Простейший генератор широтно-импульсных сигналов.

Основным назначением программы PWM Generator является формирование сигналов широтно-импульсной модуляции в режиме реального времени. Данные тоны генерируются на основе заданных значений частоты (в Герцах), рабочего цикла – соотношения времени между низким и высоким состоянием сигнала (в процентах) и амплитуды – уровня цифрового сигнала (в dBFS). Все вышеперечисленные параметры могут быть мгновенно изменены во время работы. Максимально возможный уровень генерируемого сигнала равен 0 dBFS, а наибольшая частота составляет половину частоты дискретизации. Для настройки генерирования звука оптимального уровня качества предусмотрено целое меню выходных характеристик. Здесь присутствует возможность изменения количества и размера внутренних буферов данных, частоты дискретизации и квантования.

Программное обеспечение может использоваться для создания управляющих тонов различных электрических и электромеханических устройств. В частности результирующий ШИМ-сигнал, снятый с выхода звуковой карты персонального компьютера и пропущенный через стандартный аудиоусилитель, применяется для регулирования двигателей, вентиляторов, приборов освещения.

PWM Generator поддерживает работу с несколькими звуковыми картами, причем предоставляется возможность выбора той из них, которая будет использоваться для вывода искомого сигнала (по умолчанию программа работает с устройством вывода, указанным в панели управления Windows). Стоит отметить, что рабочий ШИМ-сигнал может быть сохранен в качестве WAV-файла и в дальнейшем прослушан с помощью стандартного программного обеспечения. А при регулярном использовании определенных тонов генератор ШИМ-сигналов дает возможность сохранять (и загружать) их в виде пресетов. Кроме того, несколько пресетов поставляются вместе с приложением.

PWM Generator поддерживает опцию синхронизации всех запущенных экземпляров программы, позволяя генерировать сразу несколько тонов. Необходимо отметить возможность работы программного обеспечения в фоновом режиме, позволяя, пользователям переключить внимание на другие приложения. Кроме того PWM Generator может управляться с помощью скриптовых команд, а также через системы Windows Messaging.
Авторы сообщают, что чем быстрее рабочая станция, тем выше будет качество звука и «отзывчивость» элементов управления во время воспроизведения тонов.

Рассматриваемое приложение было написано работниками немецкой компании Esser Audio. Данная организация занимается созданием и распространением программных продуктов ( , и т.д.), предназначенных, в основном, для тестирования и испытания аудиоаппаратуры. Программы от Esser Audio отличаются неплохой функциональностью и крайне простым интерфейсом.

Программа PWM Generator является условно-бесплатной, ознакомительная версия дает возможность свободного запуска и тестирования приложения в течение первых тридцати дней. Стоимость программы для стран не входящих в Европейский союз составляет 14 евро, для входящих – 16,66 евро (за счет добавления налога на продажу). При покупке нескольких лицензий предоставляется скидка.

Приложение распространяется на английском и немецком языках. Справочный файл содержит подробное описание всех возможностей софта, а для дополнительной поддержки пользователей программного пакета был создан справочный онлайн-форум. Русской версии PWM Generator пока не существует.

Последняя версия программного обеспечения работоспособна на любых компьютерах с 32- или 64-разрядной операционной системой Microsoft Windows (9x, NT, 2000, 2003, XP, Vista, 7, 8) и звуковой картой.

Распространение программы:
условно-бесплатная 14 евро. Есть триал-версия (30 суток)

Фото генератора.

Что может этот генератор? Взглянем на параметры.

1. Рабочее напряжение: 3.3 – 30V;
2. Частота генерации: 1Hz – 150KHz;
3. Точность генерации частоты: 2%;
4. Мощность нагрузки: 5…30mА;
5. Амплитуда выходного сигнала равна напряжению питания;
6. Температура окружающей среды: -20 … +70 °С.

На дисплей можно вывести только 2 числа по 3 цифры в каждом. В нижней строке отображается скважность ШИМ в процентах, а в верхней – частота. Частота выводится на дисплей по следующим правилам:

• XXX, шаг в 1Гц, в диапазоне 1 – 999Гц;
• X.XX, шаг в 0.01кГц, в диапазоне 1.00 – 9.99кГц;
• XX.X, шаг в 0.1кГц; в диапазоне 10.0 – 99.9кГц;
• X.X.X, шаг в 1 кГц; в диапазоне 100 – 150 кГц.

