1.6Транзисторные широтно-импульсные преобразователи для управления двигателями постоянного тока

1.6.1Симметричный способ управления

Для создания современного, надёжного, высокоэффективного электропривода используется широтно-импульсный преобразователь (ШИП). Имеется несколько типов приборов силовой электроники, каждый из которых занимает свои области наиболее целесообразного применения. Наиболее перспективными приборами силовой электроники являются MOSFET и IGBT для схем преобразователей мощностью от единиц ватт до единиц мегаватт.

Упрощенная функциональная схема ШИП представлена на рисунке 1.138. Она содержит четыре транзисторных ключа ТК1…ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена для примера активно-индуктивная нагрузка. Нагрузкой в приводах постоянного тока является цепь якоря двигателя постоянного тока. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока ИП, шунтированного конденсатором С.

Рисунок 1.138 – Функциональная схема широтно-импульсного преобразователя: ТК1…ТК4 – силовые ключи; u1…u4 – управляющие напряжения ключами; Lн, Rн – активно-индуктивная нагрузка; С – конденсатор; ИП – источник питания

Наиболее простым способом управления ШИП является симметричный. При симметричном способе управления в состоянии переключения находятся все четыре транзисторных ключа моста, а напряжение на выходе ШИП представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется сигналами управления u1…u4.

Работу ШИП с симметричным управлением и временные диаграммы напряжений u1…u4 рассмотрим на модели, представленной на рисунке 1.139. Силовые транзисторные ключи реализованы в блоке Universal Bridge, необходимое количество ключей и тип транзистора определяется настройкой блока. Источником питания выбрана аккумуляторная батарея напряжением 100В. В качестве нагрузки ШИП используется R,L –цепь. Управление преобразователем осуществляется блоком Discrete PWM Generator M, представляющим широтно-импульсный модулятор (ШИМ-PWM). За основу взят блок Discrete PWM Generator из библиотеки Simulink и модернизирован для управления по симметричному способу.

Рисунок 1.139 – Схема модели широтно-импульсного преобразователя с симметричным управлением (Fig1_139)

Схема модернизированного блока Discrete PWM Generator М показана на рисунке 1.140.

Рисунок 1.140 – Схема модели блока Discrete PWM Generator М

Временная диаграмма работы ШИП, являющаяся результатом моделирования файла Fig1_139, приведена на рисунке 1.141. Частота коммутации силовых ключей постоянна и задаётся в окне настройки блока Discrete PWM Generator М. Этой частотой синхронизируется генератор опорного напряжения Utriang треугольной формы. Опорное напряжение сравнивается с напряжением управления Uy, в результате которого формируется импульсный сигнал единичного уровня, следующий с постоянной частотой, но с изменяющейся относительной продолжительностью включения  от 0 до 1. Эти сигналы используются для управления ключами u1…u4.

Максимальный диапазон изменения напряжения управления ±Uy.max и амплитуда опорного напряжения ±Utriang.max должны быть равны. В данном примере это значение равно ±1В. Напряжение управления выбрано синусоидальным: амплитуда 0,9В, частота 50Гц. Результаты моделирования свидетельствуют об удовлетворительном качестве отработки задающего сигнала.

Рисунок 1.141 – Временная диаграмма работы ШИП при симметричном управлении

В ШИП с симметричным управлением среднее напряжение Un на выходе равно пулю, когда относительная продолжительность включения =0,5. Временные диаграммы ШИП при симметричном способе управления приведены на рисунке 1.141. Напряжение на нагрузке разнополярное ±100В, напряжения управления транзисторами не превышают 1В. При нулевом напряжении на базе транзистор закрыт, при значении, не равном нулевому, транзистор открыт

Рисунок 1.142 – Настройки блоков Universal Bridge и Discrete PWM Generator M

Рисунок 1.143 - Окна настройки блоков Triangle и Sine Wave

Симметричный способ управления обычно используется в маломощных приводах постоянного тока. Его преимуществом является простота реализации и отсутствие зоны нечувствительности в регулировочной характеристике. Недостаток ШИП с симметричным управлением состоит в наличии двухполярного напряжения на нагрузке и в связи с этим, повышенных пульсаций тока в нагрузке. Последнее требует повышения частоты коммутации транзисторов (силовых ключей) и приводит к увеличению потерь на ключах и к дополнительному нагреву.

На рисунках 1.142 и 1.143 показаны окна настроек основных элементов ШИП с симметричным управлением. Из информации, приведённой на рисунке 1.142, следует, что преобразователь включает: два плеча силовых ключей; тип силового транзистора – IGBT с диодом; транзисторы зашунтированы цепью, состоящей из последовательно соединённых резистора и конденсатора; тип генератора ШИМ соответствует типу ШИП; частота коммутации силовых ключей 1990ГЦ; интервал дискретности генератора ШИМ принят 5 микросекунд.

Из информации, приведённой на рисунке 1.143, следует, что генератор опорного напряжения имеет треугольную форму, амплитуду ±1В и частоту Fc=1990Гц. Напряжение управления имеет синусоидальную форму, частота 50Гц, амплитуда 0,9В, интервал дискретности 5 микросекунд.

При запуске файла Fig1_139 Simulink выставляет окно с предупреждением о замене способа моделирования. Согласиться, нажав кнопку ОК, однако никаких изменений вводить не надо. Процесс моделирования будет выполнен с фиксированным шагом. Рекомендованный в подсказке способ моделирования также осуществляется, но в результатах моделирования появляются помехи, объяснить которые достаточно сложно.