Широтно импульсное регулирование: Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция? ⋆ diodov.net

Что такое ШИМ – Широтно-Импульсная Модуляция? ⋆ diodov.net

Рассмотрим, что такое ШИМ или PWM. А также, чем отличается ШИМ от ШИР. Алгоритм широтно-импульсной модуляции применяется для плавного изменения мощности на нагрузке, поступающей от источника питания. Например, с целью регулирования скорости вращения вала двигателя; плавности изменения яркости освещения или подсветки. Отдельной широкой областью применения ШИМ являются импульсные источники питания и автономные инверторы.

Для питания нагрузки часто необходимо изменять величину напряжения, подводимого от источника питания. Принципиально можно выделить два способа регулирования напряжения – линейный и импульсный.

Примером линейного способа может послужить переменный резистор. При этом значительная часть мощности теряется на резисторе. Чем больше разница напряжений источника питания и потребителя, тем ощутимей потери мощности, которая попросту «сгорает» на резисторе, превращаясь в тепло. Поэтому линейный способ регулирования рационально применять только при небольшой разнице входного и выходного напряжений. В противном случае коэффициент полезного действия источника питания в целом будет очень низкий.

В современной преобразовательной технике преимущественно используются импульсное регулирование мощности на нагрузке. Одним из способов реализации импульсного регулирования является широтно-импульсная модуляция ШИМ. В англоязычной литературе PWM – pulse-width modulation.

Принцип импульсного регулирования

Основными элементами любого типа импульсного регулятора мощности являются полупроводниковые ключи – транзисторы или тиристоры. В простейшем виде схема импульсного источника питания имеет следующий вид. Источника постоянного напряжения Uип ключом K подсоединяется к нагрузке Н. Ключ К переключается с определенной частотой и остается во включенном состоянии определенную длительность времени. С целью упрощения схемы я на ней не изображаю другие обязательные элементы. В данном контексте нас интересует только работа ключа К.

Чтобы понять принцип ШИМ воспользуемся следующим графиком. Разобьем ось времени на равные промежутки, называемые периодом T. Теперь, например половину периода мы будем замыкать ключ K. Когда ключ замкнут, к нагрузке Н подается напряжение от источника питания Uип. Вторую часть полупериода ключа находится в закрытом состоянии. А потребитель останется без питания.

Время, в течение которого ключ замкнут, называется временем импульса tи. А время длительности разомкнутого ключа называют временем паузы tп. Если измерить напряжение на нагрузке, то оно будет равно половине Uип.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно выразить следующей зависимостью:

Uср.н = Uип tи/T.

Отношение времени импульса tи к периоду T называют коэффициентом заполнения D. А величина, обратная ему называется скважностью:

S = 1/D = T/tи.

На практике удобнее пользоваться коэффициентом заполнения, который зачастую выражают в процентах. Когда транзистор полностью открыт на протяжении всего времени, то коэффициент заполнения D равен единице или 100 %.

Если D = 50 %, то это означает, что половину времени за период транзистор находится в открытом состоянии, а половину в закрытом. В таком случае форма сигнала называется меандр.
Следовательно, изменяя коэффициент D от 0 до единицы или до 100 % можно изменять величину Uср.н от 0 до Uип:

Uср.н = Uип∙D.

А соответственно регулировать и величину подводимой мощности:

Pср.н = Pип∙D.

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор.
Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция

ШИМ в преобладающем большинстве применяется для формирования сигнала синусоидальной формы. Часто ШИМ применяется для управления работой инверторного преобразователя. Инвертор предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Рассмотрим простейшую схему инвертора напряжения.

В один момент времени открывается пара транзисторов VT1 и VT3. Создается путь для протекания тока от аккумулятора GB через активно-индуктивную нагрузку RнLн. В следующий момент VT1 и VT3 заперты, а открыты диагонально противоположные транзисторы VT2 и VT4. Теперь тока протекает от аккумулятора через RнLн в противоположном направлении. Таким образом, ток на нагрузке изменяет свое направление, поэтому является переменным. Как видно, ток на нагрузке не является синусоидальным. Поэтому применяют ШИМ для получения синусоидально формы тока.

Существует несколько типов ШИМ: однополярная, двухполярная, одностороння, двухсторонняя. Здесь мы не будем останавливаться на каждом конкретном типе, а рассмотрим общий подход.

В качестве модулирующего сигнала применяется синусоида, а опорным является сигнал треугольной формы. В результате сравнивания этих сигналов формируются длительности импульсов и пауз (нижний график), которые управляют работой транзисторов VT1…VT4.

Обратите внимание, что амплитуда напряжения на нагрузке всегда равна амплитуде источника питания. Также остается неизменным период следования импульсов. Изменяется лишь ширина открывающего импульса. Поэтому при подключении нагрузки ток, протекающий через нее, будет иметь синусоидальную форму (показано пунктиром на нижнем графике).

