6.2 Широтно-импульсный преобразователь

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) находят применение в электроприводах мехатронных систем благодаря их высоким динамическим и энергетическим свойствам. Основой ШИП является силовой ключ (СК), который коммутирует напряжение источника питания на нагрузке двигателя постоянного тока. Оптимальным ключом для преобразователя служит полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор (СПП), шунтированный быстродействующим диодом, к таким приборам относят биполярные и полевые транзисторы, запираемые сигналом управления, тиристоры и гибридные интегральные модули на их основе. Основным недостатком тиристорных ключей является их неполная управляемость и необходимость применения для их запирания специальных коммутационных узлов формирования мощных запирающих импульсов. Вследствие этого массогабаритные показатели и КПД тиристорных ШИП несколько ниже транзисторных.

В зависимости от способа управления ШИП к нагрузке прикладывается однополярное или разнополярное импульсное напряжение. Среднее значение ЭДС преобразователя Edo (или напряжение на якоре Uя) для симметричного управления ( = 0,5) Ed=Uп(2*-1), для не симметричного и поочередного управления (=0) Ed=Uп?, где скважность импульсов выходного напряжения при сигнале управления равном нулю. Так как коммутация СК происходит не мгновенно, а занимает некоторый интервал времени, то практически <1 и устанавливается с помощью системы управления на уровне 0,85-0,9, чему соответствует максимальное выходное напряжение преобразователя, Edmax= (0.85-0.9)Uп, где Uп- напряжение источника питания.

Приведенная схема ШИП позволяет осуществить как, двигательный, так и тормозные режимы работы двигателя. Она обеспечивает непрерывный ток при любой нагрузке и регулируемую скорость холостого хода. В системах, не обеспечивающих тормозные режимы, возможен режим прерывистых токов, в таком режиме линейность механических характеристик двигателей постоянного тока нарушается.

В отличие от управляемых выпрямителей функции выпрямления переменного напряжения регулирование его средней величины в схеме ШИП-Д разделены. Функцию выпрямления переменного напряжения силового трансформатора выполняет неуправляемый выпрямитель, собранный чаще всего по трехфазной мостовой схеме. Выпрямленное напряжение Ud = const сглаживается емкостным либо индуктивно-емкостным фильтром.

Силовые трансформаторы модулей ЭМС являются самым распространенным элементом, согласующим напряжение в сети и выпрямителя с напряжение двигателя. Благодаря разделению функций выпрямления и регулирования выходного напряжения в системах ШИП габаритная мощность трансформатора может быть существенно снижена по сравнению со схемами управляемыми выпрямителями. Исследования показывает, что габаритная мощность Sтг для систем ШИП-Д находится в пределах (0,6-0,8)Uном•Iном в зависимости от типа нагрузки, в то время как для шестиимпульсного реверсивного УВ она составляет (1,6-1,7) Uном•Iном.

Важным техническим показателем системы ШИП-Д является высокое быстродействие при отработке управляющих и возмущающих воздействий. При частоте коммутации 4-5 кГц реально достижимая полоса пропускания контура ток в 2-2,5 раза превышает полосу пропускания в схемах с шистиимпульсным управлением УВ. Более высокое быстродействие приводов ШИП-Д позволяет соответственно увеличить добротность проектируемой системы. Для обеспечения максимальной производительности необходимо минимизировать суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, применяя малоинерционные двигатели ( предпочтительнее с дисковыми якорями). Индуктивность якоря таких двигателей значительно меньше , чем у обычных и высокомоментных. Поэтому применение ШИП с более высокой частотой коммутации позволяет сократить потери в двигателе и уменьшить, габариты сглаживающего реактора, время нарастания ток якоря и скорости двигателя, что сказывается на увеличении производительности механизма МС.