PWM naudojimas kaip perjungimo technika
Impulsų pločio moduliacija (PWM) yra dažniausiai naudojama technika, skirta paprastai valdyti nuolatinę elektros energiją elektros prietaisui, praktiška šiuolaikinių elektroninių maitinimo jungiklių pagalba. Tačiau jis taip pat randa savo vietą AC smulkintuvuose. Vidutinę į apkrovą tiekiamos srovės vertę kontroliuoja jungiklio padėtis ir jo būsenos trukmė. Jei jungiklio įjungimo laikotarpis yra ilgesnis, palyginti su jo išjungimo periodu, apkrova gauna palyginti didesnę galią. Taigi PWM perjungimo dažnis turi būti greitesnis.
Paprastai perjungimas turi būti atliekamas keletą kartų per minutę elektrinėje viryklėje, 120 Hz - lempos reguliatoriuje, nuo kelių kilohercų (kHz) iki dešimčių kHz varikliui. Garso stiprintuvų ir kompiuterių maitinimo šaltinių perjungimo dažnis yra nuo maždaug dešimties iki šimtų kHz. ON laiko ir impulso laiko santykis yra žinomas kaip darbo ciklas. Jei darbo ciklas yra mažas, tai reiškia mažą galią.
Elektros energijos nuostoliai perjungimo įtaise yra labai maži dėl beveik nereikšmingo srovės kiekio, tekančio įrenginio išjungties būsenoje, ir nereikšmingo įtampos kritimo jo išjungties būsenoje. Skaitmeniniai valdikliai taip pat naudoja PWM techniką. PWM taip pat buvo naudojamas tam tikrose ryšių sistemose, kuriose jos darbo ciklas buvo naudojamas informacijai perduoti ryšių kanalu.
PWM gali būti naudojamas sureguliuoti bendrą į apkrovą atiduodamos energijos kiekį be nuostolių, kurie paprastai patiriami, kai energijos perdavimas yra ribojamas varžinėmis priemonėmis. Trūkumai yra pulsacijos, apibrėžtos darbo ciklo, perjungimo dažnio ir apkrovos savybių. Esant pakankamai aukštam perjungimo dažniui ir prireikus naudojant papildomus pasyvius elektroninius filtrus, impulsų traukinį galima išlyginti ir atkurti vidutinę analoginę bangos formą. Aukšto dažnio PWM valdymo sistemas galima lengvai įdiegti naudojant puslaidininkinius jungiklius.
Kaip jau buvo minėta aukščiau, jungiklis beveik neišskiria energijos nei įjungimo, nei išjungimo būsenoje. Tačiau perėjimo tarp įjungimo ir išjungimo būsenų metu įtampa ir srovė nėra nuliniai, todėl jungikliuose išsklaidoma didelė galia. Laimei, būsenos pasikeitimas tarp visiškai įjungto ir visiškai išjungto yra gana greitas (paprastai mažiau nei 100 nanosekundžių), palyginti su įprastu įjungimo ar išjungimo laiku, todėl vidutinis energijos išsisklaidymas yra gana mažas, palyginti su tiekiama energija, net kai gaunami aukšti perjungimo dažniai yra naudojami.
PWM naudojimas norint įkelti nuolatinę energiją
Didžiąją dalį pramoninio proceso reikia vykdyti pagal tam tikrus parametrus, susijusius su pavaros greičiu. Elektrinės pavaros sistemoms, naudojamoms daugelyje pramonės sričių, reikia didesnio našumo, patikimumo, kintamo greičio dėl to, kad ją lengva valdyti. The nuolatinės srovės variklio greičio valdymas yra svarbus taikymuose, kur svarbiausia yra tikslumas ir apsauga. Variklio greičio reguliatoriaus paskirtis yra priimti reikiamą greitį rodantį signalą ir važiuoti tokiu greičiu.
Impulso pločio moduliacija (PWM), kaip tai taikoma variklio valdymui, yra būdas energijai perduoti per impulsus, o ne nuolat kintantį (analoginį) signalą. Didindamas arba mažindamas impulso plotį, valdiklis reguliuoja energijos srautą į variklio ašį. Paties variklio induktyvumas veikia kaip filtras, kuris kaupia energiją „ON“ ciklo metu, o atleidžia jį greičiu, atitinkančiu įvesties arba atskaitos signalą. Kitaip tariant, energija į apkrovą teka ne tiek perjungimo dažniu, kiek etaloniniu dažniu.
Grandinė naudojama valdyti greitį Nuolatinės srovės variklis naudojant PWM techniką. Serijos kintamo greičio nuolatinės srovės variklio valdiklis 12V naudoja 555 laikmačio IC kaip PWM impulsų generatorių, kuris reguliuoja variklio greitį DC12 voltų. IC 555 yra populiarus laikmačio lustas, naudojamas laikmačio grandinėms gaminti. Ją 1972 m. Pristatė „Signetikai“. Jis vadinamas 555, nes viduje yra trys 5 K rezistoriai. IC sudaro du lygintuvai, rezistoriaus grandinė, „Flip Flop“ ir išėjimo pakopa. Jis veikia 3 pagrindiniais režimais - stabilus, monostabilus (kai veikia vieno kadro impulsų generatoriumi ir „bistable“ režimu. Tai yra, kai jis suveikia, išėjimas tam tikrą laiką eina aukštai, atsižvelgiant į laiko rezistoriaus ir kondensatoriaus vertes. „Astable mode“ (AMV), IC veikia kaip laisvai veikiantis multivibratorius. Išėjimas nuolat sukasi aukštai ir žemai, kad pulsuojantis išėjimas būtų generuojamas kaip osciliatorius. „Bistable“ režime, dar vadinamame „Schmitt“ trigeriu, IC veikia kaip „Flip-Flop“ su aukštu arba mažas kiekvieno paleidiklio išėjimas ir atstatymas.
