Главная | Обратная связь

Широтно-импульсное РЕГУЛИРОВАНИЕ

 

7.16.1. управление СКОРСТЬЮ двигателЯ постоянного тока

Основой блока широтно-импульсного управления ШИУ служит генератор на логических элементах или триггерах Шмитта с изменяющейся скважностью импульсов показанный на рис. 7.37. Генератор построен на триггере Шмитта DD₁. Выбор указанного триггера обусловлен необходимостью обеспечения максимально широкого диапазона регулирования скважности импульсов. Триггер Шмита позволяет изменять действующее значения выходного напряжения от 0,5 В до максимального напряжения питания двигателя. Отечественная промышленность выпускает триггер Шмитта типа К561ТЛ1. При использовании логических элементов К561ЛА7, К561ЛЕ5, К561ЛН1 пороговое напряжение логической единицы выше, чем в триггерах Шмита, поэтому диапазон регулирования напряжения составляет от 5 В до полного напряжения питания двигателя. На диаграммах рис. 7.38 видно, что увеличение длительности импульсов приводит увеличению длительности импульса открытого состояния транзистора. При этом действующее значение напряжения (площадь окрашенных прямоугольников) за период растет. Увеличение действующего значения напряжения приводит к увеличению скорости вращения вала двигателя.

Выбор мощного полевого транзистора обусловлен мощностью двигателя и его напряжением питания. Следует учесть, что импульсный режим работы транзистора вызывает появление значительных ЭДС самоиндукции, поэтому напряжение, на которое рассчитан транзистор следует брать более высоким.

 

7.16.2. Регулятор мощности на транзисторах MOSFET

Регуляторы мощности постоянного и переменного тока с фазоимпульсным управлением получили широкое распространение, как в устройствах промышленной автоматики, так и в радиолюбительских конструкциях. Но при использовании тиристорных регуляторов имеет место значительные помехи, создаваемые при его работе. Регулирующим элементом таких устройств является триодный тиристор, от угла управления которого зависит действующее значение напряжения на нагрузке. Закрывание такого тиристора происходит в момент, когда ток тиристора падает ниже тока удержания. Для активной нагрузки тиристор закрывается в момент прохождения тока тиристора через ноль. Такое управление является неполным, поскольку запирание тиристора зависит от мгновенного значения выходного тока.

В настоящее время разработаны мощные полевые транзистора типа MOFSET, позволяющие построить несложный ключ для коммутации переменного тока с полным управлением, то есть открыванием и закрыванием ключа.

Схема регулятора мощности представлена на рис. 7.39. Силовой ключ выполнен на транзисторах VT₁, VT₂, включенных встречно-последовательно. Наличие в каждом транзисторе внутреннего защитного

диода, включенного параллельно каналу в обратной полярности (анодом к истоку, катодом к стоку), позволяет обеспечить протекание тока в нагрузке при положительном и отрицательном полупериодах сетевого напряжения.

На трех логических элементах микросхемы DD₁ выполнен генератор импульсов с регулируемой скважностью. Частота импульсов около 2 кГц (значительно выше частоты сетевого напряжения). При наличии высокого уровня на выходе инвертора DD_1.3 транзисторный ключ открыт, и ток протекает через нагрузку. При этом в положительный полупериод ток протекает через открытый канал транзистора VT₁ и защитный диод транзистора VT₂, а в отрицательный полупериод – наоборот, через защитный диод транзистора VT₁ и открытый канал транзистора VT₂. Если же на выходе DD_1.3 низкий уровень – то оба транзистора закрыты, и нагрузка обесточена. Временные диаграммы регулятора показаны на рис. 7.40. Очевидно, что изменение скважности импульсов позволяет изменить мощность нагрузки от нуля до максимального значения, соответствующего полному напряжению сети.

Питание микросхем DD₁ производится от однополупериодного выпрямителя с параметрическим стабилизатором напряжения, собранным на элементах R₂, VD₃, VD₄, C₂. Следует обратить внимание на то, что стабилизатор напряжения соединен с истоками полевых транзисторов и с общим проводом микросхемы, поэтому напряжение на затворы подается относительно их истоков.

Преимущество данного способа регулирования мощности перед фазоимпульсным состоит в том, что коммутация нагрузки происходит со значительно большей частотой, чем в регуляторах на тиристорах: это позволяет регулировать мощность для малоинерционных нагрузок.

