Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
101
Благодаря хорошим частотным характеристикам современных транзисторов (свыше 100 МГц) транзисторные инверторы позволяют получать
выходное переменное напряжение в широком диапазоне частот.
Схема простейшего однофазного однотактного транзисторного инвертора, которая представляет собою релаксатор с электромагнитной связью, изображена на рисунок 6,а. Схема содержит линейный (с немагнитным
зазором) трансформатор Т с тремя обмотками, транзистор VT1, резистор Rб
для ограничения тока базы и резистор Rсм для начального смещения рабочей точки транзистора. При подаче входного напряжения Ud, благодаря
наличию начального смещения возникает ток базы Iб транзистора, и соответствующее возрастание коллекторного тока VT1 и обусловленное им
нарастание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора Т. При
этом в обмотках wб и w2 наводятся ЭДС. Обмотка положительной обратной
связи wб подключена к транзистору таким образом, что протекающий в ней
ток базы Iб способствует открыванию транзистора.
Поскольку трансформатор линейный, то коллекторный ток Iк нарастает по линейному закону до тех пор, пока не достигнет значения тока
насыщения транзистора Iкm. При этом магнитный поток также нарастает по
линейному закону, и в соответствии с законом электромагнитной индукции
ЭДС во всех обмотках имеют определенную полярность и постоянную по
амплитуде величину.
В момент достижения током коллектора значения насыщения Iкm его
дальнейший рост прекращается, соответственно прекращается изменение
магнитного потока в магнитопроводе трансформатора, и величина ЭДС во
всех обмотках снижается до нулевого значения. В результате этого ток базы
Iб и ток коллектора Iк скачком изменяются практически до нуля. Транзистор
переходит в режим отсечки, в обмотке wк наводится ЭДС самоиндукции,
а магнитный поток от своего максимального значения, которое он имел в
момент времени t1 плавно (в силу линейности трансформатора с немагнитным зазором) уменьшается до нуля. При этом во вторичной обмотке формируется задний фронт импульса выходного напряжения.
Достоинством рассмотренной схемы является простота, небольшое
количество элементов, обусловленная этим низкая стоимость и высокая
надежность в работе. Главным недостатком схемы является наличие посто-
102
янного подмагничивания материала магнитопровода трансформатора, в результате чего инвертор имеет большие массу и габариты, а также влияние
изменения сопротивления нагрузки на режим работы схемы. Поэтому такая
схема имеет ограниченное применение и используется лишь для преобразования мощности не более 1 ... 2 Вт.
Рисунок 6 - Схема однофазного однотактного транзисторного
инвертора (а) и временные диаграммы (б)
Недостатки, свойственные однотактным инверторам, исключаются в
схемах двухтактных инверторов. Рассмотрим электромагнитные процессы
и основные расчетные соотношения в широко распространенной схеме
двухтактного самовозбуждающегося инвертора (автогенератора), в котором транзисторы попеременно находятся в состоянии насыщения либо отсечки (рисунок 7,а). Такой инвертор называют автогенератором с насыщающимся силовым трансформатором. Основными элементами схемы являются транзисторы VT1 и VT2 и трансформатор Т. Резисторы RБ1 и RБ2 определяют базовый ток транзисторов. Процесс возбуждения колебаний в схеме
происходит следующим образом. При включении источника питания с постоянным напряжением Ud оба транзистора VT1 и VT2 открываются и их
коллекторные токи, проходя через обмотки w'1 и w''1, создают в магнитопроводе трансформатора намагничивающие силы, направленные навстречу
друг другу. Эти намагничивающие силы возбуждают в магнитопроводе
направленные встречно магнитные потоки.
103
При полной идентичности параметров транзисторов, симметрии
схемы и магнитных характеристик магнитопровода трансформатора суммарный магнитный поток равен н у л ю и автоколебания в схеме не возникают. Однако в практических схемах такой идентичности никогда не бывает, поэтому из-за несимметричности схемы коллекторный ток одного из
транзисторов (например, VT1 на рисунок 7,а) будет несколько больше, чем
в другом транзисторе - VT2. Возникающая при этом разностная намагничивающая сила создает в магнитопроводе магнитный поток одного направления, который индуктирует во всех обмотках ЭДС.
Базовые обмотки wБ1 и wБ2 включены таким образом, чтобы в рассматриваемом случае на базу транзистора VT1 поступал отрицательный потенциал, а на базу транзистора VT2 - положительный потенциал (т.е. чтобы
обратная связь была положительной).
В результате переходного процесса транзистор VT1 (в момент времени tо) переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 - в режим отсечки. В результате напряжение источника питания через открытый транзистор VT1 подключается к обмотке w'1 и магнитный поток в магнитопроводе полностью определяется намагничивающей силой этой обмотки. При
этом магнитный поток на интервале to - t1 изменяется по линейному закону,
так как приложенное напряжение питания постоянно по величине, и процесс продолжается до тех пор, пока поток не достигнет величины насыщения +Фs (или -Фs). В этом случае прекращается изменение магнитного потока и ЭДС в с е х обмоток становятся равными н у л ю , что сразу же приводит к у м е н ь ш е н и ю коллекторного тока открытого транзистора и,
следовательно, к уменьшению величины магнитного потока.
