2.4.1. Широтно-импульсные преобразователи (ШИП)

Служат для преобразования неизменного напряжения постоянного тока в регулируемое напряжение постоянного тока.

Достоинства (по сравнению с ТП):

- большая полоса пропускания;

- большая линейность характеристики

Поэтому ШИП применяются для эл. приводов с высоким быстродействием и точностью регулирования.

Недостатки: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выходного напряжения вызывает дополнительные потери от пульсаций рабочего тока и процессов коммутации вентилей.

Для режимов рекуперации требуется источник питания ШИП, допускающий оба направления тока. Если такого источника тока нет, то применяют неуправляемый выпрямитель, дополненный соответствующими цепями, в которых должна гаситься рекупированная нагрузкой энергия.

Из-за этих недостатков область применения ШИП от долей кВт до нескольких кВт.

Функционально ШИП состоит из двух частей (рис. 2.27)

Рис. 2.27. Функциональная схема ШИП.

- входной блок Б1 – широтно-импульсный модулятор ШИМ

- выходной блок Б2 – вентильный коммутатор (ВК)

ШИМ преобразует входную координату напряжения управления во внутреннюю координату – скважность включения вентилей (рис. 2.28.)

где – продолжительность включения импульса напряжения, приложенного к нагрузке, с

– период коммутации вентилей, с

t_o – время отключенного состояния вентилей, с

Рис. 2.28. Функциональная схема ШИМ.

В состав ШИМ входят:

- ГОН – генератор опорного напряжения, который вырабатывает напряжение пилообразной формы U_ОП с частотой

- ПУ – порогового устройства, которое выдает нулевой сигнал при и единичный при

- ФУИ – формирователь управляющих импульсов, который преобразовывает сигналы от ГОН и ПУ в управляющие импульсы для силовых вентилей коммутатора ВК

- ВК – реализует посредством включения и выключения вентилей (тиристоров или транзисторов) заданную с помощью ШИМ скважность в виде выходной ЭДС ШИП, среднее значение которой:

где е – мгновенная ЭДС ШИП, прикладываемая к нагрузке.

При работе ШИП на нагрузку

для VS.

для VT.

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

В зависимости от соотношения и t_о может быть режим прерывистых токов.

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

При данном способе ток нагрузки не прерывается во всем диапазоне регулирования, т.е. имеет место режим непрерывных токов и внешние характеристики ШИП линейны. Недостаток такого регулирования – большие пульсации тока.

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.. В интервале t_В, когда включены оба ключа, появляется ЭДС, а в интервале t_о, когда включен один ключ, импульс ЭДС отсутствует, а ток самоиндукции замыкается через включенный вентильный ключ и диод.

Для реверса включается другая пара.

При работе ШИП на ДПТ пульсации тока

где К=1 – для однополярных импульсов ЭДС

К=0,5 – для разнополярных импульсов

R_а.дв – сопротивление якоря двигателя, Ом

Т_a – эл. магнитная постоянная времени якорной цепи.

Отсюда следует, что max при и при несимметричной коммутации пульсации ток в 2 раза меньше, чем при симметричной коммутации.

Нереверсивный ШИП с тиристорным ключом

Рис. 2.33. Нереверсивный ШИП с тиристорным ключом

На рис. 2.33 изображена нереверсивная схема ШИП с тиристорным ключом. Функцию ключа выполняет VS1, а VS2 служит для управления процессом коммутации VS1. Работа: С заряжен через VS2 с (+) на верхней обкладке. При подаче импульса на VS1 на двигателе М появляется импульс напряжения U_Н и через VS1 протекает ток нагрузки. По контуру C-VS1-VD2-L (реактор) проходит перезаряд С до (+) на нижней обкладке. VD2 запирает С от дальнейшего перезаряда. Сигналом для закрывания VS1 служит импульс, подаваемый на VS2. Через открытые VS1 и VS2 разряжается конденсатор и своим током запирает VS1, а затем через VS2 дозаряжается до (+) на верхней обкладке и запирает VS2. Цикл повторяетс

Рис. 2.34. Диаграмма работы ШИП при поочередной коммутации

Внешние характеристики НШИП имеют вид (рис. 2.35)

Рис. 2.35. Внешние характеристики НШИП

В зависимости от t и индуктивности якорной цепи, может иметь место режим прерывистых токов при малой нагрузке. Зона этого режима max при , т.к. при этом имеет место самые большие пульсации выпрямленного тока.

Характеристики управления нереверсивного ШИП.

Аналогично как координата α для ТП, так и внутренняя координата γ делит ШИП на две части: ШИМ и ВК.

- характеристика управления ШИМ