Максимальная мощность нагрузки определяется предельным током открытого транзистора, при этом мощность, выделяющаяся на открытом канале, не должна превышать предельно допустимую. Частота генератора может быть изменена путем подбора конденсатора С₁.

Предложенная схема может работать в цепях переменного тока с напряжением 220 В и частотой сети 50Гц. Но схема может быть предложена для управления объектами и при любых других напряжениях. Достаточно установить более мощный транзистор на более высокое напряжение исток-сток и схема будет управлять значительно более мощными нагрузками. Сам принцип управления потребляемой мощностью нагрузки не изменяется.

Схема позволяет изменить и несущую частоту генератора, что удобно для применения схемы и на повышенных промышленных частотах.

 

ИНВЕРТОРЫ

8.1. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИНВЕРТОРОВ

 

Потребители энергии промышленных предприятий очень разнообразны. Для питания одних электроустановок требуется переменное напряжение, другим необходимо - постоянное, третьим – переменное напряжение повышенной частоты. Некоторым потребителям требуется несколько постоянных напряжений разного уровня и т.д. Зачастую необходимо осуществить преобразование постоянного тока в переменный.

Преобразователи, на входе которых постоянное напряжение, а на выходе переменное, называются инверторами. Преобразователи, на входе и выходе которых постоянное напряжение одного или нескольких значений называются конверторами.

Для осуществления любого из перечисленных видов преобразования применяют электронные устройства на транзисторах, работающих в режиме ключа, и тиристорах, которые по принципу работают только в переключающих режимах.

Инверторы классифицируются по ряду признаков:

1) по типу коммутирующих элементов;

2) по принципу коммутации;

3) по роду преобразуемой величины.

В настоящее время широко применяются как тиристорные, так и транзисторные инверторы, однако предпочтение отдается транзисторным преобразователям, т.к. в тиристорных преобразователях возникают гармоники высоких порядков. Транзисторные преобразователи имеют более широкие возможности формирования выходных сигналов любых форм.

При одновременном замыкании ключей SA₁ и SA₃ (рис 8.1, а) ток протекает через сопротивление нагрузки Z_н слева направо (показано на рисунке сплошной линией), а при замыкании ключей SA₂ и SA_4, и размыкании предыдущей пары контактов ток пройдет через сопротивление Z_н в обратном направлении. Для получения переменного тока нужной частоты следует поочередно включать то четную пару выключателей, то нечетную пару с частотой вдвое больше частоты, ожидаемой на нагрузке. Диаграммы напряжений для автономного инвертора напряжения (АИН) представлены на рис. 8.1, б. В случае автономного инвертора тока (АИТ) диаграмма напряжений представлена на рис. 8.1, б, а диаграмма тока для него рис. 8.1, б.

В промышленных установках вместо переключателей могут быть применены тиристоры или транзисторы. Известно, что в цепях постоянного тока тиристор можно выключить только принудительно, т.е. используя коммутирующий конденсатор, емкость которого зависит от тока тиристора. Одним из основных элементов инвертора является конденсатор. Его назначение – принудительное запирание тиристоров встречным током разряда конденсатора. Но конденсатор может применяться и для формирования кривой выходного напряжения, а так же определять характер процессов, происходящих в схеме.

Рассмотрим работу АИТ (рис. 8.2, а). Источник питания в АИТ работает в режиме источника тока, что достигается включением дросселя L_ф с большой индуктивностью. С подачей запускающего импульса на первый тиристор VS₁ происходит его открывание. Возникает всплеск тока i_VS1. По левой половине первичной обмотки трансформатора проходит импульс тока справа налево, что приводит к появлению ЭДС индукции во вторичной обмотке трансформатора. При всплеске тока левой половины первичной обмотки трансформатора во второй половине первичной обмотки трансформатора остается напряжение питания источника, к которому добавляется ЭДС самоиндукции левой половины первичной обмотки трансформатора. Это приводит к появлению удвоенного напряжения тиристора, до которого и заряжается коммутирующий конденсатор С. На правой обкладке плюс, на левой - минус.

