1.4 Широтно - импульсные преобразователи

1.4.1 Понижающий и повышающий преобразователи

Широтно - импульсные преобразователи (ШИП) предназначены для регулирования величины выходного напряжения методом широтно - импульсной модуляции (ШИМ) при сохранении на выходе того же рода тока, что и на входе. В зависимости от рода тока различают ШИП постоянного и переменного напряжений. В ИВЭП применяются ШИП постоянного напряжения; они предназначаются для стабилизации напряжения и ограничения токовых перегрузок.

В зависимости от сложности выполняемой преобразовательной функции различают простые и составные ШИП. Простые ШИП выполняют элементарные функции понижения и повышения напряжения и имеют наиболее простые силовые схемы. Составные ШИП получают соединением простых, что позволяет реализовать более сложные функции.

На рис. 1.4.1,а показан понижающий ШИП. Силовая схема, наведенная жирными линиями, состоит из источника постоянного напряжения u_п как источника питания, коммутатора, выходного фильтра и нагрузки Z_н. Коммутатор состоит из последовательного управляемого ключа (транзистор VT) и параллельного неуправляемого (диода VD). В ИВЭП применяют чаще всего двухзвенный Г - образный фильтр, состоящий из дросселя L как основного звена и конденсатора С как дополнительного. Дроссель необходим для выделения среднего значения импульсного напряжения на выходе коммутатора ШИП, поскольку при ШИМ регулируется именно среднее значение. Конденсатор улучшает фильтрацию при больших сопротивлениях нагрузки, когда условие , необходимое для эффективного подавления пульсаций, трудно выполнить. Кроме того, нагрузка часто содержит импульсные потребители тока. При отсутствии конденсатора в моменты нарастания и спада тока возникали бы кратковременные просадки и выбросы напряжения нагрузки. В результате совместного действия дросселя и конденсатора напряжениеu_н хорошо сглажено. При последующем анализе процессов положим его идеально сглаженным. Последовательный и параллельный ключи проводят ток поочередно. При включении в момент t₀ транзистора напряжение питания u_п поступает на выход коммутатора и запирает диод VD (рис.1.4.1,б). Разность между ним и напряжением нагрузки u_н прикладывается к дросселю L и в нем запасается энергия, то есть ток i_в нарастает (рис.1.4.1,в). Ток i_в протекает на этом интервале в контуре u_п,L,u_н,VT. При выключении транзистора в момент t₁ э.д.с. самоиндукции дросселя, которая стремится по правилу Ленца поддержать спадающий ток, приобретает полярность, помеченную на рис.1.4.1,а. Это приведет к отпиранию диода и ток i_в замкнется в контуре L, u_н, VD. Он поддерживается за счет запасенной в дросселе энергии. Энергия убывает, поэтому ток спадает. Выходная цепь коммутатора на этом интервале замкнута накоротко проводящим диодом, поэтомуu_в=0. Затем процессы повторяются с периодом Т_п. Входной ток i_d (на рис.1.4-1,в показан штриховкой) также имеет импульсную форму: он совпадает с током i_в при проводящем транзисторе.

В установившемся режиме напряжение на индуктивности L (на рис.1.4-1,а показано штриховкой) имеет нулевое среднее значение, поскольку индуктивное сопротивление L на постоянном токе равно нулю. Следовательно, среднее напряжение нагрузки равно среднему значению выходного напряжения коммутатора за период:

, (1.4.1)

где - коэффициент заполнения - относительная длительность интервала, когда включен управляемый ключ.

Можно говорить, таким образом, о том, что в понижающем ШИП входное постоянное напряжение преобразуется в импульсное, а напряжение и ток нагрузки, вследствие инерционности выходного фильтра, определяются средним значением импульсного напряжения u_в.

Можно представить себе также механический аналог понижающего ШИП. Движется тяжелое транспортное средство, например, поезд, в котором двигатель включается периодически на определенный интервал времени, а остальное время поезд движется по инерции. Вследствие большой массы поезда скорость его движения определяется не мгновенным, а средним усилием, создаваемым двигателем.

