Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
91
17. Основные дестабилизирующие факторы, вызывающие изменение
напряжения (тока) электроприемников систем электроснабжения.
18. Дать определение понятия «Стабилизатор напряжения (тока или
мощности)».
19. Классификация стабилизаторов.
20. Записать выражение для коэффициента стабилизации, пояснить
смысл его составляющих.
21. Пояснить принцип действия параметрического стабилизатора
постоянного напряжения.
22. Пояснить принцип действия компенсационного стабилизатора по-
стоянного напряжения с непрерывным регулированием.
23. Пояснить принцип действия компенсационного стабилизатора
постоянного напряжения с импульсным регулированием.
24. Пояснить причину более высокого значения КПД импульсных
компенсационных стабилизаторов по сравнению с линейными.
92
ЛЕКЦИЯ № 5
Тема лекции: Статические преобразователи постоянного
напряжения
Вопросы лекции:
1. Назначение, классификация и обобщенная структурная схема преоб-
разователя постоянного напряжения в переменное.
2. Электромагнитные процессы и основные расчетные соотношения в
транзисторном инверторе.
3. Электромагнитные процессы в тиристорном однофазном
параллельном автономном инверторе тока.
4. Области применения, принцип действия и классификация преобразо-
вателей постоянного напряжения.
5. Сравнительная оценка основных типов непосредственных преобразо-
вателей постоянного напряжения.
6. Двухзвенные преобразователи постоянного напряжения. Стабилиза-
ция выходного напряжения преобразователей.
ВОПРОС 1. Назначение, классификация и обобщенная структурная
схема преобразователя постоянного напряжения в
переменное
На практике часто возникает задача преобразования постоянного
напряжения в переменное напряжение или ток. Процесс преобразования
постоянного тока в переменный получил наименование и н в е р т и р о в а н и я , а устройства, осуществляющие это преобразование, называются
и н в е р т о р а м и . Термин "инвертирование" происходит от латинского
слова i n v e r c i o - переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в
преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, и характеризовал процесс, при котором поток электрической энергии постоянного тока поочередно изменял свое направление
на обратное таким образом, что в нагрузке протекал переменный ток. Таким образом, устройства, преобразующие электрическую энергию посто-
93
янного тока в электрическую энергию переменного тока с постоянной
или регулируемой частотой, называются и н в е р т о р а м и .
Необходимость применения такого типа устройства возникает в следующих случаях:
- когда единственным источником электрической энергии в системе
является химический источник тока, а некоторые приемники требуют для
электропитания только переменный ток;
- при необходимости преобразовать напряжение переменного тока од-
ной частоты в переменный ток другой частоты (более высокой);
- при необходимости повысить качество выпрямленного напряжения
путем преобразования выпрямленного напряжения промышленной частоты в переменное напряжение повышенной частоты с последующим его
выпрямлением для уменьшения коэффициента пульсаций. Это достигается в схемах, которые предназначены для преобразования напряжения
постоянного тока одной величины в постоянное напряжение другой величины с промежуточным преобразованием постоянного напряжения в переменное и с последующим его выпрямлением.
Основные области применения инверторов:
питание потребителей переменного тока в устройствах, где един-
ственным источником электрической энергии является аккумуляторная батарея (например, бортовые источники питания самодвижущихся объектов),
а также питание ответственных приемников при аварии в сети переменного
тока (например, электросвязь);
электротранспорт, питающийся от контактной сети постоянного
или переменного напряжения, где для регулируемого электропривода желательно иметь простые, дешевые и надежные асинхронные двигатели с
короткозамкнутым ротором;
электропривод, где требуется переменная частота вращения; в этом
случае инвертор является источником с регулируемой частотой и напряжением;
преобразователи постоянного напряжения одного номинала в по-
стоянное или постоянные напряжения других номиналов;
94
в высоковольтных ЛЭП постоянного напряжения для преобразова-
ния передаваемого на дальнее расстояние постоянного напряжения в переменное напряжение промышленной частоты.
Физическая сущность процесса инвертирования постоянного тока состоит в том, что посредством применения полупроводниковых переключателей, соединенных в схему инвертирования, и соответствующим чередованием замкнутого и разомкнутого их состояния обеспечивается такое подключение сопротивления нагрузки к источнику постоянного тока, которое
обеспечивает изменение направления тока в нагрузке, подобно протеканию
по ней переменного тока [3,4]. Путем такого преобразования электрической
энергии создается возможность электропитания приемников переменного
тока от первичного источника электрической энергии постоянного тока.
Инверторы принято классифицировать по ряду признаков:
- по числу импульсов противоположной полярности за период изме-
нения выходного напряжения;
- по схеме преобразования;
- по числу фаз вторичной обмотки трансформатора;
- по типу применяемых переключающих вентильных устройств;
- по способу управления или коммутации переключающими устрой-
ствами.