Так вот, основное отличие между ШИР и ШИМ заключается в том, что при широтно-импульсном регулировании время импульса и паузы сохраняют постоянное значение. А при широтно-импульсной модуляции изменяются длительности импульсов и пауз, что позволяет реализовать выходной сигнал заданной формы.

Способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов, содержащих электрические нагревательные элементы. Технический результат заключается в повышении электромагнитной совместимости широтно-импульсного регулятора мощности электрических нагревательных элементов промышленных установок. В способе управления широтно-импульсным регулятором и устройстве для его осуществления, в режиме электроснабжения при нормальном уровне напряжения питания, управление мощностью электрическими нагревательными элементами обеспечивается подключением нагрузки с помощью силовых ключей в течение целого числа полупериодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала многоканального регулятора пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс. Заявленный технический результат достигается тем, что при отсутствии нормального качества электроэнергии в используемой системе электроснабжения, обеспечивается подача на вход селектора сигналов на открытие силовых ключей от блока импульсно-фазового управления, на первый вход которого для синхронизации с фазой питающей сети подано напряжение питания, второй вход соединен с выходом блока задания параметров импульсно-фазового управления силовыми ключами, а третий вход соединен с выходом логического элемента «И», первый вход которого соединен с выходом элемента формирования сигнала по заднему фронту выходного сигнала формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки, а на второй вход поступает сигнал, переводящий устройство в режим повышения электромагнитной совместимости путем ограничения уровня пульсаций выходного напряжения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, и может быть использовано для регулирования температуры различных объектов, содержащих электрические нагревательные элементы, в частности в промышленности переработки термопластичных, полимерно-композитных материалов, резинотехнических и других полимерных материалов для многоканального регулирования температуры зон обогрева экструдеров, автоклавов, сушильных камер, вакуумформовочных и литьевых машин.

При производстве деталей из термопластичных материалов, например, полимерно-композитных материалов в автоклавах, заготовка проходит несколько стадий карбонизации и графитизации, подвергаясь нагреву до заданной температуры при помощи термонагревательных элементов (ТЭН). Для обеспечения оптимального температурного поля, мощность, подводимая к каждому ТЭНу, должна регулироваться в широких пределах при помощи терморегуляторов. Последние, как правило, выполняются на основе полупроводниковых силовых ключей с определенной системой управления.

Из технической литературы (например, Гельман М.В. Тиристорные регуляторы переменного напряжения / М.В. Гельман, С.П. Лохов. – М.: Энергия, 1975. – 104 с.; Поскробко А.А., Братолюбов В.В. Бесконтактные коммутирующие и регулирующие полупроводниковые устройства на переменном токе. – М.: Энергия, 1978. – 192 с.) известны два базовых способа регулирования мощности нагрузки: фазоимпульсное и широтно-импульсное управление силовыми ключами с естественной коммутацией.

Фазоимпульсное управление тиристорным регулятором заключается в изменении во времени момента включения тиристорного ключа относительно момента перехода питающего напряжения через нуль. Недостатками этого способа являются:

– ток, подаваемый в нагрузку, может скачком изменяться от нуля до максимума в зависимости от прикладываемого в данный момент времени напряжения, что уменьшает надежность работы нагрузки;

– все регуляторы с фазоимпульсным регулированием являются источниками промышленных помех.

Данных недостатков лишен широтно-импульсный способ управления регулятором переменного напряжения, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа периодов питающего напряжения. Он имеет различные вариации по алгоритму формирования количества интервалов подключения и отключения нагрузки. Так, известен способ управления (например, описанный в а.с. №1001429, МПК Н02Р 13/16), в котором с целью расширения функциональных возможностей регулятора, устанавливают интервалы отключенного состояния нагрузки, неизменными и равными периоду питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки составляет определенное количество периодов питающего напряжения, пропорциональное заданному уровню напряжения на нагрузке, а период импульсного регулирования на каждом интервале регулирования устанавливают не более 20 мс.

Однако этот способ имеет существенный недостаток. При многоканальном регулировании мощности переменного напряжения невозможно одновременное регулирование мощности сразу всех каналов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройство для его осуществления, описанные в выбранном в качестве прототипа, патенте №2228538 РФ (RU 2228538 С2, В.В. Постнов, Н.П. Сабельников, И.В. Грязнов, Р.А. Шарапов, А.Г. Витковский, М.И. Хабибуллин; Федеральное государственное унитарное предприятие «Производственное объединение «Завод им. Серго» – подача заявки: 2002-02-19, публикация патента: 10.05.2004).

В нем управление мощностью инерционных нагрузок обеспечивают подключением нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала многоканального регулятора пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, а интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, причем период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс.

Недостатком такого устройства является формирование существенных колебаний напряжения сети (например, когда мощность электрических нагревательных элементов соизмерима с установленной мощностью питающего трансформатора), что негативно влияет на работу параллельно работающего силового электрооборудования и систем управления.

