Лекции ЭУСТ / 6-_EUST_2T_PPN

Тема: Преобразователи постоянного напряжения (ППН)

Двухзвенный (двухтактный и однотактный) ППН предназначен для преобразования энергии постоянного тока одного значения напряжения в напряжение постоянного тока другого уровня

Модель 2-х тактного инвертора

Инвертор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока

Неуправляемый транзисторный инвертор преобразует энергию постоянного тока в переменное напряжение прямоугольной формы.

Более сложные инверторы с обратными связями формируют на выходе переменное напряжение прямоугольной формы с паузой в нуле, трапецеидальной или синусоидальной формы.

Модель 2-хтактного инвертора содержит два ключа, трансформатор и устройство коммутации ключей

В операции инвертирования можно выделить две задачи:

Задача 1:

Выходное напряжение переменное (знакопеременное). Это значит, что магнитный поток периодически меняет своё направление на противоположное.

Отсюда, имеет место задача периодической смены направления магнитного потока при наличии однополярного источника питания.

Задача 2:

Формирование прямоугольной формы переменного напряжения на выходе инвертора.

Графически прямоугольная форма переменного напряжения есть периодическая скачкообразная смена состояний с положительного на отрицательное и обратно и постоянство ЭДС в пределах полупериода.

Отсюда, имеет место задача обеспечения постоянства ЭДС в пределах полупериода коммутации ключей.

Задача 1 решается путём подключения одного из полюсов источника питания к средней точке первичной обмотки трансформатора. Ключи коммутируются и с интервалом полпериода частоты коммутации подключают второй полюс источника питания к полуобмоткам первичной обмотки трансформатора. При этом каждые полпериода магнитный поток меняет свое направление на противоположное.

Задача 2 решается трансформатором, который должен обеспечить в пределах полупериода постоянство индуцируемых в обмотках ЭДС. В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС есть первая производная магнитного потока во времени. Это значит, что, если требуется постоянство ЭДС в пределах полупериода, то магнитный поток в пределах полупериода должен изменяться линейно от насыщения до насыщения. Естественно, что нет возможности обеспечить истинную линейность (как и истинное постоянство). Но мы в состоянии обеспечить достаточное приближение траектории магнитного потока к линейной в выбранных временных рамках, а, конкретно, в пределах полупериода частоты коммутации ключей. Трансформатор со входа (со стороны первичной обмотки) представляется апериодическим звеном (эквивалентная индуктивность и эквивалентное сопротивление). Инерционность трансформатора описывается его постоянной времени _{тр =} L_э / r_э.

Задавая соотношение: _тр » T_пр / 2, получаем решение задачи:

.

Осциллограммы:

U_пос

Ф

+ Ф_m

Ф_max

- Ф_m

+ const

ЭДС _W2

t

К₁

К₁

К₁

К₂

К₂

К₂

– const

Реальная ЭДС прямоугольной формы

Графическая модель

ЭДС прямоугольной

формы

• Связь частоты преобразования с параметрами

трансформатора

= U_пос – (U_{кэ нас} + ΔU_тр) ,

где U_{кэ нас} , ΔU_тр - падения напряжения на транзисторе и трансформаторе

при (U_{кэ нас} + ΔU_тр) « U_пос

W₁

dФ₀

dt

dФ₀

W₁

≈ U_пос

dt

За полпериода f_пр магнитный поток Ф₀ проходит от насыщения до насыщения:

+Ф_m Т_пр / 2

W₁ ∫ dФ₀ = U_пос ∫ dt

-Ф_{m 0}

После преобразований получаем:

f_пр =

U_пос

4 W₁ B_m S_ст.акт

f_пер

f_пер

U_пос = const

I_н = const

U_пос

I_н

U_{пос min}

I_{н min}

Тема: Работа инвертора на выпрямитель

и сглаживающий фильтр

• К диодам мостовой схемы выпрямления прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы от инвертора (И). Положительную полуволну пропускают диоды Д₁ - Д₃. Отрицательную – диоды Д₂ – Д₄. Граничная частота выпрямительных диодов < 1 МГц. Граничная частота силовых транзисторов » 1 МГц. Поэтому при анализе влияния 2-го звена ППН на работу инвертора учитываются инерционности только выпрямителя и сглаживающего фильтра.

• Время выключения (время восстановления обратного сопротивления) диода t_выкл намного больше времени включения (переход в проводящее состояние) :

t_выкл = (3 – 7) t_вкл

Поэтому в момент коммутации (смены прямоугольных полуволн) одна пара диодов (закрытых) включилась, а вторая пара (проводящих) не успела выключиться. И в течение времени ∆t оказываются в проводящем состоянии все четыре диода выпрямительного моста. Мост стягивается в точку и вторичная обмотка трансформатора инвертора оказывается замкнутой накоротко (КЗ). Напряжение на выходе инвертора в промежутке ∆t равно нулю. Равно нулю и выпрямленное напряжение. Т.е. в выпрямленном напряжении промежутке ∆t имеют место провалы до нуля. При этом снижается уровень средневыпрямленного напряжения U_в.ср (= U₀) и повышаются требования к снижению уровня пульсаций.

• Для преобразования импульсов в постоянное напряжение включаем индуктивный СФ (реактор с индуктивностью L).

Однако, противоЭДС, индуцируемая в реакторе выпрямленным током , препятствует спаду тока и растёт время выключения t_выкл. Провалы до нуля ∆t^/ становятся шире. В результате уровень средневыпрямленного напряжения понижается ещё больше как за счёт роста ∆t^/, так и за счёт падения напряжения на реакторе СФ. Повышаются ещё больше требования к снижению уровня пульсаций.