Glava10_Pt

Глава 10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

10.1. Классификация преобразователей постоянного напряжения

Преобразователи постоянного напряжения (ППН) предназначены для пре-

образования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня с высоким КПД. Иногда их называют конверторами. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением Uн, отличающимся по величине от напряжения источника питания Ud.

По построению ППН делятся:

а) на двухзвенные ППН, состоящие из автономного инвертора (АИ), преобразующего постоянное напряжение в переменное, и выпрямителя. Трансформатор, стоящий между выпрямителем и АИ, позволяет получить на выходе напряжения как меньшие, так и большие входного.

б) на непосредственные ППН, выполненные на основе прерывателей [6, 21, 35, 47, 58, 62].

Двухзвенные ППН чаще всего применяются в источниках питания систем управления и автоматики и будут рассмотрены позже.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение ППН?

2.Какие виды ППН вы знаете?

10.2.Непосредственные ППН

10.2.1. Понижающий ППН

На рис. 10.1 а показана схема непосредственного ППН, понижающего напряжение, а на рис. 10.1 б – диаграммы напряжений на нагрузке uн и на коллекторе uк и токов: потребляемого от источника питания id , коллектора iк , диода iд

и нагрузки iн . Построения выполнены при допущении, что транзистор и диод идеальны, емкость конденсатора Cф = ∞ , а ток в цепи нагрузки непрерывен. Диод VD служит для пропускания тока, проходящего при выключении транзистора VT за счет энергии, запасенной в индуктивности нагрузки. Конденсатор Cф уменьшает потери в источнике питания, делая потребление энергии от него более постоянным. Если транзистор VT включается в момент t1, напряжение источника питания прикладывается к нагрузке (к нагрузке прикладывается импульс напряжения), а когда он выключается в момент t2, ток нагрузки протекает за счет энергии, запасенной в индуктивности Lн, и замыкается через диод VD. В момент t3 процессы повторяются.

Для регулирования напряжения на выходе ППН изменяют длительность включенного состояния транзистора. Регулирование напряжения, при котором частота

196

подачи импульсов на нагрузку постоянна, но изменяется их длительность, назы-

вается широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ППН, в которых применяет-

ся такой способ регулирования, называют широтно-импульсными преобразова-

телями (ШИП).

Рис. 10.1. Схема понижающего ППН (а) и диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу (б)

Таким образом, при ШИМ частота и период следования импульсов постоянны. Возможны и другие способы регулирования, при которых регулирование средне-

197

го значения напряжения на выходе производится изменением частоты следования импульсов постоянной длительности (частотно-импульсная модуляция) или одновременным изменением частоты и длительности импульсов (частотно- широтно-импульсная модуляция). Наиболее часто применяется ШИМ. Поэтому далее рассматривается только ШИМ.

Все соотношения ниже рассматриваются для непрерывного тока в нагрузке, когда за время прохождения тока через диод он не спадает до нуля (см. рис. 10.1 б). Ширина области прерывистых токов обычно весьма мала, и даже токи холостого хода двигателя обычно не попадают в эту область, поэтому при проектировании электропривода она, как правило, не учитывается [43].

Чем больше длительность включенного состояния транзистора, тем больше

Так как γ не может быть больше 1, то этот ППН называется понижающим.

В понижающем ППН γ соответствует относительной длительности импульсов

где tи – длительность импульсов напряжения прикладываемых к нагрузке или длительность включенного состояния транзистора; T – период следования импульсов.

Регулировочная характеристика ППН – это зависимость напряжения на на-

грузке от относительной длительности включенного состояния транзисторов или в понижающем ППН от относительной длительности импульсов напряжения, прикладываемых к нагрузке. Следовательно, уравнение (10.1) является уравнением регулировочной характеристики понижающего ППН. Тогда уравнение регулировочной характеристики понижающего ППН в относительных единицах (при принятии за базовое напряжения Ud )

Если вентили идеальны, то КПД ППН равен единице. При этом мощность, потребляемая от источника питания, равна мощности, выделяемой в нагрузке

В соответствии с формулой (10.3) диапазон регулирования выходного напряжения понижающего ППН теоретически начинается от нуля (при tи = 0, γ = 0) и достигает U d (при tи = Т, γ = 1), т.е. эта схема понижает напряжение и, в соответ-

198

ствии с формулой (10.5), увеличивает ток. Схема работает как «трансформатор постоянного тока».

жающих ППН весьма жесткая. Они имеют достаточно высокий КПД. Подробнее эти вопросы будут рассмотрены ниже.

