Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью бесконтактного ключа импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ИП формируются импульсы напряжения.
Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить изменением параметров выходных импульсов: длительности tu или периода следования Т.
Наибольшее распространение получили широтно-импульсный
(ШИП) tи = var, T = const; частотно-импульсный (ЧИП) tи = const, T = var и время-импульсный (ВИП) tи = var, T = var способы регулирования. При этом регулируется относительное время проводимости управляемого вентиля, что приводит к плавному изменению среднего или действующего значения напряжения на нагрузке.
ИП постоянного напряжения можно классифицировать по ряду признаков.
В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов различают ИП: на полностью управляемых вентилях (транзисторах и запираемых тиристорах); на тиристорах (в этом случае необходимо применение специальных способов коммутации для запирания тиристоров).
Различают реверсивные и нереверсивные ИП. Нереверсивные преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсы постоянной амплитуды и полярности, норазличной длительности, а реверсивные — входное напряжение в переменное, разной по полупериодам длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.
В качестве реверсивных обычно используют мостовые преобразователи.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения находят широкое применение в качестве стабилизаторов, регуляторов и конверторов напряжения, источников питания обмоток возбуждения электрических машин и электромагнитных механизмов, двигателей постоянного тока.
Импульсные преобразователи переменного напряжения широко используются для регулирования мощности электрических печей сопротивления, ламп накаливания и люминесцентных ламп, различных электротехнических установок, асинхронных двигателей и других устройств.
Выходные каскады ИП мощностью до 100 кВт наиболее просто выполнять на полностью управляемых вентилях. При выходной мощности более 100 кВт в качестве ключей целесообразно применять тиристоры. ИП имеют следующие преимущества:
1) высокий к. п. д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности при непрерывном регулировании;
2) малую чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости управляемого вентиля, а не внутреннее сопротивление регулирующего элемента, как при непрерывном регулировании; 3) малые габариты и массу.
Основным недостатком ИП является импульсный режим работы регулирующего элемента, который приводит к необходимости устанавливать выходные (Свых) и входные фильтры (Cвх), что вызывает инерционность процесса регулирования.
Широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения на полностью управляемых вентилях. Схема нереверсивного ШИП постоянного напряжения и временные диаграммы токов и напряжений показаны на рис. 9.18. В схеме в качестве ключа принят тиристор а между ним и нагрузкой включена индуктивность. При отпирании тиристора V1по индуктивностив нагрузку протекает ток iн (на рис. 9.18, а путь тока показан сплошной линией). При запирании тиристора ток нагрузки iн2 (путь тока показан пунктирной линией) за счет э. д. с. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод V2 на индуктивность. При открытом тиристоре диод закрыт. Эпюры напряжений и токов в схеме показаны на рис. 9.18, б.
Выходное напряжение схема регулирует от нуля (при tи=0) до входного напряжения(при tи = T).
Для защиты тиристоров от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ШИП устанавливают фильтр, выходным звеном которого является конденсатор Свх.
Среднее значение напряжения на нагрузке
1 tи
UН M cg61tgNOUu46nSXJUjtsWRYa7GnTUHXanZ2B1wmn9X36PG5Px83la//w9rlNyZjbm3n9BCrSHP/C 8IMv6FAK08Gf2QbVGZBH4q+KlyVLUAfJZKDLQv9HL78BAAD//wMAUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhALaD OJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54bWxQSwECLQAUAAYA CAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJlbHNQSwECLQAUAAYA CAAAACEAMqoVLFgCAADGBQAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAU AAYACAAAACEA0bF8adkAAAACAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAACyBAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsF BgAAAAAEAAQA8wAAALgFAAAAAA== "> T Uydt UД T ULγ (9.8)
гдеγ = tи/T — коэффициент заполнения импульсов.
Изменяя ширину импульса, т. е. величину коэффициента заполнения, можно получать на выходе ШИП различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое всегда меньше напряжения источника питания.