По числу импульсов тока противоположной полярности за период изменения выходного напряжения различают о д н о т а к т н ы е и д в у х т а к т н ы е инверторы. В однотактных в сопротивление нагрузки за период
изменения выходного напряжения из первичной сети постоянного напряжения передается один импульс тока. В двухтактных инверторах за один
период изменения выходного напряжения таких импульсов передается два.
Однотактный инвертор относительно прост в схемотехническом отношении, но магнитопровод его трансформатора (дросселя) работает в ре-
жиме одностороннего намагничивания, что не позволяет реализовать хоро-
шие показатели при использовании большинства современных магнитных
материалов.
95
В двухтактном инверторе трансформатор не подмагничивается, в результате чего обеспечивается непрерывный отбор мощности от первичного
источника постоянного напряжения и передача ее в сопротивление
нагрузки. По этим причинам магнитопроводы трансформаторных двухтактных инверторов компактнее, чем однотактных.
На основе как однотактных, так и двухтактных инверторов могут
строиться многофазные инверторы. В таких инверторах несколько отдельных парциальных инверторов работают на общее сопротивление нагрузки,
но переключаются со сдвигом по фазе один относительно другого. Это позволяет снизить интенсивность помех, возникающих при переключении вентильных элементов в инверторе.
Под схемой преобразования (инвертирования) понимают схему соединения вентильных элементов и элементов для их коммутации, а также
трансформатора и в отдельных случаях входного или выходного фильтра.
Работа инвертора и его технико-экономические показатели в основном
определяются схемой инвертирования, от которой зависят форма кривой
выходного напряжения, форма кривой потребляемого тока, внешняя (или
нагрузочная) характеристика, КПД инвертора, допустимое изменение коэффициента мощности нагрузки (указываемого обычно по основной гармонике напряжения на сопротивлении нагрузки), максимальное (мгновенное)
значение тока нагрузки, определяющее для большинства схем порог устойчивой работы инвертора.
На практике находят применение следующие схемы инвертирования:
- однофазная однотактная (рисунок 1);
- однофазная двухтактная (рисунок 2);
- однофазная мостовая (рисунок 3);
- трехфазная однотактная с нулевым выводом (рисунок 4,а);
- трехфазная мостовая (рисунок 4,б).
В зависимости от требований, предъявляемых к инверторам со стороны их приемников, они могут быть с трансформаторным и бестрансфор-
96
маторным (гальваническим) выходом. Как правило, трансформаторная
схема применяется в тех случаях, когда необходимо изменить величину выходного напряжения относительно напряжения источника питания или
обеспечить электрическую р а з в я з к у цепей постоянного и переменного
тока. Примеры схем обоих типов приведены на рисунок 2,а,б.
По числу фаз вторичной обмотки трансформатора различают одно-
фазные, двухфазные и трехфазные инверторы.
По типу переключающих вентильных устройств (ключей) различают
т р а н з и с т о р н ы е и т и р и с т о р н ы е инверторы. Транзисторные инверторы применяют для получения выходной мощности от 20...50 Вт до
1000 Вт. При большей выходной мощности (от 1 до 100 кВт и более), особенно при большом первичном, напряжении применяются тиристорные инверторы.
В зависимости от способа управления или коммутации переключаю-
щими устройствами различают два основных класса инверторов:
- инверторы с самовозбуждением или автономные инверторы;
- инверторы с независимым возбуждением или инверторы, ведомые
сетью.
А в т о н о м н ы й - это полупроводниковый инвертор, в котором ком-
мутация полупроводниковых приборов осуществляется под действием
напряжения, обусловленного элементами, входящими в состав полупроводникового инвертора (ГОСТ 23414-84).
В е д о м ы й - это полупроводниковый инвертор, в котором коммута-
ция полупроводниковых приборов осуществляется под действием напряжения, обусловленного внешними по отношению к полупроводниковому
инвертору источниками электрической энергии (ГОСТ 23414-84).
Рассмотрим сущность процесса инвертирования на примерах. На схе-
мах инверторов применено буквенно - цифровое обозначение условных
номеров ключей-прерывателей (рисунок 1,а ). В однофазной однотактной
схеме (рисунок 1,а) при замыкании ключа S1 источник питания подключается непосредственно к нагрузке. При периодическом замыкании и
размыкании ключа на нагрузке получим импульсы напряжения прямоугольной формы (рисунок 1,б). Длительность импульсов напряжения и их
частота следования полностью определяется режимом работы ключа. Для
97
выделения переменной составляющей напряжения на нагрузке в такой
схеме целесообразно применить трансформатор.
