Энергетические (силовые) преобразователи

Определение, основные параметры и классификация

Преобразователи электрической энергии составляют неотъемлемый атрибут любой электронной системы управления, контроля и измерения. Они служат для электропитания устройств, управления исполнительными электродвигателями, регулирования температуры объектов и системы освещения. Энергетические преобразователи оказывают существенное влияние на параметры систем. Например, уровень напряжения электропитания влияет на коэффициенты передачи усилителей, логические уровни напряжений вентилей.

Основным признаком, позволяющим объединить множество разнообразных приборов в единую группу энергетических преобразователей (ЭП) служит способность управлять параметрами электрической энергии. Энергетический преобразователь представляет собой устройство, которое с помощью управляющего (информационного) сигнала х преобразует энергию W₁ электрической сети или автономного источника в энергию другого вида W₂, обладающую параметрами, которые задает управляющий сигнал х (рис. 12.1,а).

12.1. Структура энергетических преобразователей (а) и обозначения выпрямителя (б), стабилизатора (в), регулятора (г), инвертора (д)

Вид электрической энергии (напряжения и тока) на входе и выходе преобразователя служит одним из главных классификационных признаков устройств:

1) выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока (рис 12.1,б);

2) стабилизатор преобразует неуправляемую энергию постоянного тока в напряжение и ток с заданными параметрами (рис 12.1,в);

3) регулятор изменяет по заданному закону значение переменного напряжения (рис 12.1,г);

4) инвертор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока (рис 12.1,д).

Более сложные преобразователи, например, для управления асинхронным электродвигателем, можно построить с использованием соединения приведенных типовых блоков.

Для энергетических (силовых) преобразователей в качестве базового параметра принимают экономичность, характеризуемую коэффициентом полезного действия (КПД), который определяют как отношения полезной выходной мощности преобразователя к подводимой мощности. Экономичность энергетического преобразователя зависит от структуры, элементов схемы и режима их работы, что несложно проиллюстрировать на примерах простых стабилизаторов напряжения.

В силовой электронике прослеживаются история и тенденции развития электрических и электронных управляющих приборов. На начальной стадии развития электротехники в качестве элементов, управляющих электрической энергией (преобразующих напряжения и токи), использовались электромашинные и магнитные усилители, имеющие большую инерционность. Ламповый этап становления электроники привел к созданию мощных электровакуумных и ионных приборов (триодов, тиратронов), составивших основу силовых преобразователей и устройств электропитания. Ламповые преобразователи обладали большими габаритами и значительной теплоотдачей, отличались невысокой надежностью, малым КПД, имели ограниченный срок службы, что служило препятствием в создании высокоэффективных электронных устройств управления, особенно для мобильных систем. Интенсивное развитие энергетической электроники связывают с созданием мощных силовых полупроводниковых приборов и систем управления ими. Это позволило разработать принципы проектирования силовых аппаратов различного назначения на базе типовых структурных, схемных и конструктивно-технологических решений. Основным преимуществом полупроводниковых силовых устройств является их высокая эффективность при достаточно высокой надежности и малых габаритах.

Параметры силовых полупроводниковых преобразователей зависят от множества факторов, влияние которых можно проследить на примерах анализа простых устройств.

Одним из распространенных силовых устройств является источник с параметрической стабилизацией постоянного напряжения непрерывного типа. Он реализован с использованием проходного биполярного транзистора Т₁, смещение рабочей точки которого задается напряжением стабилитрона Д (рис.12.2). Выходное напряжение стабилизатора складывается из напряжений стабилитрона U_д и открытого перехода транзистора U*, т.е. U₂ = U_д + U*. При I_У << I₁ имеем I₂  I₁ и соответствующие мощности на входе P₁ = VI₁ и выходе P₂ = U₂ I₂  U₂I₁, причем входное напряжение U₁ = U₂ + U_кэ. Образующаяся разность входного и выходного напряжений U₁ = V – U₁ компенсируется падением напряжения на транзисторе U₁ = U_кэ, что приводит к потерям мощности в транзисторе P=U_кэI₂, работающем в активном линейном режиме.

Рис 12.2. Источник напряжения с непрерывной (а), и импульсной (б) стабилизацией, диаграмма напряжений импульсного управления (в)

Отношение потерь к подводимой мощности а = P/P₁ = U₁/V пропорционально относительному измерению входного напряжения U₁. При большом диапазоне регулирования напряжения P велико и КПД характеризуется невысокими значениями.

С целью повышения эффективности непрерывное регулирование напряжения заменяют дискретным на основе транзисторного ключа (рис.12.2,б). Подверженное изменениям входное напряжение V с использованием широтно-импульсного модулятора (ШИМ) преобразуется в последовательность импульсов, имеющих постоянный период повторения Т и управляемую длительностью t_и (рис.12.2,в). Выходное напряжение U₂  Vt_и /T получают из импульсной последовательности u₁(t) выделением постоянной составляющей с помощью низкочастотного фильтра (ФНЧ). Выходное напряжение U₂ поддерживается неизменным при вариациях входного V за счет реализуемого ШИМ закона управления Vt_и  const,

Потери энергии импульсного стабилизатора P складываются из потерь в переключателе (P_кл), фильтре (P_фнч) и модуляторе (P_уу). Информационное управляющее устройство (модулятор) потребляет весьма малую мощность. ФНЧ можно реализовать в виде LC фильтра с небольшими потерями. Таким образом, эффективность преобразователя определяется в основном потерями в переключателе, которые можно снизить за счет использования импульсного (ключевого) режима работы регулирующего элемента (транзистора).

Типичная структура импульсного преобразователя содержит блок силовых электронных ключей, схему сглаживания (фильтрации) и устройства управления с использованием цепей обратной связи (рис.12.3).

Рис.12.3. Структура импульсного силового преобразователя

Под действием сигналов управления g₁… g_n производится коммутация силовых ключей для преобразования неуправляемых напряжений U₁₁… U_1k сети электропитания в напряжения U₂₁… U_2k потребителя (нагрузки), обладающие заданными параметрами. Алгоритм работы управляющего устройства определяют сигналы уставки (у) и обратных связей по напряжениям (x_u) и току (x_i). В качестве ключей используются полупроводниковые структуры (управляемые диоды, тиристоры, транзисторы), работающие в режиме переключения.

При несомненном преимуществе импульсных преобразователей коммутация больших токов при высоких напряжениях с малыми временами переключения служит причиной образования мощных электромагнитных помех, распространяющихся по линиям связи и в окружающем пространстве. Это требует применения дополнительных мер по конструктивному и схемотехническому обеспечению электромагнитной совместимости электрических и электронных устройств.

Непрерывное совершенствование полупроводниковой технологии и повышение степени интеграции позволило создать энергетические модули, объединяющие силовые приборы и информационные системы управления, что значительно повысило надежность устройств. Вместе с тем, надежность системы в целом, массогабаритные параметры преобразователей и их характеристики зависят как от типа полупроводниковых элементов, так и от параметров фильтрующих устройств. Весьма актуальной при проектировании силовых преобразователей является проблема совместной миниатюризации и поиск возможностей использования интегральной технологии для построения устройств. Минимизация уровня рассеиваемой мощности требует решения задач расчета тепловых режимов.