Изобретение направлено на повышение электромагнитной совместимости широтно-импульсного регулятора мощности электрических нагревательных элементов промышленных установок.

Указанный технический результат достигается за счет формирования определенной последовательности широтно-импульсного и фазоимпульсного управления, позволяющей повысить электромагнитную совместимость регулятора путем сглаживания колебаний напряжения сети и, тем самым, обеспечить снижение потерь электроэнергии в параллельно подключенных асинхронных двигателях и увеличение их срока службы.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма, поясняющая базовый способ управления широтно-импульсным многоканальным регулятором переменного напряжения при интервале отключенного состояния нагрузки для всех каналов, равном 5 периодам (m=5Т) генератора импульсного регулирования.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы регулируемой мощности Р и фазного напряжения Uф, поясняющие предлагаемый способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения для варианта одного канала при интервале отключенного состояния нагрузки m=5Т, при 3 интервалах включенного состояния нагрузки (k=3Т) и 2 интервалах фазоимпульсного регулирования (p=2Т).

На фиг. 4 представлены диаграммы имитационного моделирования напряжения и тока ТЭН, а также параллельно включенного с ним асинхронного двигателя при m=2Т, k=8Т, p=0Т.

На фиг. 5 представлены диаграммы имитационного моделирования напряжения и тока ТЭН, а также параллельно включенного с ним асинхронного двигателя при m=5Т, k=3Т, p=2Т.

В качестве примера, интервал подключенного состояния нагрузки выбран равным 10 периодам импульсного регулирования, причем для каждого канала регулирования количество периодов импульсного регулирования может быть различно и выбрано от 0 до 10. Интервал отключенного состояния нагрузки одинаков для всех каналов и регулируется в широких пределах, например, от 9 до 0, а интервал фазоимпульсного регулирования может варьироваться от 2 до 4.

Обозначения на схеме: генератор импульсного регулирования 1, формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2, задатчик интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3, формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4, многоканальный селектор подключенного состояния нагрузки 5, многоканальный силовой ключ 6, многоканальная нагрузка 7, табло индикации режима многоканальной нагрузки 8, блок импульсно-фазового управления 9, логический элемент «И» 10, элемент формирования сигнала по заднему фронту 11, блок задания параметров импульсно-фазового управления силовыми ключами 12 (фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

При нормальном качестве электроэнергии в системе электроснабжения (отклонения напряжения питания Uc не превышают нормированные ±10% номинального значения), на втором входе логического элемента «И» 10 отсутствует сигнал Up, соответственно – отсутствуют сигналы на его выходе и на выходе блока импульсно-фазового управления 9. Генератор импульсного регулирования 1 вырабатывает импульсы напряжения с периодом следования импульсов не менее 20 мс, не синхронизированные с фазой питающей сети и амплитудой, достаточной для работы электронной схемы, которые подаются на формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 и формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки 4. Сигнал с выхода задатчика интервала отключенного состояния нагрузки 3 подается на другой вход формирователя интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2. При помощи задатчика производится выбор интервалов отключенного состояния нагрузки для всех n каналов. Формирователь интервалов отключенного состояния нагрузки на n каналов 2 вырабатывает импульс, длительность которого при помощи задатчика интервала отключенного состояния нагрузки на n каналов 3 может быть выбрана в пределах от 0 до m. Этот импульс подается на вход формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки 4 и в интервале отключенного состояния нагрузки блокирует выработку интервалов подключенного состояния нагрузки. Далее формирователь интервалов 4 вырабатывает интервалы подключенного состояния нагрузки, которые подаются на n-канальный селектор подключенного состояния нагрузки 5. При помощи n-канального селектора для каждого канала производится выбор одного из интервалов в диапазоне от 0 до k интервалов, которые подаются на n-канальный силовой ключ 6 (фиг. 2). С выхода n-канального силового ключа 6 в момент времени, когда напряжение переходит через нуль, сигнал подается в многоканальную нагрузку 7 и на табло индикации режима многоканальной нагрузки 8.

