какие существуют способы коммутации шип

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП)

Рис. 2.27. Функциональная схема ШИП.

Рис. 2.28. Функциональная схема ШИМ

Схема и диаграмма работы нереверсивного ШИП

Рис. 2.29. Схема нереверсивного ШИП.

На рис. 2.29 приведена простейшая нереверсивная схема вентильного коммутатора, состоящая из одного ключа ВК и одного диода VD, которая обеспечивает однополярные импульсы выходной ЭДС со средним значением

.

Диод VD создает контур для протекания тока под действием ЭДС самоиндукции на интервале отключения коммутатора.

Рис. 2.30

Схема и диаграмма работы реверсивного ШИП

Рис. 2.31. Схема работы реверсивного ШИП

Для реверсивной мостовой схемы вентильного коммутатора, приведена на рис.2.31, возможны различные зоны коммутации ВК.

При симметричной коммутации вентили включаются парами поочередно: на интервале t_В включены ВК1 и ВК3 и отключены ВК2 и ВК4, а на интервале напротив, включаются ВК2 и ВК4, а отключаются ВК1 и ВК3.

При симметричной коммутации в этом случае на нагрузке создаются разнополярные импульсы ЭДС со средним значением

.

Рис. 2.32. Диаграмма работы реверсивного ШИП с симметричной нагрузкой

Схема и диаграммы работы ШИП при поочередной коммутации.

При этом коммутируется одна диагональная пара вентильных ключей. Каждый ВК пары включается на интервал времени с временным сдвигом включение одного ВК относительно другого на период Т_к. Очередность работы ВК такова: ВК1, ВК3-ВК1-ВК1, ВК3-ВК3-ВК1, ВК3 и т.д..

Рис. 2.34. Диаграмма работы ШИП при поочередной коммутации

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Рис. 1.2. Нереверсивные схемы ШИП с тиристорным ключом без торможения (a) и с транзисторными ключами с торможением (б)

На рис. 1.2, б) приведена нереверсивная схема ШИП с двумя транзисторными ключами. В данной схеме в отличие от схемы рис. 1.2, а) транзистор VT2, коммутируемый в противофазе с транзистором VT1, позволяет изменить направление тока нагрузки и осуществить тормозные режимы двигателя М. Схема обеспечивает режим непрерывного тока при любой нагрузке и регулируемую скорость холостого хода двигателя. Для протекания токов самоиндукции схема дополняется диодами, включаемыми встречно–параллельно двигателю М (VD) и транзистору VT1 (на рис. 1.2, б не показан).

1.2.2. Силовые схемы реверсивных ШИП

Для реверсивной мостовой схемы вентильного коммутатора, приведенной на рис. 1.3, возможны различные законы коммутации ключей. При симметричной коммутации ключи включаются парами поочередно, а именно на интервале t_вкл включены УК1 и УК3 и отключены УК2, УК4, а на интервале T–t_вкл, напротив, включены УК2, УК4 и отключены УК1, УК3. Такой закон коммутации создает на нагрузке разнополярные импульсы ЭДС со средним значением согласно

. (1.2)

При данном способе коммутации ток нагрузки в течение периода не прерывается даже при U_н=0 за счет возможности его протекания в обоих направлениях. Это обусловливает во всем диапазоне изменения тока нагрузки режим непрерывных токов, что обеспечивает линейность внешних характеристик ШИП. Однако работа ШИП с двуполярными импульсами напряжения характеризуется повышенной пульсацией тока.

Рис. 1.3. Схема реверсивного ШИП

Однополярные импульсы выходного напряжения ШИП имеют место при другом законе коммутации, получившем название закона поочередной коммутации. При этом коммутируется одна диагональная пара управляемых ключей. Каждый управляемый ключ пары включается на интервал времени T+t_вкл с временным сдвигом включения одного управляемого ключа относительно другого на период T. Очередность работы управляемых ключей такова: УК1, УK3—УK1—УK1, УK3—УK3—УK1, УК3 и т. д. В интервалы времени t_вкл, когда включены оба ключа, появляется импульс ЭДС, а на интервале t₀, когда включен только один ключ, импульс ЭДС отсутствует, а ток самоиндукции замыкается через включенный управляемый ключ и диод.

