Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами
.pdf
Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН) имеют высокий КПД (0,8…0,85), меньшие габариты и массу. Как и КС непрерывного действия, ИСПН является устройством, в котором применяется отрицательная обратная связь, ослабляющая изменение напряжения Uвых или тока Iн.
Отличием ИСПН от компенсационного стабилизатора является работа РЭ – транзистора, который работает в режиме ключа, что дает возможность получить с его выхода однополярные импульсы прямоугольной формы Uкл (рисунок 2.22).
Рисунок 2.22 - Структурная схема ИСПН:
Ф – сглаживающий фильтр; РЭ – регулирующий элемент; БС – блок сравнения;
ИБ – импульсный блок.
В БС напряжение Uвых сравнивается с опорным, получающееся при этом разностное напряжение воздействует на ИБ, который вырабатывает управляющие импульсы разной длительности и частоты следования, которые управляют работой РЭ.
Тема 2.4. Управляемые выпрямители одно- и трехфазного тока
Управляемые выпрямители – это устройства, которые позволяют плавно изменять значения выпрямленного напряжения [5, 6].
Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре показана на рисуноке 2.23.
Рисунок 2.23 - Схема однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре
Управление напряжением на выходе такой схемы сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Этот процесс осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг называют углом управления и обозначают , а способ управления называют фазовым (рисунок 2.24).
71
Управление величиной осуществляют с помощью фазовращающей R2C-цепи. Резистором R1 изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD1 обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных импульсов.
Рисунок 2.24 - Временные диаграммы входного напряжения Uвх, напряжения управления Uу и тока на нагрузке iн для однофазного однополупериодного управляемого
выпрямителя
Оптимальной формой управляющих сигналов является короткий импульс с крутым фронтом, который обеспечивает четкое отпирание тиристора. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени используются импульсно-фазовые системы управления.
Однофазный двухполупериодный выпрямитель представлен на рисунке 2.25. В такой схеме тиристоры работают поочередно, на управляющие электроды тиристоров сигналы управления подаются от импульсно-фазового блока управления.
Рисунок 2.25 – Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя
Временные диаграммы представлены на рисунке 3.26.
72
Рисунок 2.26 - Временные диаграммы входного напряжения Uвх, напряжения управления Uу и тока на нагрузке iн для однофазного двухполупериодного управляемого
выпрямителя
Основными характеристиками управляемого выпрямителя являются:
а) характеристика управления, которая выражает зависимость выпрямленного напряжения от угла управления Uн=f( ) (рисунок 2.27);
Рисунок 2.27 - Характеристика управления
б) внешние характеристики, которые определяют зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при фиксированных значениях угла (рисунок 2.28).
Рисунок 2.28 - Внешние характеристики
73
Трехфазные управляемые выпрямители [1, 12] являются выпрямителями средней и большой мощности. Различают схему трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом и схему трехфазного мостового выпрямителя.
Трехфазный выпрямитель с нулевым (или нейтральным) выводом (рисунок 2.29) обычно работает на активно-индуктивную нагрузку. Длительность работы тиристоров определяется углом управления , значение которого задается импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ). Изменение угла приводит к изменению средних значений выпрямленного напряжения Uнср и Iнср тока. Это видно на временных диаграммах при индуктивной нагрузке Lн =0 (рисунок 2.30).
Рисунок 2.29 - Схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом
При угле управления </6 выпрямленный ток iн имеет непрерывный характер и каждый тиристор открыт в течение времени, соответствующего углу 2/3. При угле управления >/6 в выпрямленном токе iн появляются паузы.
74
Рисунок 2.30 - Временные диаграммы трехфазного выпрямителя с нулевым выводом
Характеристика управления трехфазного выпрямителя показана на рисунке 2.31, откуда видно, что при Lн =0 напряжение Uнср равно нулю при =1500 . При Lн =, напряжение на нагрузочном устройстве становится равным нулю при угле управления =900. Характеристики управления при Lн 0 и Lн располагаются между этими двумя предельными характеристиками.
Нагрузочный ток iн при Lн = будет сглаживаться и иметь непрерывный характер при > /6.
Рисунок 2.31 - Характеристика управления трехфазного выпрямителя
В схему трехфазного мостового управляемого выпрямителя входят шесть тиристоров (рисунок 2.32). Тиристоры VS1, VS2, VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4, VS5, VS6 – в анодную группу.
75
Рисунок 2.32 - Схема трехфазного мостового выпрямителя
Также, как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один из анодной группы, другой – из катодной. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 1800 сигнал, поступающий на тиристор анодной группы.