При отсутствии нормального качества электроэнергии в системе электроснабжения (отклонения напряжения питания Uc превышают нормированные ±10% номинального значения), на второй вход логического элемента «И» 10 от оператора (ручной режим) или от средств автоматики (автоматический режим) приходит разрешающий сигнал Up в виде логической единицы. Блоки 1-6 системы управления регулятора напряжения реализуют широтно-импульсное управления мощностью всех каналов аналогично выше описанному. При этом после каждого интервала подключенного состояния нагрузки с помощью силовых ключей 6, с выходом элемента 11 поступает сигнал на вход логического элемента «И», на его выходе появляется разрешающий сигнал запуска блока импульсно-фазового управления 9, на второй и третий входы которого поступают сигналы синхронизации с фазой питающей сети Uc и от блока 12 задания параметров (количество полных периодов и фазовые углы) импульсно-фазового управления. Благодаря чему реализуется дополнительное (после основного интервала включенного состояния нагрузки) фазовое включение силовых ключей 6 в течение дополнительного «пакета» из 2-4 периодов питающего напряжения во всем диапазоне регулирования, обеспечивающее ступенчатое снижении электрической мощности Р, передаваемой на нагрузку 7 (фиг. 3). Для этого блок 12 формирует задание фазовых углов открытия силовых ключей 6 с нарастающим уровнем. Например, с минимальным искажением формы напряжения, целесообразно, при использовании четырех полных периодов импульсно-фазового управления, формировать фазовые углы в диапазоне 15-60, 120-165 градусов (на фиг. 3, для примера, показана реализация дополнительного «пакета» из двух периодов p=2Т, с фазовыми углами α=60 и α=120 градусов). При помощи табло индикации режима многоканальной нагрузки 8 производится контроль за работой всего устройства в целом, а также за состоянием каждой из нагрузок в отдельности.

Такой способ управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения с применением импульсно-фазового управления позволяет, в случае, когда работа регулятора в режиме широтно-импульсной модуляции сопровождается существенными субгармоническими колебаниями напряжения, повысить его электромагнитную совместимость.

Системы электроснабжения многих промышленных предприятий (кроме вновь построенных и спроектированных с резервами по потребляемой мощности на перспективу развития) являются дефицитными, не имеющими больших запасов установленной мощности. В подобных случаях, функционирование в цехах электротермических установок с большим потреблением электроэнергии и использующих для регулирования мощности способ широтно-импульсного управления силовыми ключами, сопровождается существенными субгармоническими колебаниями сетевого напряжения. Величина отклонений напряжения от номинального значения, в основном, зависит от соотношения мощности электротермической нагрузки и мощности цехового трансформатора. Когда эти отклонения превышают нормированные (ГОСТ 32144 – 2013) ±10% от номинального напряжения, начинает проявляться негативное влияние широтно-импульсного регулятора напряжения электротермической нагрузки на другие потребители электроэнергии, запитанные от одного цехового трансформатора. Как правило, самым распространенным типом параллельно подключенных потребителей, являются асинхронные двигатели. Периодические понижения напряжения питания отрицательно влияют на развиваемый ими момент и, следовательно, на их производительность (Жежеленко И. В., Саенко Ю.Л., Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, Ю.Л. Саенко // Изд-е 3-е. М.: Энергоатомиздат, 2000 – 254 с.). Но наибольшую проблему для эффективной работы асинхронных двигателей представляют периодические повышения напряжения питания (они происходят в конце каждого интервала подключенного состояния электротермической нагрузки), реализующие эффект постоянных мини пусковых режимов. Как известно, прямой пуск асинхронного двигателя всегда сопровождается большими пусковыми токами и большими дополнительными потерями электроэнергии. В случае рассматриваемых выше субгармонических колебаний напряжения питания, эффект будет не столь значителен, но все же существенен с точки зрения вопросов снижения «пусковых» потерь в асинхронных электродвигателях и повышения их сроков службы. Эти вопросы достаточно просто решаются дискретным приращением, в конце каждого интервала подключенного состояния электротермической нагрузки, дополнительного «пакета» фазоуправляемого подключенного состояния нагрузки на 2-4 периода напряжения сети. Причем фаза углов открытия силовых ключей формируется по возрастающему принципу. Например, для «пакета» из четырех периодов – 15,60, 120,165 градусов. Данные фазовые углы формируют минимальные искажения формы тока и напряжения. При этом реализуется ступенчатое (близкое к плавному) понижение передаваемой на нагрузку мощности и, близкое к плавному, повышение напряжения питания в конце каждого интервала подключенного состояния нагрузки. Такое управление силовыми ключами приводит к существенному снижению значений фазных токов асинхронного двигателя в переходных режимах, возникающих при периодических повышениях напряжения питания.

Для количественной оценки эффекта от реализации предложенного способа управления широтно-импульсным регулятором переменного напряжения и устройства для его осуществления, на фиг. 4. 5 проведены результаты имитационного моделирования в пакете «Matlab+Simulink», для конкретного промышленного объекта по производству полимерно-композитных материалов (автоклав D-48653 фирмы SCHOLZ, содержащий два блока ТЭН, мощностью по 287 кВт, параллельно подключенный асинхронный двигатель вентилятора мощностью 45 кВт; цеховой трансформатор ТМ-630/10). Из диаграмм напряжения и тока очевидна существенная (10-15%) просадка напряжения на асинхронном двигателе (АД) при периодическом подключении ТЭН (фиг. 4). Полученные, в результате имитационного моделирования, уровни просадки напряжения хорошо коррелируются с натурными замерами в цехе производства ПКМ. Этот процесс сопровождается пульсациями фазного тока статора с 1,5-2,5 кратным перерегулированием по амплитуде, что приводит к увеличению дополнительных потерь в двигателе на 10-25%. При реализации предложенного способа управления регулятором, происходит сглаживание пульсаций напряжения питания двигателя при 1,1-1,6 кратном перерегулировании токов статора, и уменьшение дополнительных потерь электроэнергии в асинхронном двигателе до 6-15% (фиг. 5).