Для изменения полярности ЭДС аналогично коммутируется другая пара управляемых ключей (ВК2 и ВК4). Анализ работы ШИП, нагрузкой которого является двигатель постоянного тока, позволяет определить важный показатель ШИП — пульсации тока, вызываемые коммутацией ключей:

, (1.3) где k=1 для однополярных импульсов ЭДС; k=0,5 для разнополярных импульсов ЭДС; R_Я,ДВ — сопротивление якоря двигателя, Ом; Т_Я — электромагнитная постоянная времени якорной цени, с.

Из (1.3) следует, что максимальные пульсации тока имеют место при g=0.5 и при несимметричной коммутации они вдвое меньше, чем при симметричной коммутации. В этом достоинство схемы ШИП с несимметричным законом коммутации.

1.3. Анализ работы ШИП постоянного тока на активную и двигательную нагрузку

1.3.1. Работа ШИП на активно-индуктивную нагрузку

На рис. 1.4 приведена схема нереверсивного ШИП постоянного напряжения с последовательным управляемым ключом (УК) (а), а также временные диаграммы токов и напряжений при активно–индуктивной нпгрузке (б) и работе на противо–э. д. с. (в,г).

При анализе будем пологать, что: ключ является идеальным; время переключения ключа равно нулю; внутреннее сопротивление источника равно нулю.

Рис. 1.4. Схема нереверсивного ШИП с активно–индуктивной нагрузкой (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

Источник

Принципы построения и управления ШИП

Упрощённая схема ШИП представлена на рисунке 19. Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1-ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена нагрузка.

Нагрузкой в приводах постоянного тока является двигатель постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.

Наиболее простой способ управления ШИП по цепи якоря симметричный. При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знаки переменные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом. В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение U_Яна выходе ШИП равно нулю, когда относительная продолжительность включения g = 0,5. Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рисунке 20. Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока. Его пре-

Рисунок 19 – Схема транзисторного ШИП

Рисунок 20 – Диаграммы поясняющие работу ШИП при симметричном управлении

имуществом 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 якоре исполнительного двигателя.

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

Несимметричное управление представлено на рисунке 21, а. В этом случае

а) б)

Рисунок 21 – Диаграммы поясняющие работу ШИП при несимметричном управлении

переключаются транзисторные ключи фазной группы ТКЗ и ТК4 (ключи ТК1 и ТК2 при противоположной полярности входного сигнала), транзисторный ключ ТК1 постоянно открыт и насыщен, а ключ ТК2 постоянно закрыт. Транзисторные ключи ТКЗ и ТК4 переключаются в противофазе, обеспечивая протекание тока якоря от противо-эдс двигателя. При этом на выходе ШИП формируются однополярные импульсы и среднее напряжение на выходе равно нулю, когда относительная продолжительность включения одного из нижних по схеме транзисторов g=0.

Недостатком рассмотренного способа управления является то, что верхние по схеме транзисторные ключи (ТК1, ТКЗ) по току загружены больше, чем нижние. Этот недостаток устранён при поочерёдном управлении, временные диаграммы которого изображены на рисунке 21, 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 ТК1, ТК2 и ТКЗ, ТК4 постоянно находятся в противофазе; при этом ключи переключаются через период выходного напряжения Т. Этим достигаются одинаковые условия работы полупроводниковых приборов в мостовой схеме.

При некотором знаке входного сигнала управляющие импульсы u1, u4 длительностью t=(1+g)T подаются на диагонально расположенные транзисторные ключи (рисунок 21, б) со сдвигом на полпериода, а управляющие импульсы u2, uЗ длительностью t=(1-g)T, также со сдвигом на полпериода, подаются на транзисторы противоположной диагонали (ТК2, ТКЗ). В этом случае на интервале нагрузка подключена к источнику питания с помощью диагонально расположенных ключей, а на интервале (1-g)T нагрузка закорочена с помощью верхних или нижних транзисторных ключей. При изменении знака входного сигнала порядок управления диагональными ключами изменяется на противоположный. При поочерёдном управлении на нагрузке формируются однополярные импульсы длительностью T, пропорциональной сигналу на входе.

Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП изображена на рисунке 22. Она содержит генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС), распределитель импульсов (РИ) и усилители (У). Как правило, между усилителями сигнала управления и распределителем включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы). Диаграммы на рисунке 23 поясняют принцип работы схемы управления ШИП.

Электромагнитные процессы в нагрузке (например, якоре двигателя постоянного тока) при двухполярном выходном напряжении (симметричном управлении транзисторными ключами ШИП) изображены на рисунке 24 а, а

Рисунок 22 – Обобщенная функциональная схема управления транзисторным ШИП

Рисунок 23 – Диаграммы поясняющие принцип работы схемы управления ШИП

а) б)

Рисунок 24 – Электромагнитные процессе в нагрузкепри симметричном и несимметричном управлении ШИП

при однополярном выходном напряжении (несимметричном и поочередном управлении) — на рисунке 24 б.

Из рисунка 24 видно, что ток в якоре содержит среднюю (гладкую) составляющую I_Яср,и пульсирующую составляющую DI_Я. Гладкая составляющая тока обусловлена средним значением напряжения на якоре и установившейся скоростью вращения.

Среднее напряжение на выходе ШИП определяется следующими выражениями:

– при двухполярном напряжении (симметричное управление):

– при однополярном напряжении (несимметричное управление):

где g – скважность управления, о.е., т.е. относительная продолжительность включения:

,

где f_КОМ – несущая частота коммутации ШИП.

Регулировочные характеристики широтно-импульсного преобразователя линейны и построить их не составляет труда.

При выборе способа управления необходимо исходить из требований, предъявляемых к регулировочным и энергетическим характеристикам электропривода. Симметричное управление ШИП позволяет получить линейные регулировочные характеристики двигателя. Однако энергетические характеристики ШИП при этом способе управления ухудшены вследствие повышенных пульсаций тока в якоре и в полупроводниковых приборах.

При несимметричном и поочерёдном управлении ШИП в регулировочной характеристике электропривода имеет место зона нечувствительности. Схемные способы уменьшения этой зоны ухудшают устойчивость электропривода.

Энергетические характеристики ШИП с несимметричным и поочерёдным управлением лучше, чем у ШИП с симметричным управлением, так как пульсации тока здесь в два раза меньше.

1. Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?

2. Что такое скважность? В каких пределах изменяется скважность при симметричном и несимметричном управлении ШИП?

3. Начертить регулировочную характеристику трехфазного широтно-импульсного преобразователя при симметричном управлении.

4. Пояснить принцип работы широтно-импульсного преобразователя при симметричном управлении транзисторами.

5. Сравнить два способа управления транзисторами при симметричном и несимметричном управлении ШИП.

6. Как влияет на работу широтно-импульсного преобразователя наличие в нагрузке источника ЭДС?

7. От чего зависит гладкая составляющая в токе нагрузки в системе широтно-импульсный преобразователь – двигатель постоянного тока?

8. От чего зависит пульсирующая составляющая в токе нагрузки в системе широтно-импульсный преобразователь – двигатель постоянного тока? При каком способе управления: симметричном или несимметричном она больше? Пояснить почему?

9. Какие достоинства и какие недостатки имеет широтно-импульсный преобразователь как силовой статический преобразователь энергии для привода постоянного тока, в сравнении с управляемым выпрямителем?

В.Н. Ротанов, Гарбузов И.И.

Методические указания по организации выполнения и проведения
лабораторных работ по дисциплине «Основы электропривода технологических установок»

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний для студентов по специальности 25.05.03

Источник

Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока. азначение, принцип действия и классификация широтно-импульсных преобразователей постоянного тока

Страницы работы

Содержание работы

1. Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока

1.1. Назначение, принцип действия и классификация широтно-импульсных преобразователей постоянного тока

Изменение величины напряжения потребителя посредством широтно-импульсных преобразователей (ШИП) называют импульсным регулированием.