Дисплей управляется микросхемой HT1621B, дисплей универсальный, на нем имеются символы, необходимые для построения термометра, гигрометра, вольтметра, амперметра и ваттметра, но в нашем случае они не используются. Дисплей имеет яркую синюю подсветку. К слову, замечу, что дисплей на моем генераторе оказался потертым, будто его откуда-то сняли.

Главной микросхемой генератора является микроконтроллер STM8S003F3P6. И поскольку этот микроконтроллер имеет EEPROM память, то настройки сохраняются при выключении.

Управлять генератором можно двумя способами: кнопками и по UART. С кнопками всё ясно, одна пара кнопок управляет частотой, вторая скважностью. А вот с UART всё намного интереснее. Обмен данными должен происходить со следующими параметрами:

• 9600 bps Data bits: 8
• Stop bit: 1
• Check digit: none
• Flow control: none

Для того, чтобы установить частоту генерации, необходимо отправить частоту так, как она отображается на дисплее прибавив перед значением частоты букву F. Например, для установки частоты в 100 Гц необходимо отправить F100, для 105 кГц – F1.0.5, для 10.5 кГц – F10.5 и так далее.

Для установки скважности необходимо отправить трехзначное число скважности добавив перед ним букву D . Например, D050, D100, D001.

Если отправлена верная команда, то генератор ответит DOWN, если ошибочная – FALL. Но есть одно НО, я так и не смог настроить работу с генератором через UART.

Я решил проверить генератор при помощи логического анализатора. Вот что получилось.

Частота 1 Гц, скважность 1%. Как видим погрешность пока небольшая.

Частота 1 Гц, скважность 50%.

Частота 1 Гц, скважность 99%.

Частота 1 кГц, скважность 1%.

Частота 1 кГц, скважность 50%.

Частота 1 кГц, скважность 99%. Тут мы видим, что при установленных 99% скважности на самом деле заполнение составляет 100%.

Частота 1 кГц, скважность 91%. Я начал снижать скважность, и вплоть до 92% заполнение составляло 100%, и только при 91% ситуация исправляется.

Частота 50 кГц, скважность 1%. Как видим что тут всего 0,2% вместо 1%.

Частота 50 кГц, скважность 50%. Здесь отличается на 1%.

Частота 50 кГц, скважность 99%. И тут снова отклонение -1%.

Частота 100 кГц, скважность 1%. А вот тут ещё ничего нет.

Частота 100 кГц, скважность 2%. А при 2% сигнал появляется, но на самом деле заполнение 0,4%.

Частота 100 кГц, скважность 50%. Отклонение почти -2%.

Частота 100 кГц, скважность 99%. И тут почти -1%.

Частота 150 кГц, скважность 1%. Снова нет сигнала.

Частота 150 Гц, скважность 3%. И появляется сигнал только при 3%, но заполнение составляет 0,6%.

Частота 150 кГц, скважность 50%. Но на самом деле заполнение 46,5%, на -3,5% уже отличие.

Частота 150 кГц, скважность 99%. И тут погрешность, но всего 1,5%.

Выборка достаточно грубая, но на этом исследования не закончены. Я решил измерить скважность при различном заполнении (шаг 5%) и на различных частотах (шаг 25000 Гц) и занести их в таблицу.

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт – в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт – в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными источниками питания, стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием – выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей “затвор – исток” и “затвор – сток”. Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу – некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже – с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем – пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта – обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует – отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального – проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах – некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков – обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств – типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания – вовсе не единственное направление деятельности.

Хорошее определение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) заключается в самом его названии. Это означает модуляция (изменение) ширины импульса (не частоты). Чтобы лучше понять что такое ШИМ
, давайте сначала посмотрим некоторые основные моменты.

Микроконтроллеры представляют собой интеллектуальные цифровые компоненты которые работают на основе бинарных сигналов. Лучшее представление бинарного сигнала – меандр (сигнал имеющий прямоугольную форму). Следующая схема объясняет основные термины, связанные с прямоугольным сигналом.

В ШИМ-сигнале время (период), и следовательно частота является всегда постоянной величиной. Изменяется только время включения и время выключения импульса (скважность). Используя данный метод модуляции, мы можем получить необходимое нам напряжение.

Единственное различие между меандром и ШИМ-сигналом заключается в том, что у меандра время включения и отключения равны и постоянны (50% скважность), в то время как ШИМ-сигнал имеет переменную скважность.

Меандр может рассматриваться как частный случай ШИМ сигнала, который имеет 50% рабочий цикл (период включения = период отключения).

