СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Вспомогательные устройства систем частотного управления

Фазочувствительные схемы

Демодуляторы. Демодулятор является элементом, преобразую­щим поступающее на его вход переменное напряжение в постоян­ное напряжение. При этом величина и полярность выходного постоянного напряжения определяются соответственно амплитудой и фазой переменного напряжения на входе демодулятора по отно­шению к фазе напряжения его коммутации

Демодулятор без усиления сигнала по мощности называется фазочувствительным выпрямителем Такой демодулятор может быть выполнен на диодах, транзисторах и на сочетании диодов с тран­зисторами Демодулятор с усилением сигнала по мощности назы­вается фазочувствительным усилителем и может быть выполнен как на транзисторах, так и на сочетании транзисторов с диодами Рассмотрим оба вида демо­дуляторов — фазочувстви­тельные выпрямители и фазочувствительные усили­тели, которые использу­

ются при построении си­стем частотного управле­ния При анализе всех фазочувствительных уст­ройств будем считать,

что фазы коммутирующего напряжения и входного

напряжения либо совпа­дают, либо сдвинуты на 180° эл по отношению друг к Другу.

Фазочувствительные вы­прямители на диодах обыч­но выполняются по мостовой или кольцевой схеме [Л 40] Однако фазочувствительный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, обладает низкой стабильностью из-за неидентичности характери­стик диодов. Это является существенным недостатком схемы при малых уровнях мощности В связи с этим такой вид фазочувстви - гельного выпрямителя в дальнейшем не рассматривается

Фазочувствительный выпрямитель, выполненный по кольцевой схеме (рис. 41), имеет значительно меньший кпд, чем фазочув­ствительный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, вслед­ствие наличия добавочных сопротивлений, включенных последова­тельно с диодами В то же время благодаря наличию этих со противлений, обычно существенно больших по величине, чем сопротивление диода в прямом направлении, стабильность кольце­вой схемы значительно выше, чем мостовой Если использовать фа­зочувствительный выпрямитель, выполненный по кольцевой схеме в маломощных цепях, то заниженная величина коэффициента по­лезного действия не будет иметь существенного значения

Рассмотрим принцип действия фазочувствительного выпрями­теля, выполненного по кольцевой схеме

Будем считать, что мгновенные значения коммутирующего на­пряжения (У'к и UK (U'K = UK) в любой момент времени больше мгновенных значений напряжения входа Тогда при равенстве со­противлений плеч Г—г4 и отсутствии входного напряжения ток коммутации в один полупериод коммутирующего напряжения за­мыкается по цепи 8, 7, 6, 5, 10 через диоды Дь Ді и сопротивления Г], г г, а в другой полупериод — по цепи 10, 5, 4, 7, 8 через диоды Дз, Д4 и сопротивления Гз, г4

Вследствие того, что зажимы нагрузки RK в каждый полупе - риод коммутирующего напряжения подключены к эквипотенциальным точкам схемы, например для первого полупериода к точке 9 и к точке 6 через обмотку Wf2 входного трансформатора Тр1, напря­жение на ней отсутствует. При появлении на входе напряжения!^вх, полярность которого для первого полупериода условно обо­значена на рис. 41, ток коммутации будет замыкаться по цепи 8, 7, 6, 5, 10, т. е. через диоды Ди Д2 и сопротивления гь г2, а ток вход­ного сигнала —по цепи 1, 6, 5, 10, 9, 12, И, 2, создавая на сопро­тивлении нагрузки #н падение напряжения, пропорциональное ве­личине входного напряжения.

В следующий период мгновенные полярности входного и ком­мутирующего напряжений изменяются на противоположные, в ре­зультате чего ток входного сигнала будет протекать по цепи 3, 4, 7, 8, 9, 12, 11, 2, создавая падение напряжения на сопротив­лении нагрузки Яя, пропорциональное величине входного напряже­ния. Полярность напряжения на нагрузке сохраняет тот же знак что и в первый полупериод.

Проведя аналогичные рассуждения, можно заметить, что при изменении фазы входного напряжения на 180° (при сохранении той же фазы коммутирующего напряжения) полярность напряжения на нагрузке изменится на противоположную.

Анализ кольцевого фазочувствигельного выпрямителя показы­вает, что коэффициент передачи напряжения может быть записан в виде

где £ф — коэффициент формы кривой напряжения. Из этого выра­жения следует, что коэффициент передачи по напряжению зависит от отношения величины сопротивления, включенного последова­тельно с диодом, к величине сопротивления нагрузки.

Выбирая величину сопротивления г (r=ri—r2=r3=r4) малой по сравнению с нагрузкой, можно приблизить коэффициент передачи по напряжению к единице и повысить коэффициент полезного дей­ствия фазочувствительного выпрямителя. Однако мощность, затра­чиваемая на коммутацию, при этом резко-возрастает, следователь­но, величину отношения г/Rn целесообразно выбирать в зависи­мости от мощности источников коммутирующего или входного напряжения.

