для питания конкретных АИН может выбираться исходя из соотношения U вх и U вых, а также из рассчитываемых индуктивностей дросселя L для разных модификаций ИРПН.
2. При питании многоуровневых АИН оптимальным является режим прерывистого тока дросселя, поскольку ИП на базе такого ИРПН лучше приспособлен для питания импульсной нагрузки (отсутствуют всплески и просадки выходного напряжения в начале и в конце импульсов выходного тока). Кроме того, режим прерывистого тока позволяет избежать нежелательных колебаний напряжения длительностью более одного-двух тактов ШИМ.
3. Управление несколькими ИРПН одного АИН целесообразно возлагать на один управляющий МК, оснащенный нужным числом АЦП и ШИМ-модуляторов. Управляющий МК должен предусматривать специальный режим пуска ИРПН с целью предотвращения перенапряжений нагрузки.

Литература

Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Перспективы применения в ЕЭС России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока // Электротехника. – 2004. – № 8. – С. 30–36.
2. Лазарев Г. Л. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2(32).
3. Кумаков Ю.А. Инверторы напряжения со ступенчатой модуляцией и активная фильтрация высших гармоник // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 6(36).
4. Кумаков Ю.А. Инвертор напряжения с мультиуровневой модуляцией: Патент РФ на полезную модель: МПК8 Н 02 М 7/48 / Автор и заявитель Кумаков Ю.А.; заявка № 2006114517/17 от 27.04.2006.
5. Импульсные стабилизаторы // Электроника и микросхемотехника [Электронный ресурс]: Интернет-учебник / Винницкий гос. тех. ун-т, институт АЭКСУ, каф. МПА; под ред. к.т.н. Ю.В. Шабатуры. – http://faksu.vstu.vinnica.ua/SiteNEV/rus/erectronic_inter/ew2/ch2-3/12_4.htm.
6. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч. 2 – С. 9–31.

ПОЗИЦИОННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Позиционные регуляторы реализуют пропорци­ональный закон регулирования при k n - »-oo. В отличие от аналоговых регуляторов позиционные регуляторы формируют выходной сигнал U p , имеющий определенное число постоянных значений, например, два или три, соответствующие двух- или трехпозиционным регулято­рам.

В двухпозиционных регуляторах при переходе выходной величи­ны Y через заданное значение У зад изменяется регулирующее воздей­ствие Up , которое переводит регулирующий орган из одного крайнего положения в другое: «открыт» - «закрыт», «включен» - «выключен». Работа идеального двухпозиционного регулятора может быть записа­на в следующем виде:

(3.3.3)

где Де - зона нечувствительности (параметр настройки позиционных регуляторов).

Схематический и графические алгоритмы трехпозиционного ре­гулятора показаны на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Алгоритм действия трехпозиционного регулятора: а - схематическая форма; б - графическая

Введение зоны нечувствительности особенно важно при реализа­ции двух противоположно направленных управляющих воздействий, например, нагрева и охлаждения. При отсутствии зоны нечувстви­тельности процесс регулирования будет иметь ярко выраженный ав­токолебательный характер. Выражения (3.3.2) и (3.3.3) представляют характеристики идеальных позиционных регуляторов. В реальных регуляторах из-за наличия зазоров, сухого трения, гистерезиса и т. п. могут появляться зоны неоднозначности U p при срабатывании и от­пускании регулятора.

В технике автоматизации систем кондиционирования и вентиля­ции двухпозиционные регуляторы в виду простоты и надежности нашли широкое применение при регулировании температуры (тер­мостаты), давления (прессостаты) и других параметров состояния процесса. Двухпозиционные регуляторы используются также в сис­темах автоматической защиты, блокировок и переключения режимов

работы оборудования. В этом случае их функции выполняют датчи­ки-реле.

Для примера рассмотрим термостат типа MCR 2000 фирмы GEA для управления двух- и четырехтрубными фэнкойлами (рис. 3.3.3).

Рис. 3.3.3. Схема принципиальная электрическая термостата MCR 2000 для управления фэнкойлами:

а - двухтрубным; б - четырехтрубным

Двухпозиционное регулирование осуществляется в двухтрубных фэнкойлах с помощью электромагнитного клапана К н/0 . Выбор режи­ма нагрев/охлаждение может производиться ручным способом (переключатель 5) или с помощью датчика температуры наружного воздуха R H . Трехпозиционное регулирование для четырехтрубного фэнкойла осуществляется клапанами К п и К 0 . Кроме того, термостат позволяет пользователю выбрать одну из трех скоростей вентилятора фэнкойла. Конструктивно термостат выполнен в пластмассовом кор­пусе, на передней панели которого размещены органы управления: задатчик температуры, выключатель термостата и переключатель скоростей вентилятора. Диапазон задатчика 5-30 °С может быть из­менен с помощью ограничителей, расположенных под рукояткой задатчика (рис. 3.3.4).