Рассмотрим на примере использование ШИМ

Допустим, мы имеим напряжение питания 50 вольт и нам необходимо запитать какую-либо нагрузку, работающую от 40 вольт. В этом случае хороший способ получения 40В из 50В — это использовать так называемый понижающий чоппер (прерыватель).

ШИМ сигнал, генерируемый чеппером, поступает на силовой узел схемы (тиристор, полевой транзистор), который в свою очередь управляет нагрузкой. Этот ШИМ-сигнал может легко генерироваться микроконтроллером, имеющим таймер.

Требования к ШИМ-сигналу для получения с помощью тиристора 40В из 50В: подача питания, на время = 400мс и выключение на время = 100мс (с учетом периода ШИМ сигнала равного 500 мс).

В общих словах это можно легко объяснить следующим образом: в основном, тиристор работает как переключатель. Нагрузка получает напряжение питания от источника через тиристор. Когда тиристор находится в выключенном состоянии, нагрузка не подключена к источнику, а когда тиристор находится в открытом состоянии, нагрузка подключается к источнику.

Этот процесс включения и выключения тиристора осуществляется посредством ШИМ сигнала.

Соотношение периода ШИМ-сигнала к его длительности называется скважность сигнала, а обратная к скважности величина именуется коэффициентом заполнения.

Если коэффициент заполнения равен 100, то в этом случае у нас сигнал постоянный.

Таким образом, скважность импульсов (рабочий цикл) может быть вычислен с использованием следующей формулы:

Используя выше приведенные формулы, мы можем рассчитать время включения тиристора для получения необходимого нам напряжения.

Умножая скважность импульсов на 100, мы можем представить это в процентном соотношении. Таким образом, процент скважность импульсов прямо пропорционален величине напряжения от исходного. В приведенном выше примере, если мы хотим получить 40 вольт от 50 вольт источника питания, то это может быть достигнуто путем генерации сигнала со скважность 80%. Поскольку 80% из 50 вместо 40.

Для закрепления материала, решим следующую задачу:

• рассчитаем длительность включения и выключения сигнала, имеющего частоту 50 Гц и скважность 60%.

Полученный ШИМ волны будет иметь следующий вид:

Один из лучших примеров применения широтно-импульсной модуляции является использование ШИМ для регулировки скорости двигателя или яркости свечения светодиода.

Этот прием изменения ширины импульса, чтобы получить необходимый рабочий цикл называется “широтно-импульсная модуляция”.

1.4. Тиристоры

1.4.1. Принцип действия тиристора

1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора

1.4.3. Динамические характеристики тиристора

1.4.4. Типы тиристоров

1.4.5. Запираемые тиристоры

2. Схемы управления электронными ключами

2.1. Общие сведения о схемах управления

2.2. Формирователи импульсов управления

2.3. Драйверы управления мощными транзисторами

3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов

3.1. Электромагнитные компоненты

3.1.1. Гистерезис

3.1.2. Потери в магнитопроводе

3.1.3. Сопротивление магнитному потоку

3.1.4. Современные магнитные материалы

3.1.5. Потери в обмотках

3.2. Конденсаторы для силовой электроники

3.2.1. Конденсаторы семейства мку

3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы

3.2.3. Танталовые конденсаторы

3.2.4. Пленочные конденсаторы

3.2.5. Керамические конденсаторы

3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах

3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей

3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей

4. Принципы управления силовыми электронными ключами

4.1. Общие сведения

4.2. Фазовое управление

4.3. Импульсная модуляция

4.4. Микропроцессорные системы управления

5. Преобразователи и регуляторы напряжения

5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.

