Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя частотыпредставлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя.

Переменное напряжение питающей сети (u вх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (u выпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. Нарассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения u d в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечиваетсяв середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения u _и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u _d, а изменение частоты – режимом работы инвертора.

При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)

Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующее значение:

• V ₊: неинвертирующий вход
• V ₋: инвертирующий вход
• V _out: выход
• V _S+: плюс источника питания (также может обозначаться как V _DD, V _CC, или V _{CC +})
• V _S−: минус источника питания (также может обозначаться как V _SS, V _EE, или V _{CC −})

Разные операционные усилители в различных корпусах, в том числе несколько в одном корпусе

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они необходимы для его функционирования. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания).

В схемах можно встретить и такое обозначение. Напряжение U_диф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно,что

U_диф= U₊ - U_-

Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение U_вых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности U₊ - U_-) и как можно меньше изменяли напряжение U_вых при одинаковом изменении напряжений U₊ и U_-.

Пусть U_диф= 0. Сделаем обозначение: U_СФ= U₊ = U_-. Напряжение U_СФ называют синфазным напряжением (синфазным сигналом). Используя этот термин, можно сказать, что операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

Операционный усилитель хорошо характеризуетегопередаточная характеристика — зависимость вида

U_вых=f(U_диф)

где f - некоторая функция.

Изобразим график этой зависимости для операционного усилителя К140УД1Б (это один из первых отечественных операционных усилителей). Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат,

У различных экземпляров операционных усилителей одного и того же типа эта характеристика может проходить

как слева, так и справа от начала координат. Заранее предсказать точное положение этой характеристики невозможно. Значение напряжения U_диф при котором выполняется условие U_вых=0, называют напряжением смещения (напряжением смещения нуля) и обозначают через U_СМ. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно только то, что напряжение U_СМ лежит в диапазоне от —10мВ до +10мВ. А это означает, что при нулевом напряжении U_диф напряжение U_вых может лежать в пределах от минимально возможного (около —7В) до максимально возможного (около +10В).

Для того, чтобы при нулевом усиливаемом сигнале напряжение на выходе было равным нулю, т. е, для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжений смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля).

В некоторых операционных усилителях (в том числе и типа К140УД 1 Б) не предусмотрены специальные выводы, воздействуя на которые можно было бы компенсировать напряжение смешения. В этом случае на входы операционного усилителя, кроме усиливаемого сигнала, нужно подавать напряжение, компенсирующее напряжение смешения, В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме

U_вых=К U_диф

где К — коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала).

Обычно величина К лежит в пределах 10⁴…10⁵.К примеру, для операционного усилителя типа К140УД1Б К = 1350…12000, для операционного усилителя К140УД14А К не менее 5000.Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения.

Обычно считается, что в режиме насыщения выполняется условие

U_вых= +U_вых — 3В (при U_вых > 0)

Дата добавления: 2014-12-23