Предлагаемое техническое решение является промышленно-применимым, реализация планируется на Московском машиностроительном заводе «Авангард» с целью повышения эффективности работы автоклавных установок.

1. Способ управления мощностью инерционных нагрузок для широтно-импульсного многоканального регулирования переменного напряжения, заключающийся в подключении и отключении нагрузки в течение целого числа полупериодов питающего напряжения, причем количество полупериодов подключенного состояния нагрузки каждого канала пропорционально уровню мощности на нагрузке, интервал подключенного состояния нагрузки каждого канала регулирования составляет не менее 10 периодов импульсного регулирования, период импульсного регулирования устанавливают не менее 20 мс, а интервал отключенного состояния нагрузки устанавливают одинаковым для всех каналов и регулируемым в диапазоне регулирования, отличающийся тем, что с целью повышении электромагнитной совместимости регулятора переменного напряжения при отсутствии нормального качества электроэнергии в его системе электроснабжения, после каждого интервала подключенного состояния нагрузки каналов регулирования, формируют импульсно-фазовое управление силовых ключей в течение 2-4 периодов питающего напряжения, обеспечивающее ступенчатое снижении электрической мощности, передаваемой на нагрузку каждого канала, а для минимизации искажений формы напряжения, устанавливают фазовые углы управление силовых ключей в диапазоне 15-60, 120-165 градусов.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее формирователь интервалов подключенного состояния нагрузки, входом подключенный к выходу генератора импульсного регулирования, а выходом к входам многоканального селектора интервалов подключенного состояния нагрузки, соединенного с многоканальным силовым ключом, выходом, подключенным к нагрузке, снабженное последовательно соединенными задатчиком интервалов отключенного состояния нагрузки и формирователем интервалов отключенного состояния нагрузки всех каналов, входом, подключенным к выходу генератора импульсного регулирования, а выходом – ко второму входу формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки, снабженное таблом индикации режима многоканальной нагрузки, входом, подключенным к выходам многоканального силового ключа, а задатчик интервалов отключенного состояния нагрузки и многоканальный селектор подключенного состояния нагрузки выполнены на многопозиционных переключателях, отличающееся тем, что вход селектора сигналов управления силовыми ключами соединен с выходом дополнительного блока импульсно-фазового управления, на первый вход которого для синхронизации с фазой питающей сети подано напряжение питания, второй вход соединен с выходом дополнительного блока задания параметров импульсно-фазового управления силовыми ключами, а третий вход соединен с выходом дополнительного логического элемента «И», первый вход которого соединен с выходом дополнительного элемента формирования сигнала по заднему фронту выходного сигнала формирователя интервалов подключенного состояния нагрузки, а на второй вход поступает сигнал, переводящий устройство в режим повышения электромагнитной совместимости за счет сглаживания пульсаций выходного напряжения.

Характеристики широтно-импульсной модуляции и влияние частоты и коэффициента заполнения

Ключевые выводы

●     Узнайте о широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

●     Получите более полное представление о ШИМ как методе управления.

●     Получите лучшее представление о влиянии рабочего цикла и частоты в ШИМ.

 

Средний выходной сигнал широтно-импульсной модуляции на входе.

В электронике модуляция — это применение контролирующего или изменяющего воздействия на что-либо. Мы также называем это изменением высоты тона, силы или тона частоты, как в человеческом голосе.

Однако с точки зрения приложений мы обычно сталкиваемся с методами модуляции, используемыми для управления такими устройствами, как двигатели постоянного тока или светодиоды. В таких случаях метод называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Методы широтно-импульсной модуляции

Как указывалось ранее, модуляция относится к способности осуществлять контроль над устройством или системой. Таким образом, подобные методы существуют во множестве приложений в области электроники. Одним из наиболее распространенных применений модуляции в качестве метода управления является ШИМ.

Мы сталкиваемся с широким использованием ШИМ из-за его адаптивного характера. ШИМ — это метод, который снижает среднюю мощность подаваемого электрического сигнала. Более того, этот процесс достигается за счет эффективного разделения сигнала на отдельные части. С точки зрения функциональной работы ШИМ обеспечивает этот контроль, контролируя средний ток и напряжение, которые он подает на нагрузку. Этот метод достигается путем быстрого включения и выключения переключателя между нагрузкой и источником.