5.2. Трехфазные выпрямители

5.3. Эквивалентные многофазные схемы

5.4. Управляемые выпрямители

5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя

5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях

6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения

6.1. Импульсный регулятор напряжения

6.1.1. Импульсный регулятор с шим

6.1.2. Импульсный ключевой регулятор

6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя

6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения

6.2.3. Инвертирующий преобразователь

6.3. Другие разновидности преобразователей

7. Инверторы преобразователей частоты

7.1. Общие сведения

7.2. Инверторы напряжения

7.2.1. Автономные однофазные инверторы

7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения

7.3. Трёхфазные автономные инверторы

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах

8.2.1. Инверторы напряжения

8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения

8.3. Инверторы тока

8.4. Модуляция пространственного вектора

8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока

8.5.1. Инвертирование

8.5.2. Выпрямление

9. Преобразователи с сетевой коммутацией

10. Преобразователи частоты

10.1. Преобразователь с непосредственной связью

10.2. Преобразователи с промежуточным звеном

10.3.1. Двухтрансформаторная схема

10.3.3. Схема каскадных преобразователей

11. Резонансные преобразователи

11.2. Преобразователи с резонансным контуром

11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки

11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки

11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром

11.4. Преобразователи класса е

11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения

12. Нормативы на показатели качества электрической энергии

12.1. Общие сведения

12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей

12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей

12.4. Корректор коэффициента мощности

13. Регуляторы переменного напряжения

13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах

13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах

Вопросы для самоконтроля

14. Новые методы управления люминесцентными лампами

Вопросы для самоконтроля

Заключение

Библиографический список

620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева,30

8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях

8.1. Общие сведения

Принципы
импульсного управления и модуляции
рассмотрены в гл. 4 на при­мере простейшей
схемы регулятора постоянного тока. При
этом даны определе­ния основных видов
импульсной модуляции, используемых в
теории линейных импульсных систем,
которые соответствуют практике управления
импульсными преобразователями постоянного
тока.

Однако
широтно-импульсная модуляция напряжений
или токов в преобразова­телях
переменного тока имеет в силовой
электронике несколько иное определе­ние,
учитывающее особенности ШИМ при решении
задач преобразования элект­роэнергии
на переменном токе. Согласно определению
МЭК 551-16-30, широтно- импульсной модуляцией
называется
импульсное управление,
при котором ширина или частота импульсов
или и та и другая модулируются в пределах
периода основ­ной частоты для того,
чтобы создать определенную форму кривой
выходного напряжения. В большинстве
случаев ШИМ осуществляется в целях
обеспечения синусоидальности напряжения
или тока, т. е. снижения уровня высших
гармоник относительно основной (первой)
гармоники, и называется
синусоидальной.
Разли­чают следующие основные методы
обеспечения синусоидальности: аналоговая
ШИМ и ее модификации; избирательное
(селективное) подавление высших гармоник;
гистерезисная или дельта-модуляция;

модуляция
пространственного вектора.

Классическим
вариантом организации аналоговой
синусоидальной ШИМ явля­ется изменение
ширины импульсов, формирующих выходное
напряжение (ток) посредством сравнения
сигнала напряжения заданной формы,
называемого
опор­ным или
эталонным, с
сигналом напряжения треугольной формы,
имеющим более высокую частоту и называемым
несущим сигналом.
Опорный сигнал является модулирующим
и определяющим требуемую форму выходного
напряжения (тока). Существует много
модификаций этого метода, в которых
модулирующие сигналы представлены
специальными функциями, отличными от
синусоиды. В конспекте лекций будет
рассмотрено несколько основных схем
поясняющих эти методы ШИМ.

Метод
избирательного подавления высших
гармоник в настоящее время успешно
реализуется средствами микропроцессорных
контроллеров на основе программного
обеспечения. Гистерезисная модуляция
основана на принципах релейного
«слежения» за опорным сигналом, например,
синусоидальной формы. В простейшем
техниче­ском исполнении этот метод
сочетает принципы ШИМ и ЧИМ
(частотно-импульсной модуляции). Однако
посредством специальных схемотехнических
мер можно стабилизировать частоту
модуляции или ограничить диапазон ее
изменения.

Метод
модуляции пространственного вектора
основан на преобразовании трехфазной
системы напряжения в двухфазную и
получении обобщенного про­странственного
вектора. Величина этого вектора
рассчитывается в моменты, определяемые
основной и модулирующей частотами. Он
считается весьма пер­спективным для
управления трехфазными инверторами, в
частности, при исполь­зовании их в
электроприводе. В то же время он во
многом сходен с традиционной синусоидальной
ШИМ.

Системы
управления на основе ШИМ позволяют не
только обеспечить синусо­идальную
форму усредненных значений основной
гармоники напряжения или тока, но и
управлять значениями ее амплитуды,
частоты и фазы. Так как в этих случаях
в преобразователе используются полностью
управляемые ключи, то становится
возможным реализовать работу
преобразователей переменного (постоянного)
тока совместно с сетью переменного тока
во всех четырех квадрантах в режимах
как выпрямления, так и инвертирования
с любым заданным значением коэффициента
мощности основной гармоники cosφ
в диапазоне от -1 до 1. Более того, с
увеличе­нием несущей частоты расширяются
возможности воспроизведения на выходе
инверторов тока и напряжения заданной
формы. Это позволяет создавать актив­ные
фильтры для подавления высших гармоник.

