2233

указанные интервалы времени t. В противном случае возникающие в эти моменты времени большие ЭДС самоиндукции могут вывести тиристоры из строя.

Если прямоугольная форма выходного напряжения АИН не удовлетворяет потребителя, то нужно последовательно с нагрузкой включить фильтр, не пропускающий высшие гармоники напряжения.

Автономный резонансный инвертор (АИР) применяют для преобра-

зования постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (103 105 Гц). Именно АИР используют в электротермических установках для плавки и нагрева металлических и других изделий. Процессы, происходящие в АИР, характеризуются колебательными процессами в резонансном контуре. Такой контур получается при последовательном или параллельном подключении конденсатора к активно-индуктивной нагрузке. На практике часто применяют последовательное или последова- тельно-параллельное включение конденсаторов.

АИР выполняют по однофазной мостовой схеме с использованием в основном тиристоров. На рис. 42 изображена схема простейшего АИР с последовательным включением конденсатора. Тиристоры включены по мостовой схеме. Управляющие импульсы открывают поочередно пары тиристоров ТР1, ТР4 и ТР2, ТР3. Форма кривой нагрузочного тока iн определяется колебательным процессом в контуре. При этом, чем выше добротность LCконтура, тем в большей степени форма нагрузочного тока приближается к синусоидальному виду.

Рис. 42. Схема автономного резонансного инвертора

споследовательным включением конденсатора

Сприходом первого управляющего импульса, когда открыта пара транзисторов ТР1 и ТР4, ток от плюсового зажима источника питания Е через нагрузку и конденсатор С направлен к минусовому зажиму источника, заряжая при этом конденсатор С (знаки заряда на обкладках конденсатора указаны без скобок). При появлении второго управляющего импульса, который открывает тиристоры ТР2 и ТР3, конденсатор С разряжается через нагрузку и открытые тиристоры ТР2 и ТР3. В это же время напряже-

40

ние на конденсаторе С через открытые тиристоры ТР2, ТР3 подключается к тиристорам ТР1, ТР4, обеспечивая их запирание. После запирания тиристоров ТР1, ТР4 начинается перезарядка конденсатора, знаки заряда на обкладках конденсатора указаны в скобках; далее процессы повторяются.

В рассматриваемом инверторе частота управляющих сигналов ƒу должна быть меньше собственной частоты последовательного контура ƒ0. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конденсатора заканчивалась до отпирания очередной пары транзисторов в инверторе. При этом в нагрузочном токе создаются паузы, в течение которых очередная пара транзисторов должна успеть закрыться.

Рассмотренные схемы автономных инверторов не являются единственными. В зависимости от условий эксплуатации применяют различные модификации всех типов инверторов, с которыми можно познакомиться в специальной литературе.

Конвенторы

Конвертором называют преобразователь постоянного напряжения одного значения в постоянное напряжение другого значения.

В настоящее время применяют два типа конверторов: а) преобразователи с самовозбуждением;

б) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением

используют в аппаратуре малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена на рис. 43.

Рис. 43. Структурная схема преобразователя постоянного напряжения с самовозбуждением

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 фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Zн. В этом конверторе работа всех блоков, кроме преобразователя с самовозбуждением, рассматривалась ранее. Поэтому далее остановимся только на принципе действия блока ПС.

В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы, включенные по двухтактной схеме (рис. 44). Рассматриваемый преобразователь представляет собой релаксационный генератор пря-

41

моугольной формы с трансформаторной положительной обратной связью. Для обеспечения такой формы генерируемых колебаний материал сердечника трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы (рис. 45). Наибольшее применение в подобных устройствах находит включение транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как именно такое включение обеспечивает большой коэффициент усиления по мощности.

Рис. 44. Схема преобразователя напряжения с самовозбуждением

Рис. 45. Прямоугольная петля гистерезиса сердечника трансформатора

Работу конвертора с самовозбуждением можно разбить условно на два этапа: действие положительной обратной связи и перемагничивание

42

сердечника. При подаче на конвертор напряжения от источника ЭДС Е, 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 iк1 > iк2. Тогда результирующая магнитодвижущая МДС. F w1ik1 w1ik2 создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления,

что наведенная ЭДС в обмотках обратной связи wос , wос еще больше будет увеличивать ток iк1 транзистора Т1 и уменьшать ток iк2 транзистора Т2.

Изменения токов заканчиваются тогда, когда транзистор Т1 полностью откроется, а транзистор Т2 закроется. Процесс изменения коллекторных токов, а следовательно, отпирания и запирания транзисторов происходит лавинообразно, в результате чего в выходном напряжении формируется крутой передний фронт. Возросший скачком ток iк1 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 Ф, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +Br , скорость нарастания магнитного потока уменьшается. Уменьшаются и ЭДС,

наводимые в обмотках wос ,wос , в результате чего появляется небольшой коллекторный ток ik2 в запертом ранее транзисторе Т2, а коллекторный ток ik1 транзистора Т1 несколько уменьшается.