10.2.2. Повышающий ППН

На рис. 10.3 а показана схема непосредственного ППН, повышающего напряжение, а на рис. 10.3 б – диаграммы напряжений на нагрузке uн и на коллекторе uк и токов: потребляемого от источника питания id, коллектора iк, диода iд и нагрузки iн.

Рассмотрим работу схемы. В момент t1 включается транзистор VT, ток через дроссель L нарастает. В момент t2 выключается транзистор и за счет энергии, запасенной в индуктивности, под действием суммы напряжения источника питания U d и ЭДС самоиндукции через вентиль VD заряжается конденсатор Cн , а ток, потребляемый от источника питания, спадает.

В момент t3 процессы повторяются. В этой схеме, в отличие от предыдущей, можно только поднять напряжение.

Таким образом, в течение времени tи ток id идет через транзистор, и запасает-

ся энергия в индуктивности. Затем, в течение интервала времени T – tи ток id идет через диод на зарядку конденсатора и на нагрузку. Постоянная составляющая тока id не проходит через конденсатор, поэтому среднее значение тока, протекающего через нагрузку,

199

Здесь γ – относительное время включенного состояния транзистора.

Рис. 10.3. Схема повышающего ППН (а) и диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу (б)

200

С учетом справедливости равенства мощностей на входе и выходе (см. 10.4)

Тогда уравнение регулировочной характеристики в относительных единицах

Из формулы (10.11) следует возможность бесконечного увеличения напряжения на нагрузке. Однако, из-за роста потерь в дросселе (он не может быть выполнен без потерь) при увеличении γ получить очень большое напряжение невозможно. Целесообразно увеличение напряжения максимум в 3…4 раза. Регулировочная характеристика показана на рис. 10.2.

Внешняя характеристика этого ППН очень мягкая.

Нужно также отметить, что у этой схемы хуже КПД. Он резко падает с ростом коэффициента преобразования напряжения Kи .

10.2.3. Инвертирующий ППН

На рис. 10.4 а показана схема непосредственного ППН, инвертирующего напряжение (т.е. меняющего не только величину, но и знак напряжения на выходе), а на рис. 10.4 б – диаграммы напряжений на нагрузке uн и на коллекторе uк и токов: потребляемого от источника питания id, коллектора iк, диода iд и нагрузки iн.

Рассмотрим работу схемы. В момент t1 включается транзистор VT, ток через индуктивность L нарастает. В момент t2 выключается транзистор, и за счет энергии, запасенной в индуктивности, проходит ток по цепи L, C, VD. Следовательно, на участке t2 – t 3 происходит заряд емкости С, и ток спадает. В момент t3 процессы повторяются. На участке t3 – t 4 одновременно с запасанием энергии в дросселе происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки.

Уравнение регулировочной характеристики в относительных единицах

Здесь g – так же относительное время включенного состояния транзистора.

Из формулы (10.12) следует возможность бесконечного увеличения напряжения на нагрузке. Однако, из-за роста потерь в реакторе (он не является идеальной индуктивностью) при увеличении γ получить большое напряжение невозможно. Целесообразно увеличение напряжения максимум в 2 – 3 раза. Регулировочная характеристика показана на рис. 10.2.

Эта схема имеет мягкую внешнюю характеристику. Нужно также отметить, что у этой схемы низкий КПД. Он резко падает с ростом коэффициента преобразования напряжения Kи .

201

U d

Рис. 10.4. Схема инвертирующего ППН (а) и диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу (б)

Контрольные вопросы

1.Какие виды непосредственных ППН Вы знаете?

2.Что такое регулировочная характеристика ППН?

3.Что такое внешняя характеристика ППН?

4.Сравните различные виды непосредственных ППН.

5.В чем сходство между трансформатором и ППН?

6.Поясните по временным диаграммам процессы, происходящие в ППН.

202

10.3.Нереверсивные понижающие ППН

10.3.1.Регулировочные, внешние и энергетические характеристики нереверсивных понижающих ППН

Рассмотрим вначале непрерывный режим, при котором ток нагрузки не спадает до нуля. Такой режим обеспечивается во всем диапазоне токов, если Lн= ∞ .

Регулировочная характеристика понижающего ППН, построенная по уравнению (10.3), приведена на рис. 10.5 а. Так как для переключения транзистора требуется определенное время, то при плавном изменении γ невозможно получить крайние значения γ = 0 и γ = 1. Поэтому диапазон плавного изменения γ обычно не превышает 0,05…0,95. Нерабочие участки характеристики по краям диапазона регулирования (см. рис. 10.5 а) показаны пунктиром.

