Глава VI. Устройства систем управления преобразователями частоты и широтно-импульсными преобразователями

1. Общие сведения

Все преобразователи, СУ которыми рассматриваются ниже, являются по существу вторыми, выходными звеньями двухзвенных преобразователей. Отличительной особенностью этих СУ является наличие генераторов линейно изменяющихся или гармонических сигналов и переменная длительность импульсов, управляющих силовыми транзисторамим.

Для АИ с амплитудным регулированием выходных напряжения или тока необходимы управляемые задающие генераторы импульсов с частотами от единиц до нескольких сот или тысяч герц. Обычно это шестикратная выходная частота преобразователя. Управляющие импульсы, которые подаются на силовые транзисторы, имеют длительность от нескольких миллисекунд до долей секунды. Генераторы развертывающего напряжения в СУ ШИП и АИН с ШИМ работают с неизменной частотой 1...50 кГц. Исключением являются АИН с ШИМ, у которых частота развертывающего напряжения поддерживается кратной частоте первой гармоники выходного напряжения для подавления некоторых высших гармоник. Длительность управляющих импульсов в ШИП и АИН с ШИМ и с формированием тока изменяется от единиц до сотен микросекунд. Непрерывные импульсы с переменными длительностями и паузами передавать через трансформаторы не удается. Часто используется высокочастотное заполнение, но для импульсов микросекундной длительности это также затруднительно.Наилучшим решением является применение оптронной развязки с использованием индивидуальных источников питания усилителей мощности для каждого силового вентиля, как это было показано на рис.54 для запираемого тиристора. Для уменьшения габаритов трансформаторов индивидуальных источников питания применяется высокочастотное прямоугольное напряжение.

2. Задающие генераторы

Задающие генераторы (ЗГ) определяют частоту первой гармоники выходных напряжения или тока АИ с амплитудным регулированием. Частота ЗГ должна быть пропорциональной его напряжению управления и регулироваться в диапазоне от 20:1...l00:1. Главными требованиями, которые предъявляются к ЗГ, является соответствие его частоты заданной и ее стабильность, от чего зависит точность поддержания скорости в разомкнутой системе. Обычно отклонения частоты не превышают 1,0...0,1%.

С другой стороны, можно считать, что ЗГ формируют требуемые интервалы времени между импульсами, и поэтому для их построения используются все выше рассмотренные методы формирования интервалов. Широко применяется развертывающее преобразование с регулируемой производной развертывающего напряжения при постоянном (реже переменном) уровне сравнения [15,п.2-1]. Для получения линейной регулировочной характеристики используется линейно нарастающее и линейно спадающее пилообразные развертывающие напряжения. Минимальные габариты таких устройств получаются при использовании конденсаторов и ОУ. Функциональная схема одного из применяемых ЗГ приведена на рис.37,а.

Напряжение управления ЗГ , задающее выходную частоту, подается с потенциометраили вводится из системы управления электроприводом. Это напряжение подается на входные резисторыинтегратора на ОУ либо со своим знаком, либо с обратным. Знак входного напряжения определяется транзисторами VT1 и VT2, которые управляются триггером Шмитта ТШ. Когда открыт транзистор VT1, резисторсоединен с общей шиной и положительное напряжение управления не попадает на вход ОУ. На входные резисторы,подается отрицательное напряжение управления с инвертирующего усилителя ИУ, имеющего коэффициент передачи, равный минус единица. Это напряжение интегрируется ОУ. Если напряжение управления неизменно, то на выходе ОУ и на конденсаторе напряжение нарастает по линейному закону. Если открыт VT2, то напряжение на выходе ОУ линейно уменьшается.

Рассмотрим подробнее работу ЗГ при неизменном напряжении управления. Допустим, что в начальный момент времени напряжение на выходе ОУ равно отрицательному опорному напряжению -и напряжение на выходе ТШ максимальное положительное. Координаты этой точки обозначены на рис.37 цифрой 1. Ток резистораоткрывает транзистор VT1 и удерживает в закрытом состоянии VT2. При этом входной резистор ОУсоединяется через VT1 с общей шиной и практически не оказывает влияния на выходное напряжение ОУ. На входные резисторы,поступает отрицательное напряжение с инвертора И, равное -. Ток этих резисторовпротекает с выхода ОУ через конденсатор С. При этом

, (53)

где t - текущее вркмя, с.

Поскольку напряжение левой (по рис.37) обкладки конденсатора по отношению к общей шине практически равно нулю, то напряжение конденсатора одновременно является треугольным выходным напряжением ОУ. Когдадостигнет +(точка 2), то напряжение на выходе триггера Шмитта скачком станет отрицательным (точка 3). Транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется. Ток конденсатора изменит направление, но останется прежним по абсолютной величине. Время, в течение которогоизменяется на 2от -до +, является полупериодом выходных напряжений ОУ и ЗГ. Этот полупериод исходя из (53) равен, откуда следует, что частота ЗГ

(54)

линейно зависит от напряжения управления. Выходное напряжение ТШ является выходным напряжением ЗГ . Стабильность частоты зависит, в основном, от постоянства величин входящих в (54). Наиболее существенное влияние оказывает температура, до которой нагреваются элементы ЗГ и блока питания.

На временных диаграммах показано, как при увеличении напряжения управления в два раза в момент удваивается частота ЗГ, поскольку в два раза возрастают по абсолютной величине производные напряжения конденсатора.

Рассмотрим один из вариантов триггера Шмитта, схема которого приведена на рис.37,в. Операционные усилители выполняют роль компараторов, сравнивающих треугольное напряжение с положительным и отрицательным опорными напряжениями. Треугольное напряжение практически все время меньше положительного и больше отрицательного опорного напряжений. Исключения составляют только моменты переключения (точки экстремумов 1...4). Прямой вход DA1 почти все время положителен по отношению к инверсному входу, поэтому на выходе DA1 имеется положительное напряжение и диод VD5 заперт. Прямой вход DA2 почти все время отрицателен по отношению к инверсному входу, поэтому на выходе DA2 напряжение отрицательное и диод VD6 также заперт. Таким образом, в интервалы между переключениями ОУ сигналы с них на DA3 не проходят. Схема на DA3 представляет элемент памяти благодаря положительной обратной связи на прямой вход через .

Как было принято выше, треугольное напряжение линейно нарастает от точки 1, напряжение на выходе ЗГ положительно, открыт VT1. В точке 2 напряжение на несколько милливольт превышает +, и на выходе DA1 появляется отрицательный импульс (рис.37,б), который проходит через VD5 и запоминается на выходе DA3. Когда треугольное напряжение станет меньше -в точке 4, на выходе DA1 появится положительный импульс и на выходе ТШ и ЗГ напряжение скачком станет положительным (точка 1). На временных диаграммах рис.37,б длительности импульсов на выходе компараторов преувеличены для наглядности в сотни раз. Диоды VD1...VD4 ограничивают напряжения между прямыми и инверсными входами ОУ, что является обязательным для некоторых типов ОУ. Выпускаются ОУ, для которых эти диоды не нужны. Аналогичные триггеры Шмитта (пороговые элементы) описаны в [19,с.297]. Триггер Шмитта может быть выполен и на одном ОУ [5,с.187; 15,с.40].