В постоянное

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5

Импульсные регуляторы постоянного напряжения

Рассмотренные в первой части учебника [1] вентильные преобразователи с выходом на постоянном токе получали на входе электроэнергию от источника переменного напряжения, в качестве которого обычно используются синхронные генераторы. В то же время имеется множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. Это и солнечные батареи, работающие на основе фотоэффекта, и термоэлектрогенераторы, и магнитогидродинамические (МГД) генераторы, и топливные элементы, использующие энергию химических реакций, и аккумуляторы как источники запасенной электроэнергии и, наконец, электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации или (и) регулирования и требуются преобразователи постоянного напряжения в постоянное.

Ниже рассмотрены базовые схемы таких преобразователей, осуществляющие прямое (однокаскадное) преобразование постоянного напряжения в постоянное без использования какого-либо промежуточного (многокаскадного) преобразования, например, постоянного напряжения в переменное (первый каскад) с последующим преобразованием переменного напряжения в постоянное (второй каскад). Такие составные преобразователи будут проанализированы в части 3 нашего учебника.

Можно выделить четыре типа базовых схем преобразователей постоянного напряжения в постоянное:

• с широтно-импульсным (времяимпульсным) регулированием;

• с управляемым обменом энергии реактивных элементов;

• с использованием резонансных явлений LC -контуров;

• с дозированной передачей энергии в нагрузку.

•

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

СХЕМЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Строго говоря, широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения преобразовывают постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого (т.е. его постоянную составляющую, выделяемую в нагрузке фильтрами) можно регулировать. Выходное напряжение таких преобразователей (до выходного фильтра) может иметь вид однополярных или двухполярных импульсов, как показано на рис. 1.1.1, а, б соответственно.

Частота дискретизации зависит от динамических свойств вентилей, на которых выполнен преобразователь. В связи с постоянным напряжением на входе преобразователя естественная коммутация вентилей невозможна, что требует выполнения его на вентилях с полным управлением (запираемые тиристоры, транзисторы). GTO -тиристоры допускают частоту переключений до 1 кГц, IGBT -транзисторы – примерно до 10 кГц, полевые транзисторы – примерно до 1000 кГц и выше. Очевидно, что частота коммутации определяет возможную скорость регулирования параметров преобразованной энергии.

Регулировочная характеристика широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения показывает зависимость относительного среднего значения выходного напряжения (в долях среднего значения входного) преобразователя от относительной длительности импульса напряжения на выходе преобразователя. Эта длительность положительного (отрицательного) импульса напряжения определяется по отношению к периоду следования импульсов, называемому длительностью такта Т_т. С учетом рис. 1.1.1, а, уравнение регулировочной характеристики широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с однополярными импульсами (однополярная модуляция), определяющее степень регулирования среднего значения выходного напряжения, имеет вид

Уравнение регулировочной характеристики ШИП с двухполярной модуляцией (рис. 1.1.1, б) получаем аналогично

При однополярной модуляции 0 _т < С_р < 1, при двухполярной -1 < С_р < 1, т.е. имеется возможность изменения знака (реверса) напряжения на выходе преобразователя.Простейшая базовая схема ШИП показана на рис. 1.1. 2,а. В схеме

возможна только однополярная модуляция. При включении транзистора Т₁ (в режиме ключа, см. 1.3.1.2.2 части 1) на выходе формируется положительный импульс напряжения. При выключении транзистора Т₁ включается в режиме нулевого вентиля (см. раздел 2.2 части 1) диод D ₁, замыкая через себя ток нагрузки в случае наличия в цепи нагрузки индуктивности (собственной или фильтра). На этом интервале формируется нулевая пауза напряжения на нагрузке.

Так как в этой схеме напряжение и ток на выходе могут иметь только одну полярность, то внешние характеристики ШИП, показывающие зависимость среднего значения выходного напряжения от среднего значения выходного

тока при постоянной относительной длительности импульса t_и ^*, будут одно-

квадрантными. При допущении идеальности элементов ШИП внешние характеристики будут параллельными горизонтальными прямыми, как показано на рис. 1.1.2, б.

Рис. 1.1.3

Формы напряжений и токов всех элементов схемы приведены на рис. 1.1.3.

десь последовательно по диаграммам представлены:

• напряжение и ток на выходе ШИП при L _н = ∞;

• напряжение на индуктивности нагрузки (фильтра);

• ток через транзистор Т₁ и напряжение на нем;

• ток через диод D ₁ и напряжение на нем.

Работа вентилей в ШИП имеет следующие особенности:

• ничем не ограниченные скорости нарастания (скачки) токов в вентилях;

• ничем не ограниченные скорости нарастания прямого напряжения на вентилях;

• отсутствие на управляемых вентилях обратного напряжения.
Первые две особенности определяют высокие динамические потери

мощности в вентилях, так как реальные вентили характеризуются конечными временами включения и выключения, что приводит к выделению пиковой мощности потерь в этих процессах. Последняя особенность подтверждает невозможность выполнения ШИП на вентилях с неполным управлением.

Чтобы изменять направление (реверс) тока в нагрузке, необходимо дополнить схему простого ШИП на рис. 1.1.2, а вторым простым ШИП (Т₂, D ₂), включенным встречно-параллельно нагрузке, как показано на рис. 1.1.4, а. Та-кой преобразователь будем называть реверсивным по току ШИП.