С помощью ШИП источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ШИП формируются импульсы напряжения.

В качестве прерывателя при импульсном управлении используется тиристор, соединяющий и разъединяющий нагрузку с питающей сетью и преобразующий постоянное напряжение сети в импульсное напряжение нагрузки. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 1.1, где пунктиром очерчен прерыватель, в качестве которого использован тиристор. На интервале t_вкл, когда тиристор находится в проводящем состоянии, выводы сети соединены с выводами нагрузки. На интервале T– t_вкл тиристор закрыт, и выводы нагрузки закорочены через обратный диод VD₀, по которому протекает ток нагрузки. В результате на нагрузке создается импульсное напряжение U_н, среднее значение которого может быть определено по формуле

(1.1)

где t_вкл – длительность открытого состояния прерывателя; T – период импульсов; g = t_вкл/Т – скважность импульсов.

Рис. 1.1. Принцип действия преобразователя с широтно—импульсным управлением

В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов различают: а) ШИП на полностью управляемых вентилях [транзисторах и запираемых (двухоперационных)].

Нереверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное

напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности.

Реверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение или в переменное, разной по полупериодам длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.

В качестве реверсивных обычно используют мостовые преобразователи. Нереверсивные ШИП могут осуществлять полную или частичную модуляцию напряжения питающей сети.

Нереверсивные ШИП с полной модуляцией в зависимости от места включения управляемого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на три типа. В ШИП первого типа управляемый вентиль и дроссель фильтра включены последовательно с нагрузкой (последовательный ШИП). Характерной особенностью последовательных ШИП – является невозможность получения напряжения на выходе выше напряжения источника питания. Параллельные ШИП – второго типа с последовательным включением дросселя и параллельным включением управляемого вентиля по отношению к нагрузке и третьего типа с последовательным включением управляемого вентиля и параллельным включением дросселя по отношению к нагрузке – позволяют получить напряжение на выходе выше напряжения источника питания.

Выходные каскады ШИП наиболее просто выполнять на полностью управляемых вентилях – транзисторах и запираемых (двухоперационных) тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью управляющих импульсов.

При выходной мощности более нескольких киловатт в качестве ключей целесообразно применять тиристоры.

Импульсные преобразователи имеют следующие преимущества:

1) высокий к. п. д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности при непрерывном регулировании;

2) малую чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости управляемого вентиля, а не внутреннее сопротивление регулирующего элемента, как при непрерывном регулировании;

3) малые габариты и массу; постоянную готовность к работе. Однако импульсным преобразователям присущи и недостатки: 1) импульсный режим работы регулирующего элемента приводит к необходимости устанавливать выходные и часто входные фильтры, что вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах;

2) высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводят к возникновению радиопомех.

1.2. Силовые схемы ШИП постоянного тока

1.2.1. Силовые схемы нереверсивных ШИП

На рис. 1.2, а) изображена нереверсивная схема ШИП с тиристорным ключом. Функцию собственно ключа выполняет тиристор VS1, а тиристор VS2 служит для управления процессом коммутации VS1. Работает тиристорный коммутатор следующим образом. Пусть предварительно конденсатор С заряжен через VS2 с положительным зарядом на верхней обкладке. При подаче управляющего импульса на VS1 на двигателе М появляется импульс напряжения U_П и через VS1 протекает ток нагрузки. Одновременно по контуру, в который входят конденсатор С, тиристор VS1, диод VD2 и реактор L_К, происходит процесс перезаряда конденсатора, заканчивающийся через полупериод собственных колебаний контура с положительным зарядом на нижней обкладке. Диод VD2 запирает конденсатор от дальнейшей перезарядки. Сигналом на закрывание VS1 является управляющий импульс, подаваемый на VS2. Через открытые тиристоры VS2 и VS1 разряжается конденсатор и своим током запирает VS1. После запирания VS1, ток протекающий через VS2, дозаряжает конденсатор до первоначального уровня с положительным зарядом на верхней обкладке.

Источник