U н

U d

Рис. 10.5. Регулировочные характеристики понижающего ППН (а), его системы управления (в) и преобразователя совместно с системой управления (г), а также диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу модулятора (б)

Система управления ППН должна обеспечивать включение транзисторов с заданным значением γ в зависимости от напряжения управления Uупр. Для этого в

203

системе управления должен быть модулятор. На рис. 10.5 б показано, как реализуется процесс модуляции. От генератора опорного пилообразного напряжения подается пилообразное напряжение с частотой, называемой несущей. Опорное напряжение uоп сравнивается на входе компаратора с напряжением управления Uупр. На выходе компаратора появляется импульс требуемой длительности, который после усиления подается на входы силовых транзисторов. Напряжение управления называется модулирующим, и оно может изменяться по любому закону. При этом пропорционально ему будет изменяться γ.

Для модуляции могут быть использованы и другие формы пилообразного напряжения, но данная форма опорного напряжения наиболее часто используется в ППН. При этом транзисторы выключаются передним фронтом пилообразного напряжения, поэтому такая модуляция называется модуляцией передним фронтом.

Если при модуляции напряжение на нагрузке однополярно (см. рис. 10.5 б), то такая модуляция называется однополярной. Существует и двуполярная модуляция, но она будет рассмотрена позже.

Регулировочная характеристика системы управления (РХСУ) с учетом рис. 10.5 б выражается уравнением

Регулировочная характеристика системы управления приведена на рис. 10.5 в.

Регулировочная характеристика преобразователя вместе с системой управления (РХПСУ) с учетом уравнений (10.3) и (10.13) выражается уравнением (10.14) и приведена на рис. 10.5 г:

Она также линейна при непрерывном токе нагрузки.

На рис. 10.6 приведена принципиальная схема силовых цепей понижающего ППН. Конденсатор Сф на входе является обязательным элементом преобразователей, в которых применяются ключи с полной управляемостью (по цепи управления принудительно выключаются ключи). Он имеет двоякое назначение.

Рис. 10.6. Принципиальная схема силовых цепей понижающего ППН с учетом индуктивности соединительных проводов

204

Во-первых, он обеспечивает постоянное потребление энергии от источника питания даже при запертом состоянии ключа. Если бы не было Сф, то ток, потребляемый от источника питания, соответствовал бы току коллектора iк (см. рис. 10.1 б). Если Сф = ∞ , то ток id , потребляемый от источника питания, становится постоянным (см. рис. 10.1 б). Это уменьшает потери в источнике питания, так как они определяются действующим, а не средним значением тока. При устранении пульсаций действующее значение постоянного тока равно среднему.

Во-вторых, между источником питания, транзистором и диодом имеются соединительные провода, имеющие собственную индуктивность Lc. Она показана на рис. 10.6. При выключении транзистора от перенапряжений на индуктивности нагрузки Lн защищает диод, а от перенапряжений на индуктивности соединительных проводов ничто не защищает. Эти перенапряжения могут быть весьма велики. Например, если длина соединительного провода равна 1 м, то его индуктивность примерно 1 мкГн. Если при этом за 1 мкс выключается ток, равный 100 А,

то перенапряжения составят 100 В (uL = Lс × di ), даже если напряжение питания dt

равно 10 В. Таким образом, конденсатор Сф защищает полупроводниковые элементы и должен быть включен как можно ближе к ним, чтобы уменьшить величину Lc.

На рис. 10.7 а приведены временные диаграммы напряжений и токов с учетом неидеальности вентилей при допущении Cф = ∞ , Lн = ∞ . На участке проводимости транзистора напряжение на нагрузке меньше идеального на величину падения напряжения на транзисторе U к , а на участке проводимости диода оно отрица-

ина участке проводимости транзистора Iк = Iн , уравнение внешней

характеристики

Здесь U н0 – напряжение на нагрузке на холостом ходу, определяемое по формуле

(10.1).

На рис. 10.7 б приведена эквивалентная схема ППН, соответствующая уравне-

нию (10.17).

На рис. 10.7 в приведены внешние характеристики понижающего ППН, построенные в относительных единицах. За базовые величины приняты напряжение

При работе на активно-индуктивную нагрузку с ПЭДС все полученные раннее соотношения и характеристики остаются справедливыми, если сохраняется не-

205