Характеристики управления выглядят так же, как для выпрямителя с нулевым выводом. Отличие лишь в том, что предельным углом управления, при котором Uнср=0, является угол =1200. Внешние характеристики трехфазных управляемых выпрямителей имеют такой же вид, как внешние характеристики неуправляемых выпрямителей.
Тема 2.5. Инверторы. Импульсные источники питания
Источники вторичного электропитания, которые преобразуют постоянное напряжение в переменное напряжение, называют инверторами [7].
Классификация инверторов проводится по следующим признакам: 1) по типу коммутирующих приборов:
а) тиристорные; б) транзисторные;
2)по принципу коммутации; а) ведомые сетью; б) автономные;
3)по роду преобразуемой величины: а) инверторы тока; б) инверторы напряжения;
4)по числу фаз:
а) однофазные; б) трехфазные.
2.4.1 Инверторы, ведомые сетью
76
Схема тиристорного инвертора представляет собой однофазный двухполупериодный инвертор с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рисунок 2.33).
Рисунок 2.33 - Схема тиристорного инвертора
Запирание и отпирание тиристоров происходит под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора, которое создается сетью переменного тока. Поэтому такой инвертор называют инвертором, ведомым сетью.
Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i1, потребляемый от сети, и напряжение U1 находились в противофазе. Подобный сдвиг возможен в том случае, когда тиристоры будут открываться поочередно при отрицательной полярности напряжений U2а и U2в (рисунок 2.34). При этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.
α=1800
α=00
Рисунок 2.34 - Временные диаграммы напряжений и тока инвертора, ведомого сетью
Следует отметить, что, если один тиристор будет отпираться точно при угле управления α=1800 , то другой тиристор не успеет закрыться. В этом случае запирающийся тиристор создаст короткое замыкания по цепи: вторичная обмотка трансформатора – источник Е. Это явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы исключить этот процесс, необходимо сделать угол α< 1800 на угол , который называется углом опережения отпирания (рисунок 2.35).
77
Рисунок 2.35 - Временные диаграммы напряжений и тока инвертора, ведомого сетью при α< 1800 на угол
Автономные инверторы
Автономные инверторы (АИ) осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.
АИ подразделяются на следующие виды:
-автономные инверторы тока (АИТ);
-автономные инверторы напряжения (АИН);
-автономные резонансные инверторы (АРИ).
В АИТ источник питания работает в режиме источника тока, что достигается включением в цепь дросселя L0 (рисунок 2.36).
Тиристоры VS1 и VS2 открываются поочередно запускающими импульсами, поступающими от ИФБУ с входов «Вх1» и «Вх2».
Рисунок 2.36 - Схема автономного инвертора тока
Импульсные источники питания
Импульсные, или ключевые источники электропитания в настоящее время получили широкое распространение. Их основными достоинствами являются:
высокий коэффициент полезного действия;
78
малые габариты и масса;
высокая удельная мощность.
Все перечисленные свойства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов, когда потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Это приводит к тому, что средняя мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном регуляторе.
Улучшение массогабаритных характеристик источника питания обусловлено прежде всего тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса которых намного меньше низкочастотного силового трансформатора.
Кнедостаткам импульсных источников электропитания обычно относят:
сложность схемы;
наличие высокочастотных шумов и помех;
увеличенные пульсации выходного напряжения;
большое время выхода на рабочий режим.
Обобщенная структурная схема импульсного источника питания приведена на рисунке 2.37. Она состоит из четырех основных блоков:
сетевого выпрямителя с емкостным фильтром;
высокочастотного инвертора выпрямленного напряжения
сети;
устройства управления высокочастотным инвертором (обычно это специализированная микросхема управления);
выходного высокочастотного выпрямителя с емкостным
фильтром.
Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно
образуют импульсный преобразователь, который может быть индуктивным и емкостным.
Рассмотрим работу ключевого источника питания, пользуясь обобщенной структурной схемой, приведенной на рисунке 2.37.
Гармоническое напряжение сети (50 или 60 Гц) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющий достаточно большую емкость, что обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения.
79
Рисунок 2.37 - Структурная схема импульсного источника питания
Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения обычно лежит в пределах от 20 до 100 кГц. С увеличением частоты преобразования увеличивается удельная мощность, но одновременно растут потери в элементах преобразователя, что приводит к снижению КПД.
С выхода преобразователя напряжение поступает на высокочастотный выпрямитель с емкостным фильтром.
В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. Широтно-импульсное регулирование выполняется при помощи схемы управления, на вход которой подается выходное напряжение. Для обеспечения гальванического разделения выхода от силовой сети в трансформаторных схемах инверторов обычно используются различные типы устройств гальванической развязки: оптроны, трансформаторы, изолирующие усилители и др.
Выпрямители и инверторы используются также для создания устройств для бесперебойного питания аппаратуры (рисунок2.38).
80