управления. Во всех рассмотренных примерах автономные инверторы были однофазными. однако по таким же принципам можно строить и их многофазные варианты.
Импульсные преобразователи постоянного тока.
На основе полупроводниковых приборов, работающих в ключевом режиме можно строить устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения,
так называемые импульсные преобразователи постоянного тока.
Простейшая схема такого устройства представлена на (Рис. 124 а). Она состоит из ключа К, периодически подключающего цепь нагрузки к
источнику питания с напряжением Uпит. На интервале (0-t1), называемом длительностью импульса tИ, ключ К замкнут и к нагрузке приложено всё напряжение источника Uпит.На интервале (t1 - t2), называемом длительностью паузы tП, ключ К разомкнут и среднее значение напряжение на нагрузке за период Т=tИ+tП , составляет:
|
|
U HCP = |
U пит tИ |
(120) |
|
|
tи |
Т |
|||
|
|
|
|||
Обозначая: γ= |
(121), как коэффициент заполнения импульса, полу- |
||||
Т |
|||||
|
|
|
|
||
чим: |
U HCP =U ПИТ γ |
(122). |
|||
|
|
||||
Изменяя коэффициент заполнения γ в пределах от γmin=0 до γmax=1, можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке в пределах от
UH min = 0 |
|
γ = 0 |
U H max =U ПИТ γ =1. |
|
Причём коэффициент заполнения γ, а, следовательно и напряжение на
нагрузке можно изменять тремя способами: |
|
1. tИ=var; T=const, |
(123), |
т.е. при неизменной частоте замыкания и размыкания ключа К изменять длительность его замкнутого состояния tИ. Такой способ называют широтно-
импульсным регулированием (ШИР).
2. tИ=const; T=var, |
(124), |
111
т.е. при неизменной длительности замкнутого состояния ключа tИ регулировать частоту его замыканий. Такой способ называется частотноимпульс-
ным регулированием (ЧИР).
3. tИ=var; T=var, (125).
В этом случае одновременно регулируются и частота и длительность tИ. Та-
кой способ называют время - импульсным регулированием (ВИР).
Следует отметить, что в данной схеме напряжение нагрузки можно регулировать только в сторону понижения относительно напряжения источника UПИТ. Поэтому подобные преобразователи называют преобразователями понижающего типа.
Существует класс преобразователей, которые обеспечивают напряжение на нагрузке, превышающее напряжение источника питания. Такие преобразователи на-
зываются преобразователями повышающего типа. В качестве примера рассмотрим схему (Рис.125). Ключ К периодически подключает индуктивность L и там накапливается определённое количество энергии, пропорциональное току iL и длительности его протекания tИ . При размыкании ключа К в индуктивности L возникает Э.Д.С. самоиндукции, под действием которой открывается вентиль В и энергия, накопленная в индуктивности, сбрасывается в конденсатор С. Этот процесс повторяется периодически, обеспечивая подпитку энергией конденсатор С и нагрузку. При определённых условиях напряжение на конденсаторе, а, следовательно, и на нагрузке, может значительно превосходить напряжение источника питания.
Регуляторы переменного напряжения.
Для регулирования переменного напряжения в нагрузке широкое применение получили тиристорные регуляторы. Простейшая схема такого регулятора приведена на (Рис. 126 а). Два тиристора Т1 и Т2 включены встечнопараллельно в цепь нагрузки ZН. Каждый тиристор работает на своём полупериоде (положительном или отрицательном). Причём открываются они с углом управления α (Рис.126 б), а закрываются в момент перехода тока нагрузки через нуль. Регулируя угол α, можно регулировать напряжение UH в широких пределах от
UHmax=UC до UHmin=0.
Однако такой способ регулирования сильно
a)
U1
б)
Рис. 126
112
искажает форму кривой напряжения и изменяет фазу его первой гармоники. Поэтому в ряде случаев более предпочтительными могут оказаться импульсные регуляторы переменного напряжения, простейшая схема которого представлена на (Рис. 127). Здесь в цепь нагрузки ZH включена последовательно обмотка W2 высокочастотного трансформатора Тр, которая периодически замыкается накоротко ключом К1, а первичная обмотка W1 периодически подключается ключом К2 на напряжение питающей сети UC. Ключи К1 и К2 работают с основной частотой fK>>fC, причём рабо-
тают они в противофазе. (Рис. 128). Пусть на интервале (0 - t1) ключ К1 разомкнут, а К2 - замкнут. Тогда обмотка W1
Рис. 127 трансформатора будет подключена ключом К2 на напряжение питающей сети UC.
Полагая полупериод (0 ÷ T2 ) положительным, обозначим полярность его на
(Рис. 128) без скобок. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет
e2 |
= |
|
UC W2 |
= |
UC |
, |
(126) |
|
|
W |
K |
Tp |
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|
||
где: W1 = KTp - коэффициент трансформации трансформатора.
W2
Причём полярность е2 будет такой, как указано на (Рис. 127) без скобок. По отношению к напряжению UC она будет встречной и поэтому напряжение на
нагрузке UH будет равно: UH=UC - e2
(UC-e2) |
(127). |
На интервале |
(t1 - t2) ключ К1 |
замкнут, а К2 - разомкнут. Первичная обмотка трансформатора отключена от питающей сети, а вторичная замкнута накоротко ключом К1. Поэтому на этом интервале
UH=UC
(128).