Однако, если мы сравним периоды включения и выключения переключателя, увеличение времени включения по сравнению со временем выключения увеличивает общую мощность, подаваемую на нагрузку.

В общем, этот метод управления имеет много полезных применений. Например, ШИМ в сочетании с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT) является одним из основных методов снижения выходной мощности солнечной панели для облегчения ее использования батареей.

Частота широтно-импульсной модуляции

В целом, ШИМ в основном подходит для работы инерционных устройств, таких как двигатели, на которые не так быстро влияет это явное переключение. Это в равной степени относится и к светодиодам с ШИМ из-за линейного характера влияния входного напряжения на их функциональность. Однако частота переключения ШИМ должна быть достаточно высокой, чтобы не влиять на нагрузку, а результирующий сигнал, воспринимаемый нагрузкой, также должен быть плавным.

Как правило, частота, с которой должен переключаться источник питания, сильно различается в зависимости от устройства и области его применения. Например, в электрической плите переключение должно производиться несколько раз в минуту, а для блоков питания ПК и аудиоусилителей — до десятков и сотен кГц. Одним из существенных преимуществ использования ШИМ является то, что потери мощности в коммутационных устройствах существенно низки. Фактически, в выключенной фазе переключателя ток практически отсутствует. Также в фазе включения коммутатора практически отсутствует падение напряжения на коммутаторе при передаче мощности на его нагрузку.

Поскольку потеря мощности является следствием как напряжения, так и тока, это приводит к практически нулевой потере мощности для ШИМ. Кроме того, ШИМ идеально подходит для цифрового управления из-за природы цифровой технологии (т. Е. 1 и 0 или состояния ВКЛ и ВЫКЛ). В общем, внутренняя природа цифровых технологий легко поддается функциональности ШИМ, и, таким образом, можно легко установить необходимый рабочий цикл.

Характеристики ШИМ

Сигнал ШИМ — это метод создания цифровых импульсов для управления аналоговыми цепями. Есть два основных компонента, которые определяют поведение ШИМ-сигнала:

• Рабочий цикл : Рабочий цикл — это часть одного периода, когда система или сигнал активны. Обычно мы выражаем рабочий цикл в виде отношения или процента. Период — это время, за которое сигнал завершает полный цикл включения-выключения.

• Частота : Скорость, с которой что-то повторяется или происходит в течение определенного периода времени. Другими словами, скорость, с которой происходит вибрация, создающая волну, например звуковую, радио- или световую, обычно рассчитывается в секунду.

Что касается коэффициента заполнения, когда уровень сигнала высокий, мы называем его включенным, а рабочий цикл описывает количество времени, в течение которого сигнал находится во включенном состоянии. Мы измеряем или количественно определяем рабочий цикл в процентах. Этот процент представляет собой конкретное время, в течение которого цифровой сигнал включен в течение периода (интервала), и этот интервал является обратным значением частоты сигнала.

Например, цифровой сигнал, который половину времени проводит во включенном состоянии и половину времени в выключенном состоянии, будет иметь коэффициент заполнения 50 %, т. е. идеальную прямоугольную волну. Цифровой сигнал, который проводит три четверти времени во включенном состоянии и одну четверть времени в выключенном состоянии, будет иметь рабочий цикл 75%.

Характеристики ШИМ Продолжение

Мы обсудили широкий спектр приложений, которые идеально подходят для функциональных возможностей ШИМ, включая светодиоды и двигатели (сервоприводы). Поскольку частота является основным компонентом метода ШИМ, понятно, что частота влияет на способность ШИМ осуществлять управление в приложении. Следовательно, частота прямоугольных импульсов должна быть достаточно высокой, например, для управления светодиодами, чтобы получить надлежащий эффект затемнения.

Например, рабочий цикл 20% при частоте 1 Гц будет заметен человеческому глазу, когда светодиод выключается и снова включается. Принимая во внимание, что рабочий цикл 20% при частоте 100 Гц или выше просто будет демонстрировать немного менее тусклый световой поток.

Я уверен, вы знаете, что мы можем использовать ШИМ для управления двигателями (сервоприводами). Мы также можем использовать его для управления углом серводвигателя. С точки зрения приложений это выгодно, когда мы прикрепляем его к механическому устройству, такому как роботизированная рука, в сборочной или производственной среде. Это идеально, потому что в сервоприводе используется вал, который поворачивается в определенное положение в зависимости от его линии управления.

Частота ШИМ

Частота или период зависят от управления конкретным сервоприводом. Как правило, серводвигатель ожидает обновления каждые 20 мс с импульсом от 1 мс до 2 мс. Это соответствует рабочему циклу от 5% до 10% при 50 Гц. Теперь, если импульс составляет 1,5 мс, серводвигатель будет на 90 градусов, 1 мс 0 градусов и 2 мс 180 градусов. Таким образом, обновив сервопривод со значением от 1 мс до 2 мс, мы можем получить полный диапазон движения.