Внутри корпуса расположен электронный блок, на котором уста­новлены два переключателя (джам-пера) и потенциометр настройки зоны нечувствительности (рис. 3.3.5). Джампер JP1 - наличие датчика наружного воздуха, джампер JP2 -выбор типа фэнкойла: двух- или четырехтрубный. Зона нечувстви­тельности может быть выбрана в диа-

Рис. 3.3.4. Механизм изменение пгз0П е ОТ ±0,3 К ДО ±3 К.

диапазона задатчика термостата MCR 2000

Рис. 3.3.5. Электронный блок термостата MCR 2000

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ

Повышение качества регулирования позицион­ных регуляторов может быть достигнуто путем преобразования вели­чины выходного сигнала U p в длительность выходных импульсов относительно периода их следования:

(3.3.4)

где Г и - длительность управляющего импульса;

Т к - период следования импульса (период квантования).

То есть максимальные U p max (или минимальные U p mm) значения напряжения на выходе позиционного регулятора формируются не в те­чение всего времени наличия рассогласования e (t ) регулируемого па­раметра, а периодически. Это поз­воляет с известной степенью точ­ности реализовать любой закон регулирования, если длитель­ность управляющего импульса бу­дет пропорциональна комбинации П, И и Д-составляющих. Достига­ется это с помощью широтно-им-пульсной модуляции (ШИМ-ре-гуляторов). Смысл широтно-им-пульсной модуляции заключается в преобразовании уровня выход­ного сигнала U p в соответствую­щую ему длительность выходного сигнала (рис. 3.3.6).

При П-законе регулятор выдает импульсы, в которых присутствует только пропорциональная состав­ляющая величины отклонения регулируемого параметра (рис. 3.3.7, а). При реализации ПИ-закона ШИМ-регулятор с появлением e (t )

3.6. Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

вы­дает импульсы, длительность которых постепенно увеличивается. В каждом импульсе присутствует как пропорциональная составляю­щая (не заштрихованная часть импульса), так и интегральная (зашт­рихованная часть), которая зависит от Т и (рис. 3.3.7, б).

При управлении исполнительным механизмом трехходового кла­пана или заслонки необходимо две пары контактов. При подаче управляющих импульсов на первую пару контактов механизм пере­мещается в одну сторону, например, открывается, при подаче импуль­сов на вторую пару - закрывается.

Рис. 3.3.7. Реализация законов регулирования с помощью ШИМ-регуляторов:

а - П-регулятор; б - ПИ-регулятор

Если исполнительный механизм имеет датчик положения, то ре­гулятор вычисляет выходной сигнал U p и перемещает задвижку в нужное положение (до совпадения U p с сигналом датчика положе­ния). Такие регуляторы иногда еще называют позиционерами.

Если датчик положения отсутствует, то регулятор вычисляет сред­нюю скорость перемещения задвижки У ср, которую затем преобразует в относительную длительность импульса Г и. В этом случае реализуется только ПИ-закон регулирования.

Классическим примером импульсного регулятора является регу­лятор ТРМ 12 (Россия). ТРМ 12 - одноканальный трехпозиционный ПИД-регулятор, имеющий один вход для подключения датчика и два выхода на исполнительные устройства (рис. 3.3.8). Тип подключаемого датчика (термосопротивление, термопара) и выходных устройств (реле, оптотранзистор, оптосимистор) определяются при заказе. Регулятор может работать в двух режимах: как ПИ-регулятор при уп­равлении задвижками или трехходовыми клапанами без учета их ис­полнения или как ПИД-регулятор, при управлении системой «наг­рев-охлаждение».

Элементы индикации и управления регулятора ТРМ 12 показаны на рис. 3.3.9.

Рис. 3.3.8. Функциональная схема регулятора ТРМ 12

Аналогичный принцип импульсного управления использован и в регуляторах температуры фирмы REGIN, предназна­ченных для поддержания заданной температуры с помощью изменения мощности электрических нагревателей. Регулирование мощности происходит за счет изменения времени включения и вы­ключения полной мощности нагревате­ля. Переключение нагрузки осуществля­ется с помощью симисторов в тот момент, когда ток и напряжение на нагревателе равны нулю. Это уменьшает потребление электроэнер­гии, исключает возникновение электромагнитных помех и увеличи­вает время безотказной работы.