Рисунок 1 - Однофазная однотактная схема инвертора (а)
и временная диаграмма выходного напряжения (б)
Аналогичным образом работает однофазная двухполупериодная
схема с нулевым выводом (рисунок 2,а,б). Различия состоят только в том,
что ключи S1 и S2 замыкаются н е о д н о в р е м е н н о , а поочередно,
таким образом, когда замкнутому состоянию ключа S1 соответствует разомкнутое состояние ключа S2 и наоборот, т.е. ключи работают в противофазе. Если интервал времени замкнутого и разомкнутого состояния ключей
S1 и S2 одинаковы, то в нагрузке получим переменное напряжение прямоугольной формы.
Рисунок 2 - Однофазная двухтактная схема с нулевым выводом:
а) бестрансформаторная; б) трансформаторная;
в) временная диаграмма выходного напряжения
В мостовой схеме инвертора (рисунок 3) для получения переменного
напряжения на выходе необходима одновременная коммутация двух ключей S1, S4 и S2, S3 в противофазе.
Рисунок 3 - Однофазная мостовая схема
98
Рисунок 4 - Трехфазная однотактная схема с нулевым
выводом (а) и трехфазная мостовая схема (б)
В зависимости от характера протекания электромагнитных процессов
в схемах автономных инверторов их подразделяют на три основных типа:
- инверторы тока;
- инверторы напряжения;
- резонансные инверторы.
Это разделение носит условный характер. За определяющий признак
при этом принимается проводимость цепи постоянного тока со стороны
непосредственно преобразующей части (например, со стороны тиристоров)
относительно переменной составляющей напряжения.
Рассмотрим это более подробно на примере двух автономных инверторов, питающихся от источника постоянного напряжения Ud (рисунок 5).
Поскольку в цепи постоянного тока первого инвертора (рисунок 5,а) включен дроссель Ld с большой индуктивностью, то в интервале между коммутациями ключевых элементов S1...S4 ток дросселя изменяется незначительно. В результате ключевые элементы инверторов изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке, что и нашло отражение в
соответствующей терминологии – инв е р т о р т о к а . Нагрузка таких
инверторов носит, как правило, емкостный характер, поскольку при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникали бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы.
В схеме (рисунок 5,б) источник постоянного напряжения подключен
непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате
нагрузка питается как бы от источника переменного напряжения. Такая
схема классифицируется как и н в е р т о р н а п р я ж е н и я . Нагрузка в
99
этом случае должна носить активный либо индуктивный характер (если
на выходе инвертора не установлены специальные фильтры), так как при
емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов.
В резонансных инверторах нагрузка, имеющая большую индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. При этом собственная частота контура должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Такие инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в
нагрузке и применяются для получения переменного напряжения или тока
повышенной частоты (более 1000 Гц).
Рисунок 5 - Схемы и временные диаграммы инверторов тока (а,б)
и напряжения (в,г)
Таким образом, сущность процесса инвертирования заключается в периодическом подключении нагрузки или первичной обмотки трансформатора к источнику постоянного тока с одной и той же полярностью в однотактных или с противоположной полярностью в двухтактных схемах инверторов.
Основными характеристиками, которые позволяют сравнивать между
собой различные схемы инверторов, являются:
100
- зависимость величины выходного напряжения инвертора от вели-
чины напряжения питания постоянного тока при заданном токе нагрузки:
U
вых
= f(Ud) при I
вых
= const;
- зависимость частоты выходного напряжения инвертора от величины
напряжения питания при заданном токе нагрузки:
f = f(Ud) при I
вых
= const;
- внешняя характеристика инвертора - зависимость выходного напря-
жения инвертора от величины тока нагрузки при неизменном напряжении
питания:
U
вых
= f (I
вых
) при Ud = const;
- выходное сопротивление инвертора (внутреннее), которое определя-
ется по внешней характеристике инвертора:
;
вых
вых
вы
I
U
R
х
- коэффициент полезного действия инвертора:
η = P
вых
/ Pвх ;
- величина выходной мощности инвертора P
вых
.
ВОПРОС 2. Электромагнитные процессы и основные расчетные со-
отношения в транзисторном инверторе
Все известные в настоящее время транзисторные инверторы по принципу действия являются г е н е р а т о р а м и . Из технической электроники
известно, что генератор - это устройство, преобразующее электрическую
энергию источника постоянного напряжения в энергию незатухающих
электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности. Различают генераторы с самовозбуждением ( а в т о г е н е р а т о р ы ) и генераторы с внешним возбуждением, которые по существу являются усилителями мощности. Электронные автогенераторы подразделяются на автогенераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и автогенераторы
несинусоидальной формы, которые принято называть р е л а к с а ц и о н н ы м и (импульсными) автогенераторами. Последние находят широкое
применение в электропитающих установках систем связи в качестве вторичных источников питания различного функционального назначения.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]