Теоретические сведения о ШИМ

 

Традиционно широтно-импульсные преобразователи применялись для электроприводов малой мощности с широким диапазоном регулирования. С развитием элементной базы, в частности появлением IGBT-модулей, диапазон мощностей, где целесообразно применять ШИП, значительно увеличился. По сравнению с управляемыми выпрямителями ШИП отличают более высокие динамические показатели при высоком диапазоне регулирования скорости ‑ порядка 2000 ‑ 6000, лучшее использование двигателя по току, меньшее влияние на питающую сеть.

     

Рис. 9.1

Для системы с ШИП (рис. 9.1) среднее напряжение на нагрузке U_ср определяется следующим образом:

,

где U_п ‑ напряжение питания; g = t_и / T ‑ период коммутации; t_и ‑ длительность рабочей части T.

 

Рис. 9.2

Широтно-импульсный преобразователь состоит из широтно-импульсного модулятора ШИМ, усилителей импульсов или драйверов УМ1-УМn и импульсного усилителя мощности ИУМ (рис. 9.2).

ШИМ формирует необходимые по длительности импульсы в зависимости от уровня сигнала управления. Существуют различные варианты схемной реализации широтно-импульсных модуляторов. Однако все они используют два способа получения модулированных импульсов. Один из них основан на сложении двух прямоугольных импульсов с регулируемым сдвигом по фазе между ними, второй ‑ на сравнении опорного напряжения определённой несущей частоты и формы (треугольной, пилообразной) и напряжения управления. При современном уровне развития интегральной схемотехники дешёвой и наиболее универсальной представляется реализация ШИМ на основе микропроцессора.

В лабораторно-практической установке в качестве ШИМ использован микроконтроллер фирмы FujitSu MB90F562 серии F2MC-16F рис.9.3. Одновременно в преобразователе он осуществляет отработку защит по току, температуре и напряжению.

Его основные особенности:

· Быстрое 16-тибитное ядро (время выполнения инстр. 62,5 нс).

· Малый уровень электромагнитных помех.

· Обработка команд с использованием 4-хбайтной очереди.

· Мощная система команд (340 инструкций).

· Аппаратное умножение 16*16 и деление 32/16.

· 32-хбитный аккумулятор.

· Большое адресное пространство 16 Мбайт.

· Мультиплицированная шина адреса/данных (24/16).

· Большой объем на кристалле (64 Кбайт) FlaSh памяти программ, программируемых в системе.

· ОЗУ данных 2 Кбайт на кристалле.

· 50 портов ввода-вывода.

· Два Fullduplex UART0 на скорость до 2 Мбит и UART1 на скорость до 1 Мбит (синхронный режим при частоте 16 Мгц).

· Встроенный быстрый АЦП (время преобразования 26,3 мкс для одного канала) 10 или 8 бит 8 каналов.

· Мощная таймерная подсистема, в том числе ШИМ.

· Сторожевой таймер.

· 2 перезагружаемых 16-тибитных таймера.

· 16-тиразрядный таймер событий.

· 4-хканальный 16-тибитный входной компаратор.

· 6-тиканальный 16-тибитный выходной компаратор.

· 6-тиканальный 8 или 3-хканальный 16 ‑ битный ШИМ.

· 18-тибитный счетчик базового времени.

· PLL-синтезатор.

· Малопотребляющая технология с управлением тактовой частотой. Режимы остановки: CPU, Sleep.

 

Усилители импульсов предназначены для управления силовыми ключами. Они формируют требуемую амплитуду импульсов, скорость нарастания и спада. В современной схемотехнике такие устройства называют драйверами и, как правило, это специализированные микросхемы для управления конкретным типом ключей.

 

В рассматриваемом ШИП драйверы входят в состав силового модуля.

Силовая часть широтно-импульсного преобразователя выполнена на основе интеллектуальных модулей фирмы MitSubiShi Electric ‑ PS11035 (1.5kW), PS11036 (2.2kW).

Модуль этого типа представляет собой конструктивно законченное изделие (рис. 9.4), которое требует для своего применения минимум дополнительных компонентов и состоит из собранных в одном корпусе силовых IGBT-ключей с защитными обратными диодами (количество ключей - от одного до семи, в зависимости от типа модуля), датчика тока, датчика напряжения, датчика температуры и входных и выходных драйверов управления.

 

 

Рис. 9.4

Особенностью модулей является наличие встроенных защит по току, напряжению и температуре, что позволяет не размещать дополнительные элементы для реализации этих функций. Встроенные схемные решения также осуществляют мониторинг за питающим напряжением и при уменьшении его ниже определенного значения запрещают работу силовых ключей. Защита по току реализует двухстадийный алгоритм, который обеспечивает отключение силового ключа при превышении номинального тока с некоторой задержкой по времени, что в свою очередь обеспечивает плавное снижение подводимой мощности. Наряду с этим при превышении уровня тока, который система считает током короткого замыкания, силовой ключ отключается сразу, что позволяет сохранить работоспособность устройства. В обоих этих случаях схема формирует сигнал «неисправности» высокого уровня на выходной линии. Сигнал высокого уровня «неисправность» формируется также при выходе питающего напряжения за допустимые пределы и при перегреве модуля. Следует заметить, что при перегреве и превышении тока сигнал формируется импульсом длительностью порядка 1,5 мс. При изменении питающего напряжения сигнал пропорционально увеличивается от минимума до максимума, в зависимости от степени отклонения напряжения от оптимального значения. При использовании оптопары с пороговым включением отследить медленно повышающееся напряжение на выводе «авария» достаточно затруднительно. При возникновении перегрева сигнал аварии возникает при превышении некоторой температуры, модуль отключается и начинает остывать. Сигнал аварии продолжает находиться в высоком состоянии. После остывания модуля до рабочей температуры модуль включается, и сигнал аварии снимается, при этом длительность сигнала составляет несколько секунд. Различия во временных характеристиках сигнала позволяют в какой-то мере идентифицировать причину аварии.

Конструктивно модули выполнены таким образом, что стоки всех IGBT-ключей охлаждаются одной металлической пластиной. Она же служит нижним основанием модуля и крепится к теплоотводу болтами. Подключение силовых высоковольтных шин осуществляется ножевыми разъемами на вертикальные стойки сечением 5 на 1, мм. Для подключения схемы управления с верхней стороны модуля смонтированы вертикальные контакты с регулярным шагом небольшого сечения и высотой 10‑15 мм у разных модулей, что позволяет пропускать их в отверстия печатных плат и без помех запаивать с верхней открытой стороны. Такой метод монтажа экономит место в устройстве, не мешает теплоотводу и не вносит дополнительных проводных связей, что благотворно сказывается на уменьшении помех и наводок.