ШИМ также в настоящее время используется в некоторых системах связи, и его рабочий цикл используется для передачи информации по каналам связи.

В целом, ШИМ — это методология или техника генерации низкочастотных выходных сигналов из высокочастотных импульсов.

При быстром переключении выходного напряжения ветви инвертора между верхним и нижним напряжениями (шина постоянного тока) низкочастотное выходное напряжение в основном становится средним напряжением за период переключения.

ШИМ как метод управления идеально подходит для широкого круга приложений. Наряду со своим рабочим циклом частота ШИМ является основой его функциональности в качестве метода управления.

Синусоида с ШИМ.

Для разработки функциональных схем, использующих широтно-импульсную модуляцию, необходимо иметь подходящее программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат, которое поможет вам сделать все правильно с первого раза. OrCAD от Cadence — это одно из таких программ с набором надежных инструментов, которые помогут вам в проектировании всех ваших печатных плат.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Чтобы посмотреть видео по связанным темам или узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа, подпишитесь на наш канал YouTube.

 

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Что такое ШИМ и как он работает?

*Обновлено 3 октября 2019 г. *

Возможность управления скоростью вращения вентилятора и бесшумной работы не всегда присутствовала, когда речь шла о персональных компьютерах. Ранние компьютеры x86 не имели активного охлаждения, потому что выделялось мало тепла, вплоть до появления первых моделей 486. С того времени и до сих пор энергопотребление и тепловыделение компьютеров росли в геометрической прогрессии, как и их производительность.

Начиная с самых первых процессоров Pentium, заявленных с TDP 7 Вт, и вплоть до современного процессора AMD FX 9590 с номиналом 220 Вт, охлаждение также имело свой эволюционный путь. TDP расшифровывается как «Расчетная тепловая мощность» и представляет собой максимальное количество тепла, выделяемого процессором. Если вы наткнулись на аббревиатуру, которую не понимаете, загляните на нашу страницу «Глоссарий жидкостного охлаждения», и вы, возможно, найдете правильный ответ!

4-контактный разъем PWM может автоматически контролировать скорость ваших вентиляторов и насосов.

Ранние самодельные контроллеры вентиляторов использовали простой «вольтмод», выбирая 5, 7 или 12 В от классического разъема Molex. За этим последовало использование обычных резисторов для замедления вентиляторов, вентиляторов, оснащенных терморезисторами, различных потенциометров для ручного управления скоростью в широком диапазоне и т. д.

Но в настоящее время, если вы хотите контролировать скорость своих вентиляторов и , ШИМ-управление – это путь. Каждая основная материнская плата, покидающая завод сегодня, оснащена как минимум одним 4-контактным разъемом ШИМ. Материнские платы высокого класса предлагают 4-6 или даже больше таких 4-контактных разъемов вентилятора/насоса, а система ШИМ является очень эффективным и интеллектуальным способом управления вентиляторами. Однако даже сегодня, спустя много лет после появления ШИМ в 2003 году, есть пользователи, которые до сих пор не знакомы с его преимуществами. И что еще хуже, есть серьезные компании, которые производят продвинутые и хорошо спроектированные вентиляторы со старомодными 3-контактными разъемами.

Поэтому мы объясним, что такое ШИМ на самом деле, как он управляет скоростью вращения вентиляторов и насосов, а также покажем вам пример профиля ШИМ в одном из программ, предоставляемых производителями материнских плат.

По количеству проводов — контактов, которые есть у вентилятора — можно выделить три основных типа соединений. Вентиляторы с двумя проводами имеют только плюс и минус (земля) и все. Второй тип имеет три провода; два для питания вентилятора и один, который несет так называемый «тах» или тахометрический сигнал (по-английски: провод, который дает показания текущей скорости вращения вентилятора). По этому третьему проводу посылается сигнал с определенной частотой, которая пропорциональна скорости вращения вентилятора, выраженной в RPM (оборотов в минуту). Третий тип вентиляторов, использующих четыре провода, — это вентиляторы с ШИМ, о них и пойдет речь в этой статье, наряду с помпами с ШИМ.

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или широтно-импульсная модуляция — широко распространенный термин в мире электротехники. Он имеет широкий спектр применения, например, в области телекоммуникаций, звукового оборудования, серводвигателей и т. д. Нас, энтузиастов, интересует применение ШИМ в регулировании напряжения. Если вы следили за нашей недавней статьей в блоге о MOSFET и VRM, вы знаете, о чем мы говорим. Некоторые из вас наверняка уже знают, по какому принципу работает широтно-импульсная модуляция (ШИМ), но тем не менее мы объясним, как она на самом деле управляет скоростью вращения вентилятора или помпы.

