Импульсная модуляция в силовых электронных устройствах

После изучения материала данной главы студент должен:

знать

• • способы импульсной модуляции и принципы их реализации;
• • принципы организации синусоидальной и векторной ШИМ в однофазных и трехфазных инверторах;
• • особенности работы преобразователей с сетью в режимах выпрямления и инвертирования и их функциональные возможности;
• • принципы действия и характеристики пассивных, активных и гибридных фильтров высших гармоник;

уметь

• • анализировать схемы преобразователей постояиного/переменного тока в различных режимах работы с сетью;
• • выбирать методы импульсного управления транзисторными преобразователями, исходя из функционального назначения и требуемых характеристик;

владеть

• навыками анализа схем преобразователей с широтно-импульсной модуляцией.

Принципы импульсной модуляции и методы ее реализации

В преобразователях с импульсным управлением частота переключения обычно значительно превышает частоты основных гармоник формируемых токов и напряжений. В импульсных преобразователях рабочую частоту ключей также стремятся повысить до значений, ограниченных в основном технико-экономическими критериями.

Во-первых, повышение рабочей частоты ключей позволяет приблизить импульсное преобразование потока энергии к непрерывному, что повышает управляемость выходных параметров по требуемым законам с минимальной задержкой их реализации. Во-вторых, управление дискретными значениями малых порций энергии в целом повышает технико-экономическую эффективность преобразователя электроэнергии за счет улучшения массогабаритных показателей преобразователя на единицу мощности. В этой связи импульсное преобразование получило широкое применение при создании многих видов силовых электронных устройств.

В преобразователях постоянного тока в постоянный регулирование выходного напряжения или тока осуществляется изменением относительной длительности включенного или выключенного состояния ключей. В импульснои технике изменение по определенному закону относительной длительности или амплитуды импульсов, формируемых с определенной частотой, принято называть импульсной модуляцией. При этом различают:

• • амплитудно-импульсную (АИМ);
• • широтно-импульсную (ШИМ);
• • частотно-импульсную (ЧИМ).

Существуют и другие способы модуляции, сочетающие различные ее виды. Особо надо отметить широко применяющиеся релейные системы с квантованием, но уровню. Этот вид импульсных систем может быть отнесен также к разновидности импульсных систем, сочетающих ШИМ и ЧИМ.

Модуляция в энергетических импульсных системах, в отличие от информационных, обычно реализуется в соответствии с простыми функциями. Например, значение выходного параметра часто изменяется в соответствии с синусоидальной или линейной функцией.

На рис. 5.1 приведены схема и диаграммы, поясняющие управление с АИМ. Модуляция в соответствии с функцией f_m осуществляется переключением ключей 51 —54 из одного состояния в другое с постоянной частотой /в моменты Т= 1//, 2 Г, 3Т. При этом предполагается, что во включенном состоянии может находиться только один ключ. Длительность включенного состояния постоянна и равна t_H (рис. 5.1,6). В результате переключений на выходе будет формироваться напряжение с различными амплитудами. Если длительность импульсов t"9 то на выходе сформируется последовательность импульсов с амплитудами ?, 2Е, 3Е и АЕ. При t_H = Т напряжение на выходе будет соответствовать ступенчатой функции с пороговым значением Е (рис. 5.1, в).

На рис. 5.2 показаны схема и диаграммы, поясняющие принципы управления с ШИМ и ЧИМ. При ШИМ ключ 5 переключается с постоянной ча;

Рис. 5.1. Принцип амплитудно-импульсной модуляции:

а — схема; б — диаграмма напряжения при t_H < Г; в — диаграмма напряжения при ?_и = Т

Рис. 5.2. Управление методами широтно-импульсной и частотно-импульсной.

модуляции:

а — схема; 6 — диаграмма напряжения при ШИМ-управлении; в — диаграмма напряжения при ЧИМ-управлении стотой /, а длительность импульса t_u, определяемая включенным состоянием ключа, изменяется в соответствии со значением модулирующей функции f_m (рис. 5.2,6). В системах с ЧИМ изменяется частота переключения ключа, что соответствует изменению периода переключения ключа согласно значениям функции f_m (рис. 5.3, в). Длительность импульса t_H остается в этом случае постоянной. Так как изменение частоты связано с изменением фазы, то аналогичным образом может быть реализована фазо-импульсная модуляция (ФИМ).

Системы управления с IIIИМ получили наибольшее распространение в силовых электронных устройствах. Например, в схеме, представленной на рис. 5.2, а, посредством ШИМ может быть реализовано регулирование напряжения на нагрузке за счет изменения относительной длительности включенного состояния ключа: у = tJT, где Т— период следования импульсов управления. Среднее значение напряжения на нагрузке определяется соотношением.

Применение импульсной модуляции лежит в основе создания автономных инверторов на полностью управляемых ключах и других устройств силовой электроники с управляемой формой тока или напряжения. Примером таких устройств являются силовые электронные преобразователи для обеспечения требуемого качества электроэнергии.