При появлении запускающего напряжения U_вх2 на втором тиристоре VS₂ происходит его открывание, при этом тиристор VS₁ все еще остается открытым. Пока тиристор VS₂ оставался закрытым, правая обкладка конденсатора С зарядилась до положительного удвоенного напряжения питания. С открытием тиристора VS₂ конденсатор С разряжается по часовой стрелке от правой обкладки конденсатора к левой. Это приводит к сложению токов тиристора VS₂ и тока разряда конденсатора. Ток разряда конденсатора оказывается противоположным прямому току тиристора VS₁, что приводит к его запиранию. Некоторое время через тиристор идет обратный ток разряда конденсатора, пока тиристор не закроется. Для надежного принудительного запирания тиристора энергия конденсатора должна быть достаточной для создания встречного тока тиристора, обеспечивающего его надежное запирание. Анализ временных диаграмм показывает, что надежное запирание тиристора возможно, когда ток открытого тиристора опережает по фазе напряжение на нем. АИТ будет работать устойчиво лишь в том случае, если сдвиг фаз между током и напряжением по времени будет больше времени запирания тиристора.

Основным недостатком АИТ является недопустимость его работы в режиме холостого хода, так как возникает перенапряжение на конденсаторе, что может привести его и тиристора из строя Для устранения этого недостатка применяют тиристоры с отсекающими диодами VD₁ и VD₂ (рис. 8.2, а). Подключение диодов между тиристорами и первичной обмоткой трансформатора препятствует разряду конденсаторов через обмотку трансформатора. Такое включение схемы улучшает устойчивость работы инвертора при любом виде нагрузки и исключает влияние нагрузки на работу инвертора.

Автономные инверторы тока и напряжения используются в блоках бесперебойного питания, а так же как резервные источники питания. Широкое применение нашли инверторы в электротранспорте, питающемся от контактной сети, где в качестве тяговых двигателей применяют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Автономные инверторы применяются в преобразователях постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины, а также в преобразователях одной частоты в другую или в качестве регуляторов напряжения. Инверторы используются в преобразователях МГД – генераторов, тепловых генераторов, фотогенераторов, в электротермии и других отраслях производства.

 

8.2. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ (АИН)

В АИН инвертор работает в режиме источника напряжения. Обычно параллельно источнику питания подключают конденсатор большой емкости, исключающий пульсации напряжения при коммутации тиристоров. Управляющие электроды нечетных тиристоров VS₁ и VS₃ соединены между собой и подключены к формирователю импульсов ФИ (рис. 8.3, а). Параллельное соединение управляющих электродов означает их одновременный запуск по одной общей команде. Тиристоры VS₂ и VS₄ т.е. четная пара тиристоров, имеют аналогичное соединение управляющих электродов с той же самой целью. Нагрузка Z_н включена в диагонали моста, что позволяет при включении тиристоров создать переменный ток нагрузки при поочередном включении четной и нечетной пар тиристоров. Диаграммы напряжений и токв схемы представлены на рис. 8.3, б.

При таком включение тиристоров согласно первому закону коммутации ток не может измениться скачком. Он продолжает сохранять свое направление в течение некоторого времени Δt. В противном случае возникшие в этот момент времени большие ЭДС самоиндукции могут вывести из строя тиристоры. Если прямоугольная форма выходного напряжения не устраивает потребителя, то нужно последовательно с нагрузкой включить фильтры, исключающие прохождение высших гармоник к нагрузке

Тиристоры, показанные на схеме, включившись в цепях постоянного тока не выключатся, что приведет к короткому замыканию источника питания. Такое включение тиристоров требует принудительной их коммутации. На схеме эти цепи для упрощения объяснения работы схемы не показаны.

Для получения повышенных частот выходного напряжения инвертора порядка (10³ - 10⁵) Гц применяют автономные резонансные инверторы напряжения. В электротермических установках для плавки металлов применяют высокочастотные инверторы. Частота работы инвертора определяется параметрами колебательного контура в цепи управляющих электродов тиристоров.

На рис. 8.4 представлена схема резонансного инвертора напряжения. Последовательно с нагрузкой тиристоров включен конденсатор С и индуктивность L. Колебательный контур можно получить при параллельном включении конденсатора и нагрузки. Учитывая тот факт, что высокочастотные инверторы применяют в основном для питания активно-индуктивной нагрузки, рассмотрим индуктивность потребителя как элемент колебательного контура. Порядок запуска тиристоров не отличается от предыдущей схемы. Управляющие электроды четных тиристоров соединены между собой. То же самое сделано и с нечетной парой. В данной схеме нет необходимости применять отдельную коммутирующую группу тиристоров, так как. принудительное запирание одной из пар происходит за счет заряда конденсатора С, выполняющего одновременно и роль коммутирующего конденсатора. Форма выходного напряжения близка к гармонической и определяется параметрами колебательного контура. Частота работы инвертора находится по формуле:

Добротность колебательного контура

Чем выше добротность колебательного контура, тем ближе форма выходного напряжения к синусоиде.

