 |
работающий на двигательную нагрузку
|
|
|
|
Достаточно часто широтно-импульсные модуляторы применяют для регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока. Диапазон возможных мощностей ШИМ простирается от десятков ватт при питании всевозможных серводвигателей до сотен киловатт при регулировании частоты вращения электродвигателей транспортных средств.
Схема замещения ШИМ, работающего на двигательную нагрузку, приведена на рис. 3.3, где двигатель представлен в виде ЭДС Ed и индуктивности Ld. Если собственной индуктивности электродвигателя недостаточно для необходимого сглаживания тока, то в якорную цепь двигателя включают реактор. Далее будем считать активное сопротивление цепи постоянного тока Rd пренебрежимо малым по сравнению с результирующим индуктивным сопротивлением на частоте пульсаций, а под Ld будем понимать результирующую индуктивность.
Рис. 3.3. Схема замещения ШИМ, работающего на двигательную нагрузку (на ЭДС)
При работе нереверсивного ШИМ на ЭДС возможны режимы непрерывного и прерывистого тока Id. Временные диаграммы напряжений и токов в отдельных элементах ШИМ для обоих режимов приведены на рис. 3.4.
Режим непрерывного тока. Средний ток Id ограничивается активным результирующим сопротивлением выходной цепи Rd:
. (3.9)
ЭДС электродвигателя с учетом малого значения Rd
. (3.10)
а) б)
Рис. 3.4. Временные диаграммы напряжений и токов в отдельных элементах ШИМ: а – при непрерывном токе Id, б – при прерывистом токе Id
На обоих участках ток изменяется по линейному закону, граничные значения токов связаны со средним значением тока соотношением 
:
, 
. (3.11)
Режим прерывистого тока. В режиме прерывистого тока (рис. 3.4, б) после уменьшения тока Id до нуля напряжение Ud равно ЭДС Ed, то есть среднее напряжение увеличивается.
|
|
|
Учитывая обозначения временных интервалов для режима прерывистых токов, уравнение (3.11) на момент уменьшения тока до нуля примет вид:
. (3.12)
Из уравнения (3.12) относительная продолжительность времени спада тока до нуля
, (3.13)
где 
- относительная ЭДС двигателя.
Среднее значение выходного тока ШИМ
. (3.14)
Введем базисное значение тока:
, (3.15)
Относительное значение выходного тока
. (3.16)
Из уравнения (3.16) легко получить уравнение внешней характеристики для режима прерывистого тока:
. (3.17)
Граница режима прерывистого тока описывается уравнением
. (3.18)
Семейство внешних характеристик ШИМ, работающего на ЭДС, приведено на рис. 3.5. Анализ внешних характеристик ШИМ, работающего на двигательную нагрузку показывает, что в области прерывистого тока ШИМ становится неуправляемым, ЭДС в цепи постоянного тока возрастает, то есть на холостом ходу двигатель начинает разгоняться. В связи с этим режим прерывистого тока крайне не желателен.
Рис.3.5. Семейство внешних характеристик нереверсивного ШИМ, работающего на двигательную нагрузку
Режим прерывистого тока можно устранить, если в интервале паузы нагрузку ШИМ закоротить ключом с двухсторонней проводимостью. Техническая реализация силовой цепи ШИМ приведена на рис. 3.6, временные диаграммы при реализации этого алгоритма приведены на рис. 3.7.
Рис. 3.6. Нереверсивный ШИМ с шунтированием нагрузки в паузе
Рис. 3.7. Временные диаграммы нереверсивного ШИМ с шунтированием нагрузки в паузе
Работа схемы в этом режиме полностью совпадает с ранее описанным режимом непрерывного тока. Среднее и предельные значения тока описываются уравнениями (3.9) и (3.11), но значение тока Id0 отрицательно. Следует отметить, что при подаче отпирающего сигнала на транзистор он откроется, если направление тока соответствует проводимости транзистора.
|
|
|
3.2.3. Нереверсивный повышающий ШИМ
Для стабилизации среднего значения выходного напряжения ШИМ на уровне выше номинального среднего значения входного напряжения необходим преобразователь с коэффициентом преобразования по напряжению более единицы. Преобразователь напряжения с такими свойствами можно получить, если обеспечить раздельные во времени процессы накопления энергии в реактивном элементе входной цепи (например, индуктивности) и передачи этой энергии в реактивный элемент выходной цепи (например, емкость). Управление коэффициентом передачи достигается путем изменения соотношения между длительностью этих двух процессов, а частота их повторения будет определять величины указанных реактивных элементов.