Šioje grandinėje naudojama IRF540 MOSFET. Tai N kanalo patobulinimo MOSFET. Tai pažangios galios MOSFET, sukurtas, išbandytas ir garantuotas, kad atlaikys nurodytą energijos lygį avarijos lavinos veikimo režimu. Ši galia MOSFET yra skirta tokioms programoms kaip reguliatorių perjungimas, perjungimo keitikliai, variklių tvarkyklės, relių tvarkyklės ir didelės galios bipolinių perjungimo tranzistorių, kuriems reikalingas didelis greitis ir maža vartų pavaros galia, tvarkyklės. Šiuos tipus galima valdyti tiesiogiai iš integrinių grandynų. Šios grandinės darbinę įtampą galima reguliuoti atsižvelgiant į varomo nuolatinės srovės variklio poreikius. Ši grandinė gali veikti nuo 5-18 VDC.
Virš grandinės t.y. Nuolatinės srovės variklio greičio valdymas PWM technika keičia darbo ciklą, kuris savo ruožtu kontroliuoja variklio greitį. „IC 555“ yra prijungtas laisvai veikiančiu stabilaus režimo daugiafunkciniu vibratoriumi. Kontūrą sudaro potenciometro ir dviejų diodų išdėstymas, kuris naudojamas darbo ciklui pakeisti ir dažniui palaikyti. Kadangi kintamo rezistoriaus ar potenciometro varža yra įvairi, impulsų, veikiamų MOSFET, veikimo ciklas skiriasi ir atitinkamai variklio nuolatinė galia kinta, taigi jo greitis didėja, didėjant darbo ciklui.
PWM naudojimas kintamajai energijai tiekti
Šiuolaikiniai puslaidininkiniai jungikliai, tokie kaip MOSFET ar izoliuotų vartų bipoliniai tranzistoriai (IGBT), yra gana idealūs komponentai. Taigi galima sukurti didelio efektyvumo valdiklius. Dažniausiai keitiklių, naudojamų kintamosios srovės varikliams valdyti, efektyvumas yra didesnis nei 98%. Dėl mažo išėjimo įtampos komutacinių maitinimo šaltinių efektyvumas yra mažesnis (mikroprocesoriams dažnai reikia net mažiau nei 2 V), tačiau vis tiek galima pasiekti daugiau nei 70–80% efektyvumą.
Šis kintamosios srovės valdymo tipas yra žinomas galios uždelsto šaudymo kampo metodas. Tai yra pigiau ir sukuria daug elektros triukšmo bei harmonikų, palyginti su tikru PWM valdikliu, kuris sukuria nereikšmingą triukšmą.
Daugelyje programų, tokiose kaip pramoninis šildymas, apšvietimo valdymas, minkšto paleidimo asinchroniniai varikliai ir ventiliatorių bei siurblių greičio reguliatoriai, reikalauja kintamosios kintamosios įtampos iš fiksuoto kintamosios srovės šaltinio. Šiems reikalavimams plačiai naudojamas reguliatorių fazinis kampo valdymas. Tai suteikia keletą privalumų, tokių kaip paprastumas ir galimybė ekonomiškai valdyti didelį energijos kiekį. Tačiau uždelstas šaudymo kampas sukelia tęstinumą ir gausias apkrovos srovės harmonikas, o padidėjus šaudymo kampui kintamosios srovės pusėje atsiranda atsilikęs galios koeficientas.
Šias problemas galima išspręsti naudojant PWM AC smulkintuvą. Šis PWM kintamosios srovės smulkintuvas siūlo keletą privalumų, tokių kaip sinusinė įėjimo srovė su beveik vieningumo galios koeficientu. Tačiau norint sumažinti filtro dydį ir pagerinti išvesties reguliatoriaus kokybę, perjungimo dažnį reikėtų padidinti. Tai sukelia didelius perjungimo nuostolius. Kita problema yra komutacija tarp perduodančio jungiklio S1 su laisvos eigos jungikliu S2. Tai sukelia srovės šuolį, jei abu jungikliai įjungiami vienu metu (trumpasis jungimas), ir įtampos šuolį, jei abu jungikliai yra išjungti (nėra laisvo judėjimo kelio). Siekiant išvengti šių problemų, buvo naudojamas RC snubberis. Tačiau tai padidina elektros energijos nuostolius grandinėje ir yra sunku, brangu, didelių gabaritų ir neefektyvu didelės galios programoms. Siūlomas kintamosios srovės smulkintuvas su nulinės srovės įtampos perjungimu (ZCS-ZVS). Jo išėjimo įtampos reguliatorius turi keisti išjungimo laiką, valdomą PWM signalu. Taigi norint naudoti minkštą perjungimą, reikia naudoti dažnio valdymą, o bendros valdymo sistemos naudoja PWM metodus, užtikrinančius įjungimo laiką. Ši technika turi tokių privalumų, kaip paprastas valdymas su sigma-delta moduliacija ir tęsia įvesties srovę. Siūlomos grandinės konfigūracijos ypatybės ir PWM susmulkinti modeliai pateikiami žemiau.