При подаче на нечетную пару тиристоров запускающего импульса по нагрузке слева направо течет ток от плюса источника питания к минусу через открытые тиристоры VS₁ и VS₃. При этом происходит заряд конденсатора С. Левая обкладка конденсатора заряжается +, а правая минус. С приходом запускающего импульса по входу U_вх2 открываются тиристоры четной группы VS₂ и VS₄. Открытие всех четырех тиристоров должно привести к короткому замыканию источника питания, но этого не происходит. Заряженный конденсатор С разряжается по двум контурам – верхнему и нижнему, так как все тиристоры открыты. Направление токов разряда конденсатора показано пунктирной линией. Токи тиристоров VS₂ и VS₄ по направлению совпадают с токами разрядки конденсатора С в обоих контурах, что приводит к открыванию тиристоров и удержанию их в открытом состоянии. Токи же тиристоров VS₁ и VS₃ по направлению противоположны токам разрядки конденсаторов в верхнем и нижнем контурах. Это обстоятельство приводит к принудительному запиранию тиристоров нечетной группы. После переходного процесса ток по нагрузке протекает в обратном направлении, т.е. справа налево. С приходом команды на открытие тиристоров нечетной группы они откроются и конденсатор своим током разряда запирает тиристоры четной группы.

В рассматриваемом инверторе частота управляющих сигналов формирователя импульсов f_упр должна быть меньше собственной частоты колебательного контура f_о. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конденсаторов закончилась до отпирания очередной пары тиристоров инвертора. При этом в нагрузочном токе создаются паузы, в течение которых очередная пара тиристоров должна успеть закрыться. Схемы тиристорных инверторов столь многообразны, что требуют отдельного рассмотрения.

 

8.3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ НА БТИЗ ТРАЗИСТОРАХ

Основные достоинства инверторов на БТИЗ транзисторах следующие:

1. Отсутствие необходимости принудительно закрывать транзистор, так как при отсутствии сигнала на базе транзистора он закрыт.

2. Сопротивление открытого транзистора столь мало, что большие протекающие по нему токи не приводят к его нагреванию.

3. Время рассасывания зарядов в БТИЗ ниже, чем в тиристорах, что позволяет значительно увеличить частоту работы инвертора

4. Формой выходного напряжения можно управлять.

5. Можно управлять амплитудой выходного напряжения, изменяя ток базы транзисторов.

Схема однофазного инвертора напряжения представлена на рис. 8.5. В диагональ моста включена активно – индуктивная нагрузка LR. Для получения переменного напряжения необходимо включать поочередно и попарно транзисторы VT₁ – VT₄ и транзисторы VT₂ – VT₃. Диоды VD₁ – VD₄ служат для возврата реактивной мощности в цепь питания схемы. Инверторы на БТИЗ являются предпочтительными перед другими инверторами напряжения.

 

8.4. КОНВЕРТОРЫ

Электронные устройства, преобразующие постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, называются конверторами. Применяют два типа конверторов: с самовозбуждением и импульсные преобразователи напряжения.

Преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением применяются в аппаратуре малой и средней мощности.

Данный тип преобразователей и построение блоков питания на конверторах описан в разделе « Импульсные источники питания», в котором приведены практические схемы преобразователей не только на транзисторах, но и на цифровых элементах. Схема конвертора для современного компьютера приведена на рис. 8.6. Питание компьютера может осуществляться от источника постоянного напряжения. Интегральная микросхема вырабатывает синусоидальные колебания, которые поочередно открывают мощные транзисторы, включенные в первичную обмотку трансформатора. Выходное напряжение на вторичной обмотке можно получить любого уровня. Достаточно подключить во вторичную обмотку выпрямитель и фильтр, получив конвертор. При нескольких вторичных обмотках и нескольких выпрямителях можно получить многоуровневый конвертор.