Схема повышающего преобразователя показана на рис. 3.8, а диаграммы токов и напряжений элементов схемы при конечной величине индуктивности и емкости конденсатора фильтра – на рис. 3.9.
Если f – частота преобразования ШИМ, то период повторяемости процесса 
. Относительная длительность включенного состояния транзистора
, (3.19)
где tВК – время включенного состояния транзистора.
В течение времени 
транзистор включен, индуктивность Ld через сопротивление Rd подключена к источнику Ed, ток в индуктивности возрастает (контур накопления энергии в индуктивности отмечен жирным цветом на рис. 3.8, а). Для контура накопления энергии справедливо уравнение
. (3.20)
Диод VD1 закрыт, конденсатор С разряжается на сопротивление нагрузки RH. Для контура нагрузки справедливо уравнение
. (3.21)
а) б)
Рис. 3.8. Схема повышающего ШИМ
а – накопление энергии в реактивном элементе Ld входной цепи;
б – передача энергии в реактивный элемент С выходной цепи
В течение времени 
транзистор VT1 закрыт, диод VD1 открыт, энергия, накопленная в индуктивности, передается в цепь нагрузки, создавая ток нагрузки и заряжая конденсатор С. Цепи, по которым протекает ток на втором интервале, отмечены на рис. 3.8, б жирным цветом.
Учитывая, что напряжение нагрузки подключено к входной цепи в течение 
части периода, ток индуктивности протекает в цепи нагрузки также в течение части периода, уравнения входной и выходной цепи для постоянных составляющих примут вид:
|
|
|
, (3.22)
. (3.23)
Решение уравнений (3.22) и (3.23) позволяет получить регулировочную характеристику, то есть зависимость напряжения на нагрузке от 
:
. (3.24)
Относительную регулировочную характеристику называют коэффициентом преобразования напряжения ШИМ:
. (3.25)
Рис. 3.9. Временные диаграммы повышающего ШИМ
В идеальном случае Rd = 0, 
, а коэффициент преобразования
. (3.26)
Уравнения (3.24), (3.25) позволяют получить внешнюю характеристику:
, (3.27)
а также связь входного тока с током нагрузки:
. 3.28)
Следует отметить, что повышающий ШИМ ведет себя аналогично повышающему трансформатору. Входное сопротивление 
приводится к цепи нагрузки умножением на квадрат коэффициента преобразования.
Полученные уравнения справедливы только для случая, когда ток id непрерывен, то есть не имеет нулевых интервалов.
3.3. Контрольные вопросы
1. Как функционируют различные схемы ШИМ?
2. Каковы принципы формирования токов и напряжений на отдельных элементах ШИМ?
3. Каково влияние добротности, реактивных и активных сопротивлений ШИМ на его регулировочные и внешние характеристики?
4. В чем состоят особенности работы нереверсивного понижающего ШИМ при наличии и отсутствии двигательной нагрузки?
5. Чем отличаются режимы непрерывного и прерывистого тока ШИМ с двигательной нагрузкой?
Библиографический список
1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов. –М.: Транспорт, 2001. – 464 с.
2. Воскобович В.Ю. и др. Энергетические установки и силовая электроника транспортных средств/Под ред. Ю.А. Лукомского – СПб.: Элмор, 2001. – 384 с.
3. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб: Корона, 2000. – 416 с.
4. Семенов Б.Ю. Силовая электроника. –М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2001. –
327 с.
5. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. –М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. – 416 с.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
1. Лабораторная работа № 1. Неуправляемые и управляемые
полупроводниковые выпрямители ……………………………………. 3
1.1. Программа лабораторной работы ………………………………… 3
|
|
|
1.2. Методические указания …………………………………………… 7
1.3. Контрольные вопросы …………………………………………….. 13
2. Лабораторная работа № 2. Нереверсивный тиристорный
широтно-импульсный модулятор ……………………………………… 17
2.1. Программа лабораторной работы …………………………………. 17
2.2. Методические указания ……………………………………………. 20
2.3. Контрольные вопросы ……………………………………………… 27
3. Лабораторная работа № 3. Нереверсивные транзисторные
широтно-импульсные модуляторы …………………………………….. 28
3.1. Программа лабораторной работы …………………………………. 28
3.2. Методические указания ……………………………………………. 30
3.3. Контрольные вопросы ……………………………………………… 38
Библиографический список …………………………………………….. 38
Учебное издание
Силовая электроника
Методические указания
Составитель Усольцев Валерий Константинович
Редактор Л.Ф. Юринова
Компьютерная верстка
Подписано в печать. Формат 60х84/16
Усл. печ. л.. Уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Заказ
Издательство ДВГТУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10
Типография ДВГТУ, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10
|
|
|