1.9. Органы управления и индикации регулятора ТРМ 12

Регуляторы автоматически изменяют закон управления в зависи­мости от динамических свойств объекта. При быстро изменяющейся температуре (например, при регулировании температуры приточного воздуха) регуляторы работают в режиме ПИ-регулирования с фикси­рованной зоной пропорциональности 20 К и временем интегрирова­ния равным 6 мин. При медленно изменяющейся температуре (нап­ример, при регулировании температуры в помещении) они работают в режиме П-регулирования с фиксированной зоной пропорциональ­ности 2 К.

В случае повышения потребляемой мощности нагревателя свыше допустимой величины нагрузку можно разделить на несколько ступе­ней. Для этого имеются вспомогательные блоки ТТ SLAV, которые уп­равляют дополнительными ступенями в позиционном режиме ВКЛ/ВЫКЛ. Технические характеристики регуляторов температуры для управления нагревателями фирмы REGIN приведены в табл. 3.3.1, а конструктивное исполнение показаны на рис. 3.3.10.

Импульсные регуляторы напряжения

Преобразователи постоянного напряжения

К преобразователям постоянного напряжения относятся импульсные регуляторы напряжения и широтно-импульсные преобразователи.

Импульсные регуляторы напряжения применяются для регулирования постоянного напряжения. По сравнению с другими методами регулирования они обеспечивают лучшие энергетические характеристики, имеют меньшую массу и габариты.

Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой частотой. Длительность интервала подключения t u за один период T определяет величину напряжения на нагрузке. Нагрузке (если она активная) придаётся индуктивный характер с помощью дросселя L . Параметры цепи выбирают таким образом, чтобы постоянная времени цепи нагрузки значительно превышала период коммутации тока. При этом в цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией.

Схема импульсного регулятора понижающего типа приведена на рис. 3.1 (a), временные диаграммы работы этой схемы – на рис. 3.1 (б).

При включённом транзисторе VT ток дросселя нарастает практически по линейному закону от I min до I max . Напряжение на дросселе при этом равно:

а на нагрузке

при условии, что .

При выключенном транзисторе ток дросселя уменьшается от I max до I min , при этом напряжение на дросселе обеспечивает значение напряжения на нагрузке:

().

.

Следовательно, изменяя коэффициент заполнения управляющих импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке в пределах 0…E П .

С учётом падений напряжения на транзисторе и диоде реальное максимальное напряжение составляет (0.9 … 0.95)E П .

Если нагрузка имеет индуктивный характер (например, двигатель постоянного тока), то требуемое значение пульсаций тока достигается за счёт выбора частоты коммутации транзистора VT . Абсолютная величина равна:

,

и максимальное значение достигается при К З = 0.5 . С учётом этого требуемое значение частоты коммутации для обеспечения требуемого коэффициента пульсации тока равно:

.

При активном характере сопротивления нагрузки в цепь включается дроссель с индуктивностью L , который определяет пульсации тока в нагрузке. Для уменьшения индуктивности дросселя параллельно нагрузке включается конденсатор. Для обеспечения непрерывного характера тока дросселя величина должна удовлетворять условию:

При наличии конденсатора переменная составляющая тока дросселя (треугольная по форме) замыкается через конденсатор. Падение напряжения на конденсаторе, обусловленное током первой гармоники, определяет пульсации напряжения на нагрузке:

Для треугольной формы тока амплитуда первой гармоники максимальна при К З = 0.5 и составляет (согласно разложению в ряд Фурье):

.

Следовательно,

;

При использовании в качестве коммутирующего элемента мощных полевых транзисторов MOSFET и IGBT частота коммутации может составлять десятки – сотни килогерц.

При использовании тиристоров частота коммутации не превышает нескольких килогерц. Схема импульсного регулятора на незапираемом тиристоре с принудительной коммутацией приведена на рис. 3.2.

Для запирания основного тиристора VS1 используются вспомогательный тиристор VS2 и коммутирующий конденсатор С . Предварительно конденсатор С заряжается по цепи VS2 – R – Lн до напряжения питания. После включения VS1 конденсатор перезаряжается по цепи VS1 – VD1 – Lк – С , причём переходной процесс носит колебательный характер. Наличие диода VD1 приводит к тому, что в цепи протекает только первый положительный полупериод тока конденсатора, после чего напряжение на конденсаторе не изменяется. Для выключения тиристора VS1 включается тиристор VS2 и конденсатор С разряжаясь по цепи VS2 , VS1 выключает, приложенным в обратном направлении напряжением, тиристор VS1 . При этом напряжение на нагрузке скачком увеличится до значения E+Uc . Ток нагрузки на интервале коммутации остаётся неизменным, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Когда конденсатор С разрядится до нуля, на аноде тиристора VS1 вновь нарастает прямое напряжение со скоростью . Для надёжного запирания тиристора VS1 время разряда конденсатора должно быть больше времени выключения тиристора.