 

11. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ

 

11.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

В алгебре логики информация, полученная в данный момент времени, отображается только значениями 0 или 1. Логические функции f нескольких переменных (x₀…x_n), определяют характер логической операции. Определенному набору входных переменных соответствует одно определенное значение выходной величины f. Для наглядного представления и анализа логических элементов вводится таблица истинности, в которой комбинации входных переменных и результат логической операции записываются одной строкой

В данном случае представлена таблица истинности (рис. 11.1) для логического элемента 2ИЛИ, которая описывается логической функцией .

Основными логическими функциями являются:

логическое умножение – конъюнкция; логическое сложение - дизъюнкция; логическое отрицание - инверсия.

На этих простейших логических элементах строится современная цифровая техника.

 

11.2. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ «2И». ОПЕРАЦИЯ «КОНЪЮНКЦИЯ»

 

Элемент 2И является одним из простейших и наиболее распространенных элементов. Интегральные микросхемы серии К555 имеют питание 5 В и логические уровни их составляют: до 0,4 В – логический ноль, от 2,4 В до 4,7 В - логическая единица. Для микросхем серии К561, питание которой составляет от 5 до 15 В, уровни логической единицы другие и определяются напряжением питания. На схемах логический элемент «2И» обозначается на схемах ГОСТа и международных схемах рис. 11.2, а.

Событие f (загорится лампочка) совершиться тогда, когда совершаться события x₁ и x₂ одновременно. Это возможно при одновременном включении выключателей или транзисторов. Данная операция напоминает операцию математического умножения. Если один из сомножителей равен нулю, то и произведение равно нулю. Эта операция может быть записана логическим уравнением или Таблица истинности (рис. 11.2, в) показывает, что если одна из входных величин равна нулю, то равен нулю и результат операции логического умножения. Диаграмма состояний элемента приведена в табл. 11.2. Логический элемент И на зарубежных схемах обозначается рис. 11.2, а – правый рисунок и записывается как элемент AND.

Данный элемент может быть реализован не только на контактных (релейных) схемах (рис. 11.2, б), но и на бесконтактных элементах (рис. 11.2, в), т. е. на диодах, транзистора, тиристорах и т. д.

 

11.3. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ «2ИЛИ».

ОПЕРАЦИЯ «ДИЗЪЮНКЦИЯ»

Событие f (лампочка загорится) совершится тогда, когда совершится событие x₁ИЛИ x₂ИЛИ x₁ и x₂ одновременно. Такая операция напоминает операцию математического сложения. Если одно из слагаемых не равно нулю, то сумма не равна нулю. Записывается данная функция на языке математической логики или .

Из таблицы истинности рис. 11.3, г видно, что если один из входов имеет логическую единицу, то на выходе возникает логическая единица. На зарубежных схемах он имеет обозначение рис. 11.3, а и записывается как элемент OR.

 

11.4. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ «НЕ». ОПЕРАЦИЯ «ИНВЕРСИИ»

 

Элемент НЕ может быть реализован на простой схеме - комбинации лампы и выключателя (рис. 11.4, б) или на комбинации транзистора и лампы рис. 11.4, в.

Условное обозначение на отечественных и зарубежных схемах (рис. 11.4, а).

Схему работает следующим образом. Рассмотрим рис. 11.4, в. «Событие f совершиться тогда, когда х не совершиться» или «событие f не совершиться, когда совершиться событие x». На языке математической логике описание данной функции выглядит следующим образом:

Значок над элементом х означает инверсию, т.е. состояние выхода противоположное входному состоянию.

На зарубежных схемах обозначается как элемент NOT.

 

11.5. ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ «2И-НЕ». ЭЛЕМЕНТ ШЕФФЕРА

В структуре цифровой техники это один из наиболее часто встречающихся элементов. На основе его построены многие интегральные триггеры, счетчики и регистры. Этот элемент часто используется в мультивибраторах и одновибраторах и как элемент коммутации. Условное обозначение этого элемента дано на рис. 11.5, а.

Данные логический элемент является комбинацией логических элементов 2И и элемента НЕ, реализованных по схеме 11.5, б. Происходит инверсия результата логического умножения. Используя предыдущие таблицы истинности для элементов 2И и элемента НЕ легко доказать справедливость таблицы истинности табл. 11.5 рис. 11.5, г.

На языке математической логики функции данного элемента могут быть описаны логическим уравнением Его обозначение на зарубежных схемах – NAND.

Диаграмма состояний имеет вид рис. 11.5, д. На выходе элемента логический ноль только в том случае если на входе одновременно появяться логические единицы.

Данный элемент носит название «элемент Шеффера».