Как указывалось выше, основными недостатками фазочувстви­тельных выпрямителей, выполненных на диодах, являются низкий коэффициент передачи по напряжению и низкий к. п. д. Использо­вание транзисторов в качестве переключающих элементов в схемах фазочувствительных выпрямителей позволяет в значительной сте­пени устранить эти недостатки.

Наиболее распространенной схемой фазочувствительного вы­прямителя [Л. 46] на транзисторах является двухполупериодная схема (рис. 42) с недифференциальной нагрузкой, в которой ис­пользуются четыре транзистора, работающих в режиме переключе­ния. Схема состоит из двух ключей с симметричными вольт-ампер - ными характеристиками при разных полярностях входного напря­
жения. Первый ключ выполнен на транзисторах Ти Т2, второй — на транзисторах Т3, Г4. Коммутирующее напряжение UK подводится к транзисторным ключам от вторичных обмоток W2 и транс­форматора Тр2 через ограничивающие токи переходов база — эмит­тер сопротивления гб.

При отсутствии входного напряжения напряжение на нагрузке практически равно нулю, если не учитывать небольшую величину напряжения небаланса, вызываемого коммутацией транзисторов, ко­торое, в свою очередь, можно снизить, применяя инверсное включение транзисторов в клю­чах. Если на входе фазочув­ствительного выпрямителя по­является напряжение, мгно­венная полярность которого для первого полупериода ус­ловно показана на рис. 42, то ток входного сигнала может протекать по цепи, куда вхо­дят открытые транзисторы 7Ь Г2, сопротивление нагрузки Rn и обмотка W2 входного транс­форматора Тр1.

В следующий полупериод мгновенная полярность вход­ного напряжения и напряжения коммутации изменится на противо­положную, вследствие чего ток входного сигнала будет протекать по цепи, в которую входят открытые транзисторы Г3, Г4, сопротивле­ние нагрузки и обмотка W2" входного трансформатора Tpt. Напря­жение тока в нагрузке будет таким же, как и в первый полупериод. При изменении фазы входного напряжения по отношению к фазе коммутирующего на 180° эл. полярность напряжения на нагрузке изменится на обратную.

При проектировании фазочувствительного выпрямителя, состоя­щего из двух транзисторных ключей с симметричными вольт-ампер - ными характеристиками, необходимо учитывать, что транзисторы в каждом ключе поочередно могут находиться либо в прямом, либо в инверсном включении в зависимости от соотношения фаз коммутирующего и входного напряжений. В этом случае для вы­прямления тока входного сигнала без его ограничения по величине (т. е. когда на транзисторах практически отсутствует падение на­пряжения) ДОЛЖНО ВЫПОЛНЯТЬСЯ условие: *к>?/мин1Вх, где гк — мгновенное значение тока коммутации; Р/мин—минимальное зна­чение коэффициента усиления по току в инверсном включении (находится в пределах 0,5—2); гвх— мгновенное значение вход­ного тока.

Фазочувствительные усилители на транзисторах могут быть классифицированы следующим образом:

а) по характеру нагрузки — с дифференциальной нагрузкой или с недифференциальной нагрузкой;

б) по виду выпрямления — с однополупериодным выпрямле­нием или с двухполупериодным выпрямлением;

в) по потреблению входного тока — с потреблением паразит­ного входного тока и без потребления паразитного входного тока.

Паразитным входным током называется ток, протекающий в цепи базы транзистора при запертой цепи коллектора (например, запертой при помощи диода). Величина этого тока значительно больше величины тока управления.

Наиболее совершенными схемами фазочувствительных усили­телей, пригодными для практического исследования, считаются двухполупериодные схемы без потребления паразитного входного тока. Схемы с двухполупериодным выпрямителем имеют ряд преи­муществ по сравнению с однополупериодными: улучшенную форму

кривой выходного напряжения, большие значения коэффициен­тов усиления по мощности Схемы фазочувствительных усилителей без потребления паразитного тока имеют значи­тельно большие коэффициенты усиления по мощности и луч­шую стабильность нуля.

Рассмотрим распростра­ненный вариант фазочувстви­тельного усилителя (рис. 43), выполненного по двухполупе- риодной схеме с недифферен­циальной нагрузкой без по­требления паразитного вход­ного тока

Предположим, что в первый полупериод действия коммутирую­щего напряжения на обмотках трансформаторов устанавливаются напряжения, мгновенные полярности которых обозначены на рис. 43. В этом случае транзистор Тх будет закрыт благодаря наличию положительного смещения на его базе, а транзистор Т2 открыт, так как на его базе имеется отрицательное смещение. Ток нагрузки в результате действия напряжения обмотки W2 трансформатора Тр2 замыкается по следующему пути, от общей точки вторичных обмоток W2 и W2 трансформатора Тр2, через сопротивление на­грузки Ян, диод Дь, транзистор Т2, диод Дъ к обмотке W"2 транс­форматора Тр2 (полярность напряжения на нагрузке указана на рис. 43).