Изменяя коэффициент заполнения , можно регулировать среднее напряжение на выходе коммутатора, а, следовательно, и напряжение нагрузки u_н от нуля (при =0) до u_п (при =1). Систему управления, которая это производит, называют широтно - импульсным модулятором. Ее узлы показаны на рис. 1.4-1,а тонкими линиями.

Задающий генератор ЗГ дает короткие импульсы с частотой широтно - импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 1.4-1,г). Ими запускается в действие генератор пилообразного (опорного) напряжения u_оп, которое сравнивается с управляющим напряжением u_у, вырабатываемым регулятором Р (рис. 1.4-1,д). В точках их равенства срабатывает компаратор КМ, выходной сигнал которого (рис. 1.4-1,е) через формирователь, на схеме не показанный, поступает на включение силового управляемого ключа. Регулятор выполняется как усилитель разности (рассогласования) между выходным сигналом датчика напряжения ДН, пропорциональным фактическому напряжению нагрузки u_н, и заданием u_з по этому параметру.

В повышающем ШИП в сравнении с понижающим (рис. 1.4-2) изменяется наоборот направление потока мощности, а, следовательно, меняются местами источник питания и нагрузка. Поскольку при этом изменяет направление ток дросселя, то должно быть изменено направление проводимости ключей коммутатора и их тип. Параллельный ключ должен стать управляемым, так как в противном случае источник питания u_п будет удерживать ключ (диод) в открытом состоянии и разомкнутое состояние не может быть реализовано. В последовательном ключе достаточен диод, так как разомкнутое состояние обеспечивается автоматически напряжением u_н при включенном VT.

При включении в момент t₁ транзистора VT диод VD запирается, а источник питания подключается к дросселю L, в результате чего в дросселе запасается энергия. Ток на этом интервале протекает в контуре u_п,L,VT. При выключении транзистора в момент t₂ э.д.с. самоиндукции дросселя, стремящаяся поддержать ток, приобретает полярность, помеченную на рис.1.4-2,а. Добавляясь к напряжению u_п, она открывает диод VD и ток i_d начнет протекать через нагрузку (контур u_п,L,VD,u_н). Мощность нагрузки на этом интервале покрывается не только за счет источника питания u_п, но и за счет запасенной энергии в дросселе L, что и обеспечивает напряжение нагрузки более высокое, чем питающее.

Можно представить себе следующий механический аналог повышающего ШИП. Пусть на пути тяжелого транспортного средства периодически встречаются короткие крутые подъемы, которые не могут быть преодолены только за счет тяги, развиваемой двигателем. Если эти подъемы чередуются с длинными участками ровной дороги, на которых транспортное средство может развить достаточную скорость, то преодоление подъемов достигается за счет совместного действия тяги двигателя и энергии движения.

В установившемся режиме среднее напряжение на индуктивности L равно нулю и, следовательно, напряжение питания u_п равно среднему значению входного напряжения коммутатора (рис.1.4-2,б)

, откуда (1.4.2)

При =0 имеем u_н=u_п, при 0 u_нu_п, а при 1 напряжение нагрузки растет неограниченно. В реальном ШИП оно ограничивается за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания, которое при выводе (1.4.2) не учитывалось. Однако этот фактор действует лишь под нагрузкой, а на холостом ходу может получиться очень большое напряжение на выходе, которое в состоянии пробить конденсатор С или диод VD.

Из сказанного вытекает существенный недостаток повышающего ШИП: он не позволяет эффективно ограничивать токовые перегрузки при коротких замыканиях на выходе, поскольку напряжение нагрузки не может в нем регулироваться до нуля. Поэтому повышающий ШИП в чистом виде применяется реже понижающего. Однако он входит в качестве узла в составные ШИП, в частности, в полярно - реверсирующий, который широко используется в ИВЭП.