Основные
определения, используемые при дальнейшем
изложении, рассмот­рим на примере
применения первого метода в однофазной
полу мостовой схеме инвертора напряжения
(рис. 8.1, а
).
В этой условной схеме ключи
S
1

и
S
2

пред­ставлены полностью управляемыми
коммутационными элементами, дополнен­ными
последовательно и параллельно соединенными
с ними диодами. Последова­тельные
диоды отражают однонаправленную
проводимость ключей (например, транзисторов
или тиристоров), а параллельные
обеспечивают проводимость обратных
токов при активно-индуктивной нагрузке.

Диаграммы
опорного, модулирующего u
M (θ)
и несущего u
H (θ)
сигналов приве­дены на рис. 8.1, б
.
Формирование импульсов управления
ключами
S
1
и
S
2
осу­ществляется по следующему принципу.
При u
M (θ)
> u
H (θ)
ключ
S
1
включен, a
S
2
выключен.
При u
M (θ)
u
H (θ)
состояния ключей изменяются на
противоположные: S
2
– включен, a
S
1
– выключен. Таким образом, на выходе
инвертора формиру­ется напряжение в
виде двух полярных импульсов. В реальных
схемах для исключе­ния одновременной
проводимости ключей
S
1
и
S
2
следует предусматривать опреде­ленную
задержку между моментами формирования
сигналов на включение этих ключей.
Очевидно, что ширина импульсов зависит
от соотношения амплитуд сигна­лов
u
M (θ)
и u
H (θ).
Параметр, характеризующий это соотношение,
называется индексом амплитудной
модуляции и определяется по формуле
(8.1):

,

(8.1.)

где
U
M m
и U
H m
– максимальные значения модулирующего
сигнала u
M (θ)
и несущего сигнала u
H (θ)
соответственно.

Рис.
8.1. Однофазный полу мостовой инвертор
напряжения: а

– схема; б

– диаграммы напряжения при импульсной
модуляции

Частота
несущего сигнала u
H (θ)
равна частоте коммутации f
H
ключей S
1
и S
2
и обычно значительно превышает частоту
модулирующего сигнала f
M .
Соотношение частот f
H
и f
M
является важным показателем эффективности
процесса модуляции и называется
индексом частотной модуляции,
который определяется по формуле (8.2):

При
малых значениях M
f

сигналы u
M (θ)
и u
H (θ)
должны быть синхронизированы, чтобы
избежать появления нежелательных
субгармоник. В в качестве максимального
значения My
,
определяющего необходимость синхронизации,
уста­навливается М
f

= 21.
Очевидно, что при синхронизированных
сигналах и коэффициент M
f

является постоянной величиной.

Из
диаграммы на рис. 8.1 видно, что амплитуда
первой гармоники выходного напряжения
U
am 1
может быть с учетом (8.1) представлена в
следующем виде (8.3):

(8.3)

Согласно
(8.3) при М

a
= 1 амплитуда
первой гармоники выходного напряжения
равна высоте прямоугольника полуволн
U
d /2.
Характерная зависимость относи­тельного
значения первой гармоники выходного
напряжения от значения М a
пред­ставлена на рис. 8.2, из которого
видно, что изменение М
a
от 0 до 1 линейно и зависит от амплитуды
U
am 1 .
Предельное значение величины М
a
определяется прин­ципом рассматриваемого
вида модуляции, согласно которому
максимальное зна­чение U
am 1
ограничено высотой полуволны прямоугольной
формы, равной
U
d /2.
При дальнейшем увеличении коэффициента
М
a
модуляция приводит к нелиней­ному
возрастанию амплитуды U
am 1
до максимального значения, определяемого
формированием на выходе инвертора
напряжения прямоугольной формы, которое
в дальнейшем остается неизменным.

Разложение
прямоугольной функции в ряд Фурье дает
максимальное значение (8.4):

(8.4)

Эта
величина ограничивается значением
индекса М
а,
изменяющегося в диапа­зоне от 0 до
примерно 3. Очевидно, что функция на
интервале а-б значений от 1 до 3,2 является
нелинейной (рис. 8.2). Режим работы на этом
участке называется сверх
модуляцией.