Далее процессы повторяются. Таким образом, мгновенное
Рис. 128 значение напряжения на нагрузке будет представлять собой зубчатую кривую (Рис.128), а его среднее значение UHCP можно регулировать в
113
пределах от UHmax=UC до UHmin=UC - e2 в зависимости от соотношения времени замкнутого состояния ключей К1 и К2. Учитывая, что частота, на которой
работают ключи fK значительно больше частоты сети fC, массогабаритные параметры трансформатора оказываются очень высокими, а высокочастотные пульсации напряжения нагрузки можно легко убрать при помощи простейших фильтров. Рассмотренный пример позволяет регулировать выходное напряжение только вниз от напряжения сети UC , т.е. осуществляется вольтоотбавка. Если поменять местами начало и конец какойлибо из обмоток трансформатора W1 или W2, то получим вольтодобавку и выходное напряжение UH можно будет регулировать в сторону увеличения по отношению к напряжению питающей сети UC . Существуют схемы регуляторов, которые обеспечивают регулирование выходного напряжения и вверх и вниз по отношению к UC.
Прерыватели постоянного и переменного тока.
Во всех рассмотренных схемах управляемых вентильных преобразователей применялись бесконтактные ключи постоянного или переменного тока. В качестве ключей постоянного тока(прерывателей постоянного тока) могут использоваться либо транзисторы в ключевом режиме, двухоперационные (запираемые) тиристоры, либо обычные тиристоры, снабжённые специальным дополнительным устройством - узлом принудительной коммутации, в котором используется любой из рассмотренных ранее в разделе "Тиристоры
идинисторы" способов.
Вкачестве ключей переменного тока могут использоваться следующие схемы (Рис. 129):
|
|
|
|
RН |
|
|
|
RН |
|
||
R |
|||||
|
|
|
RН
RН |
|
RН |
|
|
|
Рис. 129
114
а) Симистор, включенный последовательно с нагрузкой.
б) Аналог симистора - два встречнопараллельно включенных тиристора. в) Два встречнопараллельно включенных транзистора. Вентили В1 и В2 включают последовательно с транзисторами для того, чтобы защитить тран-
|
зисторы от высокого обратного |
|
|
напряжения. |
|
|
г) Два встречно включенных тран- |
|
|
зистора. Вентили В1 и В2 необхо- |
|
а) |
димы для предотвращения инверс- |
|
ного режима работы транзисторов. |
||
|
||
|
д) Диодный мост с тиристором Т в |
|
|
диагонали постоянного тока. При |
|
|
размыкании этой диагонали пре- |
|
|
кращается ток и в другой диагона- |
|
|
ли - диагонали переменного тока, |
|
б) |
куда включена нагрузка. |
|
е) Та же самая схема, что и на |
||
|
||
|
(Рис.129 д), но с транзисторным |
|
|
ключом в диагонали постоянного |
|
|
тока. |
|
|
Транзисторные сглаживающие |
|
|
фильтры. |
Транзисторы могут с успехом применяться в высокоэффективных сглаживающих фильтрах для фильтрации переменной со-
ставляющей выпрямленного напряжения. В основе работы таких фильтров лежит способность транзистора оказывать различное сопротивление постоянной и переменной составляющей протекающего через него тока (статическое и динамическое сопротивление).
Простейшая схема транзисторного сглаживающего фильтра представлена на (Рис.130). Нагрузка RH включена в коллекторную цепь транзистора. В базовую его цепь включены конденсатор С и резистор Rб. Ёмкость конденсатора С должна быть такой, чтобы её сопротивление переменной составляющей было значительно меньше сопротивления перехода эмиттер - база по постоянному току :
1 |
|
rЭБ |
(129). |
|
ω |
C |
|||
|
|
Тогда переменная составляющая входного тока транзистора будет замыкаться, в основном, через конденсатор С, минуя входную цепь транзистора, а постоянная его составляющая потечёт через переход эмиттер - база. Резистор
115
Rб необходим для выбора положения рабочей точки на лини нагрузки (Рис. 130 б), например, точки А. Тогда статическое сопротивление транзистора (сопротивление по постоянному току) определяется как:
RCT = |
UКЭА |
= tgα. |
(130) |
|
|||
|
IКА |
|
|
Сопротивление по переменному току (динамическое сопротивление) находится как:
Rд = |
U |
|
|
IБ = сonst = tgβ, |
(131) |
|
|||||
I |
|
||||
|
|
|
|
||
где β - угол наклона касательной, проведённой к характеристике, на которой расположена рабочая точка.
Очевидно, что Rд>>RСТ.
При выполнения условия (129) коэффициент сглаживания такого фильтра может быть очень высоким. Недостатком таких фильтров является их неэкономичность, так как расположение рабочей точки на пологом участке характеристики приводит к большой мощности, рассеиваемой на транзисторе РК:
РК=UКЭА·IКА.
(132)
Существуют схемы фильтров, где активный элемент - транзистор включают параллельно нагрузке (Рис.131). В
этом случае необходимо добиться, чтобы динамическое сопротивление транзистора Rд было значительно меньше статического сопротивления RCТ. Тогда переменная составляющая тока нагрузки будет в основном замыкаться через транзистор, а постоянная составляющая будет выделяться в нагрузке. Для этого между коллектором и базой вводится конденсатор С, сопротивление которого по переменной составляющей гораздо меньше, чем сопротивление резистора
R1. Поэтому переменная составляющая усиливается транзистором Т и, протекая по балластному резистору Rбал, создаёт на нём падение напряжения, а постоянная составляющая, для которой транзистор представляет собой гораздо большее сопротивление, чем нагрузка RH, протекает по цепи нагрузки.
116