Основные расчетные соотношения и характеристики реверсивного широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения

 

Реверсивный широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения является содержит в своем составе четыре транзистора, включенных по мостовой схеме, рис.5.1, а. Реверсивные ШИП в отличии от нереверсивных ШИП не только регулируют величину выходного напряжения, но и изменяют его знак.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо снять характеристики реверсивного ШИП при симметричном и несимметричном способах управления.

симметричный и несимметричный.

Симметричный способ управления. Временные диаграммы, поясняющие реализацию этот способ, приведены на рис. 5.1, б и в. При этом способе управления импульсы управления поступают на все четыре транзистора мостовой схемы, причем транзисторы одной диагонали моста (VT 1, VТ 4 или VT 2, VT 3) управляются одинаковыми знакопеременными импульсами управления (u _у1= u _у4 или u _у2= u _у3). Сигналы управления u _у2, u _у3 находятся в противофазе сигналам управления u _у1, u _у4. (см. рис.5.1, б). Относительная продолжительность включенного состояние транзисторов VT 1, VT 4 cоставляет D, а транзисторов VT 2, VT 3 t ₂/ Т =(Т - t ₁)/ T =1- D.

Параметр D = t ₁/ Т называется коэффициентом заполнения импульса.

Напряжение на нагрузке положительно при работе транзисторов VT 1, VT 4 и отрицательно при работе транзисторов VT 2, VT 3.

При симметричном способе управления напряжении на выходе ШИП имеет двухполярную форму (см. рис.5.1, в).

Среднее значение выходного напряжения ШИП при симметричном способе управления

(5.1)

Формула (5.1) является выражением регулировочной характеристики двухтактного ШИП при симметричном способе управления.

Из (5.1) следует, что среднее значение выходного напряжения ШИП равно нулю при D =0,5, т.е. при t ₁= t ₂.

При двигательной нагрузке выходное напряжение ШИП подается на обмотку якоря. На рис.5.1, в приведены временные диаграммы напряжения якоря u _я и ток обмотки якоря i _я. При включении транзисторов VT 1, VT 4 ток обмотки якоря i ₂ нарастает (интервалы 1 – 2 – 3, рис.5.1, б). В точке 3 транзисторы VT 1, VT 4 закрываются. Двигатель на интервале (1- D) Т работает в режиме противовключения, возникающий при этом тормозной момент уменьшает скорость вращения двигателя.

В зависимости от величины и характера момента нагрузки, величины коэффициента заполнения импульса D и электромагнитной постоянной времени Т _э= L _я/ R _я машина может работать при непрерывных токах якоря в двигательном режиме, непрерывных тормозных токах и переменных токах якоря.

Среднее значение тока якоря

. (5.2)

Выражение механической характеристики электропривода

(5.3)

где

U _п – напряжение источника питания ШИП;

Ω₀ = U _п/ k _Е – угловая скорость вращения двигателя в режиме холостого хода;

R _я – активное сопротивление обмотки якоря;

k _Е=С_ЕФ – коэффициент ЭДС двигателя;

С_Е – конструктивный коэффициент двигателя.

 

На рис.5.2, а приведено семейство электромеханических характеристик ν= f (I _я) при симметричном способе управления,

где ν= Ω/Ω_{0 ном} – относительная угловая скорость или относительная частота вращения. Электромеханические характеристики электропривода постоянного тока ν= f (I _я) линейны и непрерывны в смежных квадрантах. Штриховыми линиями на рис. 5.2, а показана область переменных токов якоря.

Кроме отмеченного достоинства ЭП с ШИП при двухполярном выходном напряжении отличается хорошими динамическими и регулировочными характеристиками и простотой схемы управления. Его недостатками являются большая глубина пульсаций напряжения якоря и тока якоря, повышенные потери в магнитопроводе якоря и ухудшенные условия коммутации тока в двигателе.

Симметричный способ управления находят применение в маломощных ЭП с частыми пусками, торможениями и реверсами, например, в ЭП роботов.