Значение
M
f

определяется
выбором частоты несущего сигнала u
H (θ)
и сущест­венно влияет на технические
характеристики преобразователя. С
ростом частоты увеличиваются коммутационные
потери в силовых ключах преобразователей,
но при этом улучшается спектральный
состав выходного напряжения и упрощается
реше­ние задачи фильтрации высших
гармоник, обусловленных процессом
модуляции. Важным фактором выбора
значения f
H
во многих случаях является необходимость
обеспечения его значения в звуковом
диапазоне частоты более 20 кГц. При выборе
f
H
следует также
учитывать уровень рабочих напряжений
преобразователя, его мощность и другие
параметры.

Рис.
8.2. Зависимость относительного значе­ния
амплитуды основной гармоники выход­ного
напряжения от индекса амплитудной
модуляции для однофазной полу мостовой
схемы

Общей
тенденцией здесь является рост значений
M f

преобразователей
малой мощности и низких напряжений и
наоборот. Поэтом выбор M
f

является многокритериальной оптимизационной
задачей.

Импульсная
модуляция со стохастическим процессом
.
Использование ШИМ в преобразователях
связано с появлением высших гармоник
в модулируе­мых напряжениях и токах.
При этом в спектральном составе этих
параметров наиболее значительные
гармоники возникают на частотах, кратных
индексу час­тотной модуляции
M
f

и сгруппированных около них на боковых
частотах гармо­ник с убывающими
амплитудами. Высшие гармоники могут
порождать следую­щие основные проблемы:

возникновение
акустических шумов;

ухудшение
электромагнитной совместимости (ЭМС)
с другими электротех­ническими
устройствами или системами.

Основными
источниками акустических шумов являются
электромагнитные компоненты (дроссели
и трансформаторы), на которые воздействуют
ток и напря­жение, содержащие высшие
гармоники с частотами звукового
диапазона. Следует отметить, что шумы
могут возникать на определенных частотах,
где высшие гар­моники имеют максимальное
значение. Факторы, вызывающие шумы,
например явление магнитострикции,
усложняют разрешение проблемы ЭМС.
Проблемы с ЭМС могут возникать в широком
частотном диапазоне в зависимости от
критич­ности к уровню электромагнитных
помех электротехнических устройств.
Тради­ционно для снижения уровня
шумов использовались конструктивные
и технологи­ческие решения, а для
обеспечения ЭМС применялись пассивные
фильтры.

В
качестве перспективного направления
решения этих проблем рассматрива­ются
методы, связанные с изменением характера
спектрального состава модули­руемых
напряжений и токов. Сущность этих методов
состоит в выравнивании час­тотного
спектра и снижении амплитуды явно
выраженных гармоник за счет стохастического
их распределения в широком частотном
диапазоне. Такой прием иногда называется
«размазыванием» частотного спектра.
Концентрация энергии помех уменьшается
на частотах, где гармоники могут иметь
максимальные значе­ния. Реализация
этих методов не связана с воздействием
на компоненты силовой части преобразователей
и в большинстве случаев ограничена
программными средствами с незначительным
изменением системы управления.

Рассмотрим
кратко принципы реализации этих методов.
В основе ШИМ лежит изменение коэффициента
заполнения γ= t
и
/ T
n
,
где t
и
– длительность импульса; Т
n

– период его формирования. Обычно эти
величины, а также положение импульса
на интервале периода
Т
n

являются постоянными в установившихся
режимах. Результаты ШИМ определяются
как интегральные усредненные значе­ния.
В этом случае детерминированные значения
t и
и включая положение импульса, обусловливают
неблагоприятный спектральный состав
модулируемых параметров. Если этим
величинам придать случайный характер
при сохранении заданного значения γ,
то процессы становятся стохастическими
и спектральный состав модулируемых
параметров изменяется. Например, такой
случайный харак­тер можно придать
положению импульса t
и
на интервале периода
Т n
или обеспе­чить стохастическое
изменение последнего. Для этой цели
может использоваться генератор случайных
чисел, воздействующий на задающий
генератор частоты модуляции
f
n
=1/T
n
.
Аналогичным образом можно изменять
положение импульса на интервале
Т
n

с математическим ожиданием, равным
нулю. Усреднен­ное интегральное
значение γ должно оставаться на заданном
системой регулирова­ния уровне, в
результате чего будет реализовано
выравнивание спектрального состава
высших гармоник в модулируемых напряжениях
и токах.

Вопросы
для самоконтроля

1.
Перечислите основные методы ШИМ для
обеспечения синусоидальности тока или
напряжения.

2.
В чем отличие однополярной модуляции
напряжения от двухполярной?

3.
Перечислите основные параметры ШИМ.

4.
С какой целью используется ШИМ со
стохастическими процессами?