Сглаживающие фильтры
Рассмотренные схемы выпрямителей имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания электронной аппаратуры часто требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсаций, не превышающим нескольких процентов. Для уменьшения пульсаций используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.
Простейшим является емкостный фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рис. 9.7).
Рис. 9.7
Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора С (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки.
Временные
диаграммы напряжений и токов выпрямителя
показаны на рис. 9.8. На интервале времени
диод открыт и конденсатор заряжается.
На интервале
диод закрыт и конденсатор разряжается
через сопротивление
.
Для уменьшения пульсаций емкость
конденсатора должна быть большой, чтобы
постоянная времени разряда
была намного больше периода выпрямленного
напряжения. Амплитуда пульсаций
выпрямленного напряжения
определяется
приближенной формулой
.
(9.1.2)
Здесь
- частота входного напряжения.
Амплитуда пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя оказывается в два раза меньше:
.
(9.1.3)
Рис. 9.8
Формулы (9.1.2) и (9.1.3) позволяют определить емкость сглаживающего конденсатора, обеспечивающую заданную амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения.
Как следует из
рис. 9.8, диод открыт только на интервале
.
Чем короче этот интервал, тем больше
амплитуда тока через диод. Режим работы
диода в схеме выпрямителя с фильтром
оказывается достаточно тяжелым.
На практике используют и более сложные схемы сглаживающих фильтров, содержащих конденсаторы и индуктивные катушки. Они обеспечивают лучшее сглаживание. Основной недостаток таких фильтров – большие габариты и вес.
Стабилизаторы напряжения
В процессе работы ИВЭП напряжение на выходе сглаживающего фильтра может изменяться из-за колебаний сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника и других факторов. Если отклонения напряжения превышают допустимую величину, в схему ИВЭП вводят стабилизаторы – устройства, обеспечивающее малые изменения выходного напряжения.
Существуют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные. В параметрических стабилизаторах напряжения используют нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ, на котором напряжение остается неизменным при изменении тока. Такой участок имеет обратная ветвь ВАХ стабилитрона.
Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне показана на рис. 9.9.
Рис. 9.9
Схема представляет
делитель напряжения, состоящий из
резистора
и стабилитрона VD.
Нагрузочный резистор
включен параллельно стабилитрону.
Поэтому в режиме стабилизации, когда
напряжение стабилитрона почти постоянно,
постоянным будет и напряжение на
нагрузке.
Найдем напряжение
и ток стабилитрона графическим способом.
ВАХ стабилитрона и линейной части цепи
показаны на рис. 9.10. Поскольку
,
обратная ветвь ВАХ стабилитрона
расположена в первом квадранте.
Нагрузочная характеристика линейной
подсхемы представляет прямую, проходящую
через точки, соответствующие режимам
холостого хода
и короткого замыкания
.
Здесь
.
Точка пересечения нагрузочной прямой
и ВАХ стабилитрона (точка А
на рис. 9.1.10) является рабочей точкой и
определяет ток и напряжение стабилитрона.
Если входное напряжение изменится,
нагрузочная прямая переместится
параллельно самой себе. Изменятся и
координаты рабочей точки (точка В
на
рис. 9.10). При этом изменения выходного
напряжения будут невелики до тех пор,
пока рабочая точка находится на крутом
участке ВАХ стабилитрона.
Рис. 9.10
Для поддержания
режима стабилизации сопротивление
рассчитывают так, чтобы рабочая точка
располагалась посередине рабочего
участка ВАХ. Если входное напряжение
изменяется от
до
,
то
можно найти по формуле
.
(9.1.2)
Здесь
– среднее значение напряжения на входе
стабилизатора;
– средний ток стабилитрона;
– ток нагрузки.
Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться и ток стабилитрона, однако напряжение стабилитрона, а следовательно, и напряжение нагрузки будут почти постоянными.
Основными
параметрами, характеризующими качество
стабилизатора, являются коэффициент
стабилизации
,
выходное сопротивление
,
коэффициент полезного действия
.
Коэффициент стабилизации – это отношение относительного изменения входного напряжения к относительному изменению напряжения на выходе:
.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора можно определить по приближенной формуле
.
(9.1.3)
В последнем
выражении
- динамическое сопротивление стабилитрона
на участке пробоя.
Поскольку
,
выходное сопротивление параметрического
стабилитрона
.
Коэффициент полезного действия стабилизатора равен отношению мощности, отдаваемой в нагрузку, к мощности, потребляемой от входного источника.
|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ: СТРУКТУРА, ПРИНЦИП РАБОТЫ |
|
|
|
|
|
.Преобразователь частоты – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты. Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и нижечастоты питающей сети. Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах. Типовая схема низковольтного преобразователя частотыпредставлена на рис. 7. В нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов на выходе каждого элемента преобразователя. Переменное напряжение питающей сети (Uвх.) с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока. С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3). Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. Нарассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение U и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции. При высокой несущей частоте ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи. В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения Uи может достигаться регулированием величины постоянного напряжения Ud, а изменение частоты – режимом работы инвертора. При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует). Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, f вых = var |
|
|
|