Далее напряжение на нагрузке продолжает линейно снижаться до полного перезаряда конденсатора С через тиристор VS2 . Когда ток тиристора VS2 уменьшится до нуля, он выключится. Ток нагрузки замыкается по цепи диода VD 0 .

Наличие “всплесков” напряжения на нагрузке требует выбирать полупроводниковые приборы на двойное напряжение питания. Кроме того, диапазон регулирования напряжения уменьшается, так как при малых коэффициентах заполнения эти “всплески” не позволяют снизить напряжение меньше определённого уровня.

В схеме импульсного регулятора с мягкой коммутацией основной тиристор VS1 шунтируется в обратном направлении диодом VD2 (рис. 3.3).

Процесс перезаряда конденсатора С происходит так же, как и в предыдущей схеме. После включения тиристора VS2 в цепи C – Lк – VS2 – VS1 – C возникает колебательный переходной процесс перезаряда конденсатора. Когда мгновенное значение разрядного тока конденсатора равно мгновенному току нагрузки, тиристор VS1 обесточивается и далее разность токов конденсатора и нагрузки замыкается по диоду VD2 . К основному тиристору VS1 приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде VD2 . Ток через VD2 должен протекать в течение времени, достаточного для выключения основного тиристора VS1 . Когда ток конденсатора станет меньше тока нагрузки происходит дополнительный заряд конденсатора током нагрузки, и напряжение на нагрузке уменьшается по линейному закону, на этом интервале разностный ток нагрузки и конденсатора замыкается через диод VD 0 . Мгновенное значение напряжения на нагрузке не превышает величину Е .

Включение параллельно основному тиристору обратного диода позволяет отдавать мощность нагрузки в источник электропитания. Такой режим возможен при переходе двигателя постоянного тока в генераторный режим (режим динамического торможения). Вместе с тем, за счёт низкого обратного напряжения, приложенного к основному тиристору, увеличивается время выключения тиристора.

Схема импульсного регулятора, позволяющего регулировать напряжение на нагрузке от E П и выше, приведена на рис. 3.4.

Повышение напряжения на нагрузке осуществляется за счёт энергии дросселя, включённого последовательно в цепь нагрузки. При включенном транзисторе VT дроссель подключается к источнику постоянного напряжения, ток дросселя линейно нарастает от I min до I max . Напряжение на дросселе практически равно E П .

Закрытый диод разделает схему на два участка. Ранее заряженный конденсатор С разряжается на нагрузку, обеспечивая непрерывность тока нагрузки.

При закрытом транзисторе ток дросселя замыкается через открывшийся диод уменьшается от I max до I min . Напряжение на дросселе меняет полярность и по отношению к нагрузке включено последовательно согласно с источником питания:

, (),

где .

Из равенства нулю среднего значения напряжения на дросселе следует:

Регулировочная характеристика (рис. 3.5) повышающего импульсного регулятора нелинейная, причём её вид зависит от соотношения сопротивлений элементов схемы (транзистора, диода, дросселя) и сопротивления нагрузки. При увеличении этого соотношения максимум напряжения уменьшается и устойчивая работа регулятора возможна до определённой величины коэффициента заполнения управляющих импульсов.

Среднее значение тока диода равно току нагрузки:

Среднее значение тока дросселя, а, следовательно, и источника постоянного напряжения равно:

.

Среднее значение тока транзистора равна:

.

Все полупроводниковые приборы должны быть выбраны на напряжение не меньше, чем максимальное значение напряжения на нагрузке.

Импульсные регуляторы для двигателей постоянного тока кроме регулирования величины напряжения, подаваемого на двигатель, должны выполнять ещё функции реверсирования (изменения полярности выходного напряжения) и динамического торможения (возврат энергии в источник постоянного напряжения при переходе двигателя в генераторный режим). Эти функции выполняются с помощью преобразователей постоянного напряжения с широтно-импульсным управлением.

Преобразователь представляет собой мостовую схему на полностью управляемых ключах, которые зашунтированы обратными диодами (рис. 3.6).