В
а V1 б
U
н
Z
н
E
V2
C
вх
U
г
i
н
i
н
б
U
y
t
u
T
T
-
t
u
T
t
t
t
t
t
U
аб
i
н
I
н
max
I
н
min
i
v1
i
v1
I
н
max
I
н
min
I
н
max
I
н
min
U
н
i
н
i
н
Рис. 9.18. Принципиальная схема нереверсивного ШИП постоянного
напряжения (а) и и его временные диаграммы (б)
Если требуется напряжение на нагрузке выше, чем у источника питания, то используют конверторы. Конвертор – это ИП, нагруженный на трансформатор, с одной или несколькими вторичными обмотками, питающими выпрямители.
В настоящее время применяют два типа конверторов:
1) импульсные преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;
2) импульсные преобразователи постоянного напряжения c внешним возбуждением.
ПС
В
СФ
Z
н
Е
Преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением используют в аппаратуре малой и средней мощностей. Структурная схема такого, преобразователя изображена на рис. 9.19. С помощью этой схемы можно представить себе работу конвертора с самовозбуждением. Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до требуемого значения. После выпрямления выпрямителем В оно подается на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Za. В этом конверторе работа всех блоков, кроме преобразователя с самовозбуждением,
Рис. 9.19. Структурная схема рассматривалась ранее. Поэтому далее преобразователя напряжения с остановимся только на принципе действия самовозбуждениемблока ПС.
В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы, включаемые по двухтактной схеме (рис. 9.20).
Рассматриваемый преобразователь представляет собой релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы с трансформаторной положительной обратной связью. Для обеспечения такой формы генерируемых колебаний материал сердечника трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы (рис. 9.21). Наибольшее применение в подобных устройствах находит включение транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как именно такое включение обеспечивает большой коэффициент усиления по мощности.
Работу конвертора с самовозбуждением можно разбить условно на два этапа: действие положительной обратной связи и перемагничивание сердечника. При подаче на конвертор напряжения Е от источника э. д. с., которое следует преобразовать, в транзисторах появляются токи iк1, iк2. Эти токи по каким-либо причинам (чаще всего из-за естественного технологического разброса) не будут равны между собой. Допустим, что ik1 > iк2. Тогда результирующая магнитодвижущая сила м. д. с. F = ω' ik1 - ω' iк2 создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления, когда наведенная э. д. с. в обмотках обратной связи ω'ос, ω''ос ещё больше будет увеличивать ток ik1 транзистораV1и уменьшать ток iк2 транзистора V2. Изменения токов заканчиваются тогда, когда транзистор V1 полностью откроется, а транзистор V2закроется. Процесс изменения коллекторных токов, а, следовательно, отпирания и запирания транзисторов происходит лавинообразно, в результате чего в выходном напряжении формируется крутой передний фронт. На этом заканчивается первый этап работы преобразователя. Возросший скачком ток ik1 приводит к изменению магнитной индукции сердечника от значения –Вr,при котором трансформатор находился в начале рассматриваемого этапа работы, до значения +Вr. При этом в сердечнике появляется магнитный поток Ф, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +Вr, скорость нарастания магнитного потока уменьшается. Уменьшаются и э. д. с, наводимые в обмотках ω'ос, ω''ос, в результате чего появляется небольшой коллекторный ток iк2 в запертом ранее транзисторе V2, а коллекторный ток iк1 транзистора V1 несколько уменьшается. Направление м. д. с. в сердечнике изменяется на противоположное. Начинает действовать положительная обратная связь, что приводит к запиранию транзистора V1 и отпиранию транзистора V2. Далее процессы повторяются вновь. Необходимо отметить одну особенность работы конвертора с самовозбуждением, которая заключается в том, что выпрямляется не синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, а переменное напряжение прямоугольной или близкой к ней формы с частотой, доходящей до 50 кГц. Силовые же диоды, применяемые в выпрямителях, имеют, как известно, инерционные свойства. Поэтому при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами выпрямительные диоды в моменты времени, когда фронты нарастают и происходит спад импульса, теряют свойства односторонней проводимости. При частоте выпрямленного напряжения больше допустимого значения, указанного в паспорте, эти диоды вообще перестают выпрямлять.
Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется большая мощность, прибегают к многотактным ИППН, состоящим из n параллельно включенных однотактных ИППН (рис. 9.22). Следует отметить, что для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n. В результате этого в многотактных ИППН тиристоры работают поочередно или с некоторым перекрытием. Во всех ИППН отпирание полупроводниковых ключей производится путем принудительной подачи на тиристор коммутирующих импульсов, запирание же тиристоров осуществляется периодически заряжаемым конденсатором. Такая коммутация рассматривалась при описании автономных инверторов. Естественно, что коммутационный блок в ИППН имеет некоторое отличие от подобных блоков в автономных инверторах. С этими особенностями можно познакомиться в специальной литературе.
Отметим, что регулирование постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий к. п. д. импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отношении неуправляемый выпрямитель, работающий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрямителем.
Преимуществом импульсных преобразователей постоянного напряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением является то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до нескольких киловольт и на токи до сотен ампер при прямом падении напряжения, равном нескольким вольт. Это позволяет создавать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким к. п. д., меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батареи, термоэлектрические генераторы.
Рис. 9.22. Схема многотактного ИППН
Тиристорные импульсные преобразователи переменного напряжения. Построение регулирующих преобразователей переменного напряжения основывается на использовании полупроводникового коммутатора, функцию которого чаще всего выполняют два включенных встречнопараллельно тиристора в цепи с питающим переменным напряжением и нагрузкой (рис. 9.23, а). Тиристоры, включенные по данной схеме, позволяют коммутировать однофазную сеть переменного тока и регулировать величины тока в цепи и напряжения на нагрузке. Если нагрузкой преобразователя является активное сопротивление, то ток повторяет по форме напряжение (изменяется по синусоиде) и прекращается при перемене полярности напряжения на аноде тиристора (см. рис. 9.23 б). Напряжение на нагрузке в этом случае можно найти из соотношения
1 2 2 tdωt. (9.9)
UH π α 2U2 sin ω
Если нагрузка преобразователя носит активно-индуктивный характер, то форма тока в цепи не повторяет форму напряжения (см. рис. 9.23, в), так как возникает э.д.с. самоиндукции, препятствующая нарастанию и спаданию тока. Поэтому ток через тиристор протекает в течение некоторого времени после изменения полярности напряжения питания. При этом регулирование напряжения и тока нагрузки оказывается возможным при изменении угла отпирания тиристора в пределах φ<α<π, где φ = arctg ωkн/Rн.
Z
н
V
а
V1
U,
I
u=γ
m
sinωt
i=l
m
sinωt
2π
π
U,
I
б
в
Рис
.
9.23
.
О
днофазный тиристорный преобразователь переменного
напряжения:
а
–
схема;
б
–
временные диаграммы оков и напряжений при
активной нагрузке
в
–
при активно
-
индуктивной нагрузке.
α
α
α
π
2π
u
i
В процессе регулирования к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение и в цепи течет прерывистый ток. Их гармонический состав зависит от величин α и φ.
Ha практике часто находят применение трехфазные преобразователи переменного напряжения.
Трехфазный тиристорный преобразователь переменного напряжения можно получить, взяв три однофазных преобразователя со встречнопараллельными тиристорами и включив их в каждую фазу трехфазной сети с нейтральным проводом. При этом ток через тиристорный элемент в каждой фазе не зависит от тока других фаз. При увеличении угла управления α уменьшается длительность протекания тока через тиристор и при некотором значении α импульс тока в одной фазе прекращается раньше, чем отопрется тиристор в следующей фазе. Таким образом, возможны интервалы времени, когда ток в нагрузке не протекает. Угол проводимости каждого из тиристоров при этом уменьшается до величины, меньшей 60о.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите достоинства и недостатки однотактных трёхфазных выпрямителей.
2. Перечислите параметры выпрямителя по схеме Ларионова при работе на активную нагрузку.
3. Назовите способы регулирования напряжения на выходе выпрямителей.
4. Опишите регулировочные свойства выпрямителя со средней точкой.
5. Рассмотрите уравнения выходного напряжения у мостовой схемы для разных режимов (углов управления).
6. Перечислите схемные решения для преобразователей частоты.
7. Назовите основные схемы управления регулируемыми выпрямителями.
8. Приведите классификацию инверторов.
9. Поясните принцип работы инвертора с прямым цифровым управлением.
10. Поясните по схеме Ларионова суть широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
11. Назовите принципы импульсного регулирования напряжения и область применения.
12. Поясните работу схемы нереверсивного импульсного преобразователя.