При этом, если нагрузкой является противоЭДС (например, якорной цепи машины постоянного тока), то возможен ее генераторный режим (отдача, а не потребление энергии). Ток обратного направления в противоЭДС будет протекать через транзистор Т₂ при его включении и через диод D ₂ при выключенном транзисторе Т₂, передавая энергию из противоЭДС выходной цепи в источник входного напряжения. Внешние характеристики такого ШИП уже будут располагаться в двух квадрантах, как показано на рис. 1.1.4, б.

Схема ШИП на рис. 1.1.5, а обеспечивает двухполярную модуляцию с пассивным формированием отрицательного импульса напряжения на нагрузке.

Действительно, при выключении транзистора Т₁ протекание тока в нагрузке, содержащей индуктивность, обеспечивается естественным включением диода D ₁ за счет ЭДС самоиндукции индуктивности нагрузки, стремящейся поддержать прежнее направление протекания тока в нагрузке до следующего включения транзистора Т₁.

На рис. 1.1.5, б показана схема ШИП, образованного встречнопараллельным включением по выходу двух ячеек ШИП, выполненных по схеме рис. 1.1.5, а. Здесь активно формируется импульс напряжения отрицательной полярности на нагрузке, так как в случае спада до нуля тока нагрузки, протекающего через диод D ₁ на интервале выключения транзистора Т₁, включается транзистор Т₂, сохраняющий тот же отрицательный потенциал на нагрузке до очередного включения транзистора Т₁. Такая схема ШИП обеспечивает реверс напряжения на нагрузке, тока в нагрузке. Это означает, что внешние характеристики такого ШИП будут расположены во всех четырех квадрантах, как показано на рис. 1.1.5, в. Получился универсальный источник постоянного напряжения по выходу, дающий двухполярное выходное напряжение ШИП, но требующий наличия средней точки у источника входного напряжения. Такой преобразователь будем называть реверсивным ШИП по полумостовой схеме.

Наконец, схемы ШИП на рис. 1.1.6, а, б являются универсальными по способам широтно-импульсной модуляции. Однополярная модуляция в схеме на рис. 1.1.6, а реализуется за счет включения на интервале паузы соответствующего транзистора Т₃ или Т₄, выполняющего функции нулевых вентилей при любом направлении тока в нагрузке. Любая полярность импульса напряжения на выходе ШИП по мостовой схеме рис. 1.1.6, б достигается включением вентилей соответствующей диагонали моста (Т₂, Т₃ или Т₁, Т₄), а нулевая пауза в выходном напряжении – включением вентилей одной группы (катодной Т₁, Т₃ или анодной Т₂, Т₄). Это схемы реверсивных ШИП по полумостовой схеме с нулевыми вентилями – первая и по мостовой схеме – вторая. Обе схемы имеют четырехквадрантные внешние характеристики.

Последнее обстоятельство, обеспечивающее получение в нагрузке любых четырех сочетаний полярностей напряжения и тока, позволяет формировать в ней и чисто переменный ток, рассматривая его как периодически реверсируемый постоянный (однонаправленный) ток. Поэтому схемы на рис. 1.1.5, б, 1-1-6 являются и преобразователями постоянного тока в переменный, которые называются автономными инверторами напряжения и рассматриваются в этом качестве в главе 2.

<

Электромагнитные параметры элементов ШИП через заданные средние значения выходного напряжения и тока ШИП можно рассчитать с учетом простой формы временных диаграмм мгновенных значений напряжений и то­ков, построенных для простейшей схемы ШИП на рис. 1.1.3.

Среднее значение тока транзистора, используя понятие скважности (см. параграф 2.1 первой части):

Действующеезначение тока транзистора. Максимальное значение тока транзистора I _н.

Максимальная величина прямого напряжения транзистора (обратного на­пряжения диода)

Среднее значение тока нулевого вентиля

Действующее значение тока нулевого вентиля

^­Установленные мощности транзистора (при t _и ^* → 0) и диода (при t*_и → 1)

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Основное достоинство ШИП связано с отсутствием каких-либо реактив­ных элементов (реакторов, конденсаторов) внутри преобразователя, что по­зволяет выполнять его в едином технологическом процессе в виде твердо­тельного модуля. Это обусловливает низкие значения удельных массогаба­ритных показателей (кГ/кВА, дм³/кВА) преобразователя. Правда, пока мо­дульное изготовление преобразователей нашло ограниченное применение из-за сравнительно большого (до двух раз) удорожания модулей по сравнению со случаем выполнения преобразователей из дискретных вентильных элементов. Диапазон мощностей ШИП простирается от десятков ватт до десятков кило­ватт и более при необходимости.

Недостатки ШИП связаны с импульсным характером токов и напряжений вентилей преобразователя, что обусловливает:

- высокие требования к динамическим параметрам вентилей;

- доминирование фактора динамических потерь в вентилях при опреде­лении частоты коммутации;

– высокие уровни высокочастотных электромагнитных помех, генерируемых большими скоростями изменения токов и напряжений вентилей;

– широкополосный спектр преобразованных напряжений и токов на выходе ШИП.

Дата добавления: 2014-01-07