7.8 Источники питания с регулируемым выходным напряжением

Очень часто при создании электронных систем требуется регулируемые по величине как постоянные, так и переменные напряжения. Традиционные регуляторы (реостаты, потенциометры, автотрансформаторы) имеют низкий КПД и плохие массогабаритные показатели. Для регулирования выходных напряжений с успехом могут быть использованы схемы на основе тиристоров. В основу процесса регулирования положена возможность изменения момента включения тиристора при подаче на него синусоидального напряжения. Как следует из разложения в ряд Фурье, постоянная составляющая и амплитуда первой гармоники определяются углом отсечки импульсов тока через тиристор.

7.8.1 Управляемые выпрямители

Выпрямители, которые совмещают процесс выпрямления переменного напряжения с регулированием, называют управляемыми выпрямителями. Для изменения момента включения тиристора необходимо сдвинуть по фазе управляющий сигнал по отношению к сетевому. На рисунке 7.21 приведена схема управляемого выпрямителя с простейшей фазовращающей цепочкой, состоящей из переменного резистора R и емкости С.

а б

а – схема; б – диаграммы напряжений и токов

Рисунок 7.21 – Управляемый выпрямитель с фазосдвигающей цепочкой из пассивных элементов

В такой схеме максимальный фазовый сдвиг не превышает 90⁰, т.е. возможности регулирования ограничены. Диаграммы работы выпрямителя приведены на рисунке 7.21б. При положительной полуволне синусоиды тиристор VS открывает только в тот момент (t), когда на управляющем электроде появится положительная полуволна, а она сдвинута на угол  = _у. В отрицательный полупериод тиристор VS закрыт. Очевидно, что постоянная составляющая будет уменьшаться с ростом угла управления. Закон изменения выходного напряжения в зависимости от угла управления будет косинусоидальным (см.(7.5)). Управляемый выпрямитель может быть реализован по любой из рассмотренных схем выпрямителей на диодах с заменой их на тиристоры. Для расширения возможностей регулирования часто используют фазосдвигающую цепочку по схеме на рисунке 3.9. В такой схеме угол регулирования может достигать 180⁰. Однако фазосдвигающие цепочки из пассивных элементов используют в схемах малой мощности, когда токи управления тиристорами небольшие. Кроме того, точность регулирования в таких схемах низкая и регулировка осуществляется вручную.

Для более высококачественного регулирования и обеспечения возможности управления электрическим сигналом используют фазоимпульсный метод управления. В основу этого метода положена подача импульсного сигнала (или серии импульсов для более надежного отпирания тиристоров) в заданный момент времени. Основу схемы фазоимпульсного управления составляет ШИМ, причем начало развертывающего сигнала должно быть строго связано с началом синусоиды питающего напряжения (рису- нок 7.22).

а б

а – функциональная схема; б – диаграммы токов и напряжений

Рисунок 7.22 – Управляемый выпрямитель с системой фазо-импульсного управления

Для этой цели на генератор пилообразного напряжения подается сетевое напряжение, осуществляющее синхронизацию этих сигналов. Сигнал с выхода компаратора (Е3) подается на формирователь импульса управления тиристором (Е4). Это может быть импульсный усилитель, одновибратор, заторможенный блокинг-генератор и т.п. устройства.

Для осуществления фазировки и гальванической развязки цепей управления тиристора с силовыми цепями обычно выход формирователя делают трансформаторным. Диаграммы работы схемы управления и форма выходного напряжения приведены на рисунке 7.22б, а упрощенная схема полумостового выпрямителя на рисунке 7.22а.

Так как генератор опорного напряжения синхронизирован сетью, то фаза импульсного сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения определится величиной управляющего напряжения и законом изменения опорного напряжения (рисунок 7.22б). Схемы ФИУ, в которых используется развертывающее напряжение, называются схемами вертикального типа. При использовании в качестве опорного линейно изменяющегося напряжения фазовая характеристика СФИУ линейна, а полная характеристика регулятора нелинейна и описывается соотношением

U_вых = U_вых.cos , (7.68)

где U_{вых 0} – выходное напряжение при  = 0;

 – угол управления.

При использовании в качестве опорного напряжения косинусоиды (U = U_mcos) для  можно получить следующее соотношение:

 = arc cos(U_у/U_m) . (7.69)

Выражение (7.69) получено из условий: U = U_у;  = .

Подставив (7.69) в (7.68), получим полную регулировочную характеристику СФИУ и силового регулятора:

U_вых/U₀ = U_у/U_m , (7.70)

т.е. полная регулировочная характеристика имеет линейный характер.

Однако на практике получили распространение схемы с линейным развертывающим напряжением, так как нелинейность передаточной характеристики всего регулятора незначительна и легко устраняется введением обратных связей. Передаточные характеристики схемы фазоимпульсного управления ( = f(U_у/U_m и всего регулятора U_вых/U₀ = f(U_у/U_m)) для рассмотренных случаев приведены на рисунке 7.23.

 

а б

а – фазовая характеристика СФИУ; б – передаточная характеристика регулятора; 1-опорное напряжение-косинусоидальное, 2-опорное напряжение-линейное.

Рисунок 7.23 – Передаточные характеристики регуляторов

Схемы выпрямителей с ФИУ используют при создании зарядных станций, приводов постоянного тока, сварочной аппаратуры на постоянном токе и т.п.