 

Несимметричный способ управления. Временные диаграммы, поясняющие этот способ, приведены на рис.5.1, г и д. При несимметричном способе управления переключаются лишь два транзистора из четырех транзисторов мостовой схемы. Из двух других оставшихся транзисторов один должен быть постоянно закрыт, а другой – постоянно открыт. Рассмотрим случай, когда переключаются транзисторы VT 1 и VT 2, транзистор VT 3 заперт, а транзистор VT 4 открыт (см. рис.5.1, г). Напряжение на якоре двигателя при этом имеет вид однополярных широтно– модулированных повторяющихся импульсов (см. рис.5.1, г), частота следования которых равна частоте импульсов управления u _у(t), подаваемых на базы транзисторов схемы. Преобразователь в этом случае работает в режиме однополярного выходного напряжения.

Выходное напряжение ШИП при несимметричном способе управления

 

U _вых= U _п t _и/ Т = U _п D. (5.4)

Формула (5.4) является выражением регулировочной характеристики ШИП при несимметричном способе управления.

При включении транзистора VT 1 на интервалах 1–2–3 (см. рис.5.1, д) машина работает в двигательном режиме, развивая противо – ЭДС вращения Е _я < U _я.

Электрическая энергия источника питания преобразуется в механическую энергию, передаваемую на вал двигателя, и электромагнитную энергию, запасаемую в индуктивности обмотки якоря L _я. В точке 3 (см. рис.5.1, д) транзистор VT 2 открывается. Из – за возникшей ЭДС самоиндукции обмотки якоря е _L> Е ток якоря в интервале 3 – 5 (см. рис.5.2, д) будет протекать по внутреннему контуру, образованному диодом VD 2 и транзистором VT 4. Электромагнитная энергия, запасенная индуктивностью L _я, на интервале 3 – 5 преобразуется двигателем в механическую энергию.

На интервале 5 – 6 (см. рис.5.1, д) ток якоря меняет свое направление и протекает по контуру, образованному транзистором VT 2 и диодом VD 4, под воздействием ЭДС двигателя Е _я. Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, часть которой рассеивается на активном сопротивлении замкнутого контура, а другая часть этой энергии запасается в индуктивности обмотки якоря L _я. Переключение транзисторов VT 1 и VT 2 в исходное состояние происходит в точке 6 (см. рис. 5.1, д). Так как перед этим ток в обмотке якоря протекал в отрицательном направлении, то после закрытия транзистора VT 2 этот ток будет протекать под воздействием ЭДС самоиндукции е _L через диоды VD 1 и VD 4 в направлении, противоположном направлению напряжения источника питания U _п. Происходит процесс рекуперации энергии в цепь постоянного тока, питающую преобразователь. Эта энергия передается конденсатору С _ф. Происходит процесс заряда конденсатора, напряжение на нем начнет возрастать.

 

Механические характеристики ЭП в режиме питания однополярными импульсами выходного напряжения ШИП располагаются во всех четырех квадрантах системы координат (см. рис. 5.2, б). Отключенному состоянию нагрузки соответствует режим при D =0 для транзисторов VT 1 и VT 3. Для изменения знака напряжения нагрузки (направления вращения двигателя) необходимо изменить алгоритм управления ШИП – поменять импульсы транзисторов VT 1 ↔ VT 3 и VT 2↔ VT 4.

Штриховыми линиями на рис. 5.2, б показана область прерывистых токов якоря. Для ограничения области прерывистых токов якоря необходимо увеличивать индуктивность цепи обмотки якоря, включив в эту цепь обмотки якоря дроссель.

Глубина пульсаций тока якоря при несимметричном способе управления в два раза меньше, чем при симметричном способе управления ШИП. Это достоинство несимметричного способа управления. Недостатком несимметричного способа управления является ограничение темпа торможения и реверсирования, а также неодинаковые условия работы транзисторов.

 

Рис. 5.1. Схема (а) и временные диаграммы, поясняющие симметричный (б, в) и несимметричный (г, д) способы управления

 

Рис.5.2 -Электромеханические характеристики ЭП при симметричном (а) и несимметричном (б) способах управления реверсивного ШИП