Короче говоря, ШИМ работает как переключатель, который постоянно включается и выключается, тем самым регулируя мощность, которую получает двигатель вентилятора или насоса. Система ШИМ, которая используется для управления вентиляторами и насосами, работает с двигателем, получая либо +12 В (полная мощность), либо 0 В (без питания). Чтобы лучше понять, как это работает, взгляните на диаграмму ниже.

Итак, на двигатель подаются импульсы мощности. Представьте это так же, как если бы вы крутили колесо рукой. Вы можете толкать колесо каждые 5 секунд с одинаковой силой, и оно будет продолжать вращаться. Вы также можете ускорить интервал, когда вы нажимаете на колесо; скажем, вы подталкиваете его каждые 3 секунды. В этом случае вы заметите, что колесо вращается немного быстрее, и почти так же, как работает широтно-импульсная модуляция. Скорость двигателя, т. е. вентилятора или насоса, определяется шириной ШИМ-сигнала — продолжительностью времени, в течение которого он включен.

Как видно из приведенной выше диаграммы, рабочий цикл 10 % дает всего несколько импульсов мощности за определенный период времени, что означает, что двигатель будет вращаться медленно, а рабочий цикл 100 % означает, что вентилятор/насос будет работать с полная скорость, постоянно включенный.

Важно знать, что здесь не используется регулировка напряжения, а при использовании ШИМ-регулирования на двигатель постоянно подается 12 вольт. По этой причине 4-контактный разъем материнской платы следует использовать только для одного вентилятора или, в конечном итоге, для двух с помощью Y-разветвителя. Помпы с водяным охлаждением имеют значительно большее энергопотребление, поэтому питание в основном подключается к разъему molex, а два других провода тача и ШИМ подключаются к разъему материнской платы для ШИМ-управления и считывания скорости.

Если ШИМ-сигнал отсутствует, почти все вентиляторы будут работать на 100% мощности, тогда как большинство насосов, используемых в водяном охлаждении, будут работать на некоторой средней скорости. Это означает, что если вы хотите запустить насос на полную мощность, вам нужно подключить его к ШИМ-сигналу, который установлен на 100% рабочий цикл.

Вентиляторы более высокого качества имеют свои собственные специальные микросхемы драйвера ИС внутри ступицы двигателя, которые генерируют наклонный ШИМ-сигнал вместо плоского прямоугольного. Плоские прямоугольные сигналы имеют тенденцию создавать неприятные щелчки, когда вентилятор работает на низких скоростях. Внезапное повышение мощности при подаче на двигатель +12 вольт приводит к рывкам ротора, что в некоторых случаях создает щелкающий звук. Использование специальных интегральных схем обеспечивает более мягкое включение двигателя при каждом подаче импульса. Это не то, что вам действительно нужно знать, но здесь вы поймете, почему качественные вентиляторы PWM стоят немного дороже.

Почему ШИМ так важен? Ну, почти все вентиляторы «умирают» при понижении напряжения ниже 5В, но с ШИМ-управлением вентиляторы могут достигать очень низких рабочих скоростей в 300-600 об/мин. Они не умирают буквально; они просто отключаются и перестают крутиться, и именно поэтому зачастую заявленный диапазон скоростей вращения вентилятора может быть достигнут только при использовании ШИМ-регулирования. На этих скоростях вентиляторы абсолютно бесшумны, а некоторые вентиляторы можно даже полностью отключить с помощью ШИМ-регулирования. Еще одна очень интересная особенность ШИМ-регулирования заключается в том, что вы можете использовать один ШИМ-сигнал для управления всеми вашими вентиляторами. Поскольку на вентиляторы постоянно подается 12 вольт, можно использовать специальные разветвители концентраторов вентиляторов, которые будут посылать один ШИМ-сигнал на все подключенные вентиляторы или даже помпы. Таким образом, все ваши вентиляторы и насосы будут работать в гармонии.

Давайте взглянем на некоторые программы, которые производители материнских плат предоставляют для регулирования ШИМ. Почти каждый производитель материнских плат очень серьезно относится к регулированию ШИМ, и поэтому у нас есть очень подробные настройки, что действительно хорошо. Все ваши компоненты, производящие шум, можно поддерживать на низких скоростях, и вы можете настроить кривую рабочего цикла ШИМ в соответствии с показаниями температуры. В приведенном выше примере Gigabyte EasyTune профиль PWM настроен на работу вентиляторов примерно на 55% скорости при температуре процессора 60°C или ниже. Когда температура достигает 70°C, вентиляторы ускоряются до 100% рабочего цикла. Простой и очень эффективный способ получить бесшумный компьютер, конечно, если у вас есть качественные PWM-вентиляторы и качественные PWM-насосы.

Все продукты EK, например, вентиляторы и насосы, имеют функцию PWM, и вам просто нужно найти следующий значок в нашем магазине! 🙂

Узнайте больше о продуктах EK

Посетите магазин EK

Просмотрите наши высокопроизводительные линейки продуктов Quantum, Lignum и Classic, комплекты и аксессуары.