В следующий период, когда фазы входного и питающего на­пряжений изменятся на противоположные, мгновенные полярности обмоток трансформаторов Тр1 и Тр2 также изменятся на проти­воположные, при этом открытым уже будет транзистор Т, а за­крытым Т2.

Путь тока нагрузки в результате действия напряжения обмотки W2 трансформатора Тр1 будет следующим - от общей точки вторич­ных обмоток W^ и W2 трансформатора Тр2 через сопротивление нагрузки Ян, диод Д3, транзистор Ти диод Д2 к обмотке W'2 При этом полярность напряжения на сопротивлении нагрузки сохранит­ся той же, что и в течение первого полупериода. Каждый транзи­стор в этой схеме оказывается проводящим только в течение од­ного полупериода питающего напряжения. Если фаза входного напряжения изменится на 180° эл по отношению к фазе напряжений питания, to, как нетрудно замеїить, полярность постоянного напряжения на нагрузке изменится на противоположную

В рассматриваемой схеме отсутствует паразитный входной ток, так как в течение одного полупериода один транзистор находится в состоянии, проводящем ток нагрузки, а другой — в запертом.

К недостаткам схемы следует отнести наличие нелинейного начального участка на характеристике вход—выход фазочувстви­тельного усилителя вследствие нелинейности начальных входных характеристик транзисторов. При работе фазочувствительного уси­лителя на индуктивно-омическую нагрузку напряжение на транзи­сторах может достигать двойной амплитуды напряжения обмотки

W2 или W 2 .

Модуляторы. Модуляторы служат для преобразования посто­янного или «медленно меняющегося» напряжения в переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной мгновенному значе­нию постоянного напряжения. Фаза переменного напряжения моду­лятора определяется полярностью постоянного напряжения и изме­няется на і180° эл. при ее изменении на противоположную. Частота переменного напряжения модулятора задается частотой коммута­ции его переключающих элементов (транзисторов или диодов). Ча­стота коммутирующего напряжения выбирается такой, чтобы за время, равное ее периоду, изменение входного напряжения было незначительным. Практически частота коммутации должна минимум в 10—20 раз превышать частоту изменения полярности напряже­ния входного сигнала. Однако ввиду наличия переходных процес­сов при переключении коммутирующих элементов модулятора, вы­ражающихся в образовании коммутационных выбросов напряжения в нагрузке, повышать частоту выше нескольких килогерц нецеле - сообразно.

Модуляторы, так же как и демодуляторы, можно выполнить на полупроводниковых диодах, транзисторах, либо на сочетании дио­дов с транзисторами. Большинство схем демодуляторов являются обратимыми, т. е. они могут работать в качестве модуляторов. Так, например, демодуляторы, схемы которых изображены на рис 41, 42 и 43, могут быть использованы как модуляторы, если отключить сопротивление нагрузки RB и к зажимам, к которым оно подклю­чено, подать постоянное напряжение.

Модуляторы, выполненные на полупроводниковых диодах, на­пример по кольцевой схеме (рис. 41), обычно используются для преобразования на малых уровнях входного сигнала, поэтому ос­танавливаться на них не будем. Модуляторы, выполненные с ис­пользованием транзисторов, могут обеспечивать преобразование напряжения как малых (доли милливольт), так и больших входных сигналов. Величина последних определяется максимально допусти­мыми параметрами транзисторов.

Рассмотрим применяемую в дальнейшем упрощенную схему модулятора (рис. 44), в которой транзисторы работают в ключевом режиме. Модулятор состоит из двух транзисторов Т и Г2, двух трансформаторов — коммутирующего Тр1 и выходного Тр2 — и двух ограничивающих сопротивлений R'б и /?б.

Предположим, что в первый полупериод коммутирующего на­пряжения открыт транзистор Т2, а Тх заперт под действием напря­жения Uвх, полярность которого обозначена на рис. 44. В этом

Случае ток протекает через открытый транзистор Тч и обмотку W' транзистора Тр2. В следующий полупериод коммутирующего на­пряжения картина изменится на противоположную, т е будет от­крыт транзистор Ті и закрыт Т2, при этом ток будет протекать че­рез открытый транзистор Ті и обмотку Wi. В результате на об­мотках трансформатора Тр2 будет сформировано переменное напряжение, частота которого будет равна частоте коммутации транзисторов.

В рассматриваемой схеме напряжение между эмиттером и кол­лектором, как это следует из рис 44, на котором указаны мгновен­ные полярности обмоток для пепвого полупериода коммутирующего

напряжения, равно двойному значению входного напряжения. Сле­довательно, предельная величина преобразуемого напряжения не должна превышать половины предельно допустимого напряжения транзисторов, используемых в схеме. Этот модулятор может пре­образовывать напряжения постоянного тока обеих полярностей, подаваемые на его вход. Однако мгновенные значения входного напряжения, полярность которого противоположна указанной на рис. 44, не могут превышать мгновенных значений напряжения, приложенного к переходам база — эмиттер при запертом состоянии транзистора. В противном случае запертый транзистор будет от­крываться и режим преобразования нарушится.