Обратные диоды используются для возврата энергии в источник, поэтому если источник постоянного напряжения не обладает двусторонней проводимостью (например, выпрямитель), то выход источника необходимо зашунтировать конденсатором С соответствующей ёмкости.

Основные параметры преобразователя определяются алгоритмом управления ключами. Различают три способа управления ключами:

Симметричный;

Несимметричный;

Поочерёдный.

При симметричном управлении ключи коммутируются попарно в противофазе. При включении ключей К1 и К4 напряжение на двигателе равно E П и имеет положительную полярность; при включении К2 и К3 напряжение на двигателе меняет полярность, оставаясь таким же по величине. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется с учётом напряжений обеих полярностей (рис. 3.7 (а)).

Величина напряжения определяется коэффициентом заполнения управляющих импульсов: для одной пары ключей (К1 и К4 ) равен K З , а для другой (К2 и К3 ) – 1-K З :

.

В интервале изменения K З от 0 до 0.5 напряжение на нагрузке изменяется от -E П до 0, а в интервале от 0.5 до 1 – от 0 до E П .

Форма тока нагрузки имеет такой же характер, как и в импульсных регуляторах: при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки линейно нарастает от I min до I max , когда К1 и К4 закрыты, то ток нагрузки, определяемый индуктивностью нагрузки, через диоды VD2 и VD3 возвращает в источник энергию, запасённую в индуктивности, и уменьшается от I max до I min .

При работе нагрузки (двигатель постоянного тока) в генераторном режиме, когда э.д.с. якоря E Я больше Е П , ток нагрузки меняет своё направление и при включённых ключах К1 и К4 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, при этом ток уменьшается от -I max до -I min , а при включенных ключах К2 и К3 ток нагрузки увеличивается от -I min до -I max , запасая энергию в индуктивности нагрузки. При изменении коэффициента заполнения управляющих импульсов изменяется величина энергии, возвращаемой в источник.

Симметричный способ управления характеризуется повышенными пульсациями тока нагрузки вследствие изменения напряжения на нагрузке от -E П до +E П , и непропорциональной зависимостью напряжения на нагрузке от коэффициента заполнения.

При несимметричном методе управления для положительной полярности напряжения на нагрузке ключи К1 и К2 управляются в противофазе, ключ К4 постоянно открыт, а К3 – постоянно закрыт. Для отрицательной полярности напряжения – наоборот: К3 и К4 управляются в противофазе, К2 – открыт, К1 – закрыт. Далее рассматривается работа преобразователя при положительной полярности напряжения на нагрузке (рис 3.7 (б)).

При открытом ключе К1 ток нагрузки увеличивается от I min до I max , напряжение на нагрузке равно +E П . Когда К1 закрывается, ток нагрузки замыкается через К4 и VD2 , уменьшаясь от I max до I min , при этом напряжение на нагрузке практически равно нулю. Коэффициент заполнения управляющих импульсов может изменяться от 0 до 1, при этом напряжение на нагрузке меняется от 0 до +E П :

При работе нагрузки в генераторном режиме при открытом К1 ток нагрузки через диоды VD1 и VD4 возвращает энергию в источник, а при открытом К2 ток нагрузки замыкается через К2 и VD4 , накапливая энергию в индуктивности нагрузки.

При недостаточно высокой граничной частоте коммутации ключей увеличить частоту пульсаций тока в нагрузке в два раза позволяет поочерёдный способ управления ключами. Если нет необходимости осуществлять режим возврата энергии в источник, то управляющее напряжение подаётся только на ключи одной диагонали: для положительного напряжения на К1 и К4 , для отрицательного – на К2 и К3 .

Форма управляющего напряжения показана на рис. 3.8 (а).

Длительность импульса изменяется в пределах от до , а паузы управляющих напряжений сдвинуты на половину периода . Напряжение на нагрузке равно напряжению питания, когда оба ключа открыты, и равно нулю, когда один из ключей закрыт. Ток нагрузки при этом замыкается через другой открытый ключ и соответствующий обратный диод. Такая ситуация возникает два раза за период управляющего напряжения, поэтому частота пульсаций напряжения и тока в нагрузке в два раза выше. Изменение длительности управляющих импульсов от до соответствует изменению коэффициента заполнения импульсов напряжения на нагрузке от 0 до 1.

Если управлять ключом К2 в противофазе с ключом К1, а ключом К3 в противофазе с ключом К4, то преобразователь может работать в режиме возврата энергии в источник при работе двигателя постоянного тока в генераторном режиме (рис. 3.8 (б)).