Направление МДС в сердечнике изменяется на противоположное. Начинает действовать положительная обратная связь, что приводит к запиранию транзистора Т1 и отпиранию транзистора Т2. 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 выпрямляемого напряжения больше допустимого, которая указана в паспорте, эти диоды вообще перестают выпрямлять. Все это приводит либо к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения и, следовательно, к снижению КПД, либо к потере работоспособности конвертора.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) ре-

гулируют выходное напряжение путем изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно-импульсный (ШИР) или час- тотно-импульсный (ЧИР) способы регулирования. Принцип действия

43

ИППН основан на ключевом режиме транзистора или тиристора, которые периодически прерывают цепь подачи напряжения U0 в нагрузку (рис. 46).

При широтно-импульсном способе регулирования выходное напряжение регулируют изменением, как отмечалось ранее, длительности импульсов tи (рис. 47) при неизменном периоде их следования Т. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться

по формулеUн.ср tи U0 . Следовательно, выходное напряжение регулиру-

Т

ют от нуля (при tи=0) до U0 (при tи=Т). На рис. 48, а изображена схема широко распространенного ИППН, а на рис. 47, б – его временные диаграммы. Такой преобразователь называют однотактным. В качестве ключа служит тиристор. Между нагрузкой Zн и тиристором включен сглаживающий LC-фильтр. Диод Д, выполняющий функции обратного диода, необходим для создания электрической цепи для тока нагрузки при выключенном тиристоре.

Рис. 48. Схема (а) и временные диаграммы нагрузочного тока (б) импульсного однотактного преобразователя постоянного напряжения

44

Принцип действия рассматриваемого ИППН удобно изучать с помощью временных диаграмм. Когда тиристор открыт, напряжение U0 подается на вход сглаживающего фильтра и с него поступает в нагрузку Zн. При этом диод Д не пропускает ток. В интервале времени, когда тиристор закрыт, ток через нагрузку продолжает проходить за счет энергии, накопленной в дросселе Lф и в катушке Lн . При этом диод Д открыт.

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. 49). Следует отметить, что для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры вклю-

чают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2 n. В результате этого в мно-

готактных ИППН тиристоры работают поочередно с некоторым перекрытием.

Рис. 49. Схема многотактного ИППН

Во всех ИППН отпирание полупроводниковых ключей производится путем принудительной подачи на тиристор (или транзистор) 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 КПД импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отноше-

45

нии 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 вольтам. Это позволяет создавать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, 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.

Перспективы развития вторичных источников питания

Как известно, в настоящее время миниатюризация электронной аппаратуры является основным направлением ее развития. Однако это мало коснулось вторичных источников электропитания. В последние годы сложилось такое положение, что масса и габариты источников электропитания оказались весьма большими по сравнению с другими функциональными блоками и составляют 30 – 40%, а иногда и больше от всей массы и габаритов электронной аппаратуры, куда они входят. Это объясняется рядом причин, а именно:

а) источники питания являются силовыми устройствами, которые строятся на мощных полупроводниковых приборах, крупногабаритных трансформаторах, конденсаторах, дросселях и других элементах. Такая элементная база не позволяет осуществить миниатюризацию источников электропитания;

б) невысокий КПД, вызванный значительными потерями мощности в источниках электропитания, требует применения громоздких радиаторов для отвода тепла от диодов, тиристоров и транзисторов. Миниатюризация источников электропитания привела бы при уменьшении объема элементов к недопустимой концентрации выделяемой ими теплоты.

Можно относительно просто уменьшить габариты и массу источников электропитания, если перейти к бестрансформаторным схемам выпрямления, а сглаживающие фильтры создавать на транзисторах. Однако это является половинчатым решением.

Кардинальное решение такой задачи состоит в миниатюризации вторичных источников электропитания. По мнению специалистов, необходимо уменьшить массу и габариты всех элементов, входящих в источники электропитания. Это можно сделать, если:

46

а) значительно увеличить частоту импульсов выпрямленного напряжения, что должно привести к резкому уменьшению массы и габаритов трансформаторов, дросселей и конденсаторов;

б) разработать и широко применять бескорпусные мощные полупроводниковые приборы, силовые интегральные микросхемы и сборки и т.д., что позволит объединить их в малогабаритные силовые блоки;

в) создать и внедрить новые эффективные способы отвода тепла, исключающие громоздкие теплоотводящие радиаторы;

г) заменить стабилизаторы непрерывного действия импульсными стабилизаторами с одновременным повышением в них частоты повторения импульсов.

Решение задачи миниатюризации источников вторичного электропитания позволит резко улучшить показатели выходных параметров электронных устройств и повысить их надежность.

Библиографический список

1.Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: Высшая школа, 2005.

2.Основы промышленной электроники / Под. ред. В.Г. Герасимова. М.: Вышая школа, 1986.

3.Флоренцев С.Н. Силовая электроника начала тысячелетия // Электротехника. 2003. № 6. – С. 3 9.

47

48

Учебное издание

Николай Фёдорович Коцарев

ИСТОЧНИКИ

ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ

УСТРОЙСТВ

Учебно-методическое пособие

***

Редактор И.Г. Кузнецова

***

Подписано к печати 09.09.2008. Формат 60х90 1/16. Бумага писчая.

Оперативный способ печати. Гарнитура Times New Roman. Усл. п.л. 3,0 уч.-изд. л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ №___.

Цена договорная.

Издательство СибАДИ

644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10

_______________________________________________________________________

Отпечатано в ПЦ СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10