Это вызывает изменение полярности ЭДС во всех обмотках и возникновение переходных процессов переключения транзисторов, так как возникающая ЭДС в базовых обмотках имеет такую полярность, которая способствует запиранию транзистора VT1 и отпиранию транзистора VT2 (в момент времени t1). При этом источник питания подключается к другой половине первичной обмотки трансформатора w''1. В интервале времени t1 - t2
происходит изменение магнитного потока в магнитопроводе трансформа-
104
тора до состояния насыщения противоположного знака. В результате на
выходе схемы инвертора формируется п е р е м е н н о е напряжение п р я м о у г о л ь н о й формы.
Несмотря на простоту схемы, ее строгий математический анализ достаточно сложен. Поэтому для первоначальной оценки частоты выходного
напряжения делают ряд допущений:
1. Считают петлю гистерезиса материала магнитопровода идеально
прямоугольной.
2. Транзисторы полагают строго идентичными, а их коэффициенты
усиления неизменными во всех режимах.
3. Нагрузку полагают чисто активной, а режим - близким к режиму
холостого хода.
Рисунок 7 - Схема однофазного двухтактного транзисторного
инвертора (а) и временные диаграммы токов,
магнитного потока и напряжения (б)
В соответствии со вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи
одной из половин схемы инвертора можно записать:
,
11кэк
dt
d
wRIUU
d
(1)
где R1 - активное сопротивление обмотки w'1;
Uэк - падение напряжения на переходе эмиттер-коллектор открытого
транзистора.
105
Решим уравнение (1) относительно времени:
d
RIUU
w
dt
d 1кэк
1
(2)
Так как изменение магнитного потока от -Фs до +Фs происходит в течение одного полупериода колебаний в схеме инвертора Т/2, то, произведя
интегрирование этого выражения, получим:
,2
ww
2
11эк
1
1кэк
1
s
dd
RIUU
d
RIUU
T
s
s
(3)
откуда период колебаний выходного напряжения инвертора равен
.
w4
1кэк
1
RIUU
T
d
s
(4)
Учитывая, что Т = 1/f, а Фs = Bs·S·Kст, где Kст - коэффициент заполнения магнитопровода; S - площадь сечения, окончательно получим:
.
w4
стs1
1кк
КSB
RIUU
f
эd
(5)
Иногда в инженерных расчетах составляющими Uэк и IкR1 пренебрегают из-за их несоизмеримости с величиной напряжения питания и тогда
выражение (5) упрощается:
.
w4
стs1
КSB
U
f
d
(6)
Из выражения (6) видно, что частота переключения автономного
транзисторного инвертора с насыщающимся трансформатором мало зависит от параметров транзисторов, а зависит от величины напряжения питания Ud и параметров трансформатора.
Выражение (6) позволяет приблизительно определить частоту выходного напряжения, а также пути настройки генератора на заданную частоту.
Величина выходного напряжения инвертора определяется следующим образом:
.)(
w
w
w
1кэк
1кэк
1
2
22
n
RIUU
RIUU
dt
d
E
d
d
(7)
где n =
2
1
w
w
- - коэффициент трансформации трансформатора.
106
Пренебрегая индуктивным сопротивлением вторичной обмотки
трансформатора можно записать
E2 = Iн(Rн + R2) = Uн + IнR2 , (8)
где R2 - активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора; от-
куда получаем выражение для тока и напряжения на нагрузке, выраженные
через параметры схемы инвертора:
;
1
2
1кк
2
2
nRR
RIUU
RR
E
I
н
эd
н
н
(9)
.
2
1кк
2
2
n
R
RR
RIUU
RR
R
ERIU
н
н
эd
н
н
ннн
(10)
ВОПРОС 3. Электромагнитные процессы в тиристорном
однофазном параллельном автономном инверторе тока
На рисунке 8,а приведена принципиальная электрическая схема такого инвертора. Тиристоры отпираются попарно (VS1 и VS4, VS2 и VS3) с
относительным фазовым сдвигом, равным 180о. Во входной цепи включен
дроссель Ld, индуктивность которого достаточно велика (в пределе Ld = ∞),
благодаря чему входной ток id идеально сглажен, а ток через тиристоры
(i
VS1,4
; i
VS3,2
) имеет прямоугольную форму (рисунке 8,б). При отпирании ти-
ристоров VS1 и VS4 ток id, равный в течение полупериода выходной частоты току i
вых
, разветвляется по двум ветвям: ток iн протекает через
нагрузку, а ток ic - через конденсатор С, заряжая его с полярностью, указанной на рисунке без скобок.
Через полупериод выходной частоты отпираются тиристоры VS2 и
VS3 и конденсатор С оказывается закороченным всеми тиристорами. При
этом ток разряда конденсатора, протекая навстречу рабочему току тиристоров VS1 и VS4, уменьшает его до нуля практически мгновенно, так как сопротивление в контуре разряда конденсатора через тиристоры мало, индуктивности рассеяния обмоток трансформатора (если последний имеется)
находятся вне этого контура. Быстрое нарастание тока в тиристорах, которые отпираются, может вывести их из строя вследствие превышения допустимой величины diа/dt. Поэтому в анодные цепи тиристоров на практике
107
вводят дроссели, ограничивающие допустимую для конкретного типа ти-
ристоров величину diа/dt.
После спадания анодного тока тиристоров VS1, VS4 до нуля к ним
прикладывается обратное напряжение, определяемое напряжением на коммутирующем конденсаторе С. При запирании тиристоров VS1, VS4 конденсатор С перезаряжается от источника питания через тиристоры VS2, VS3,
приобретая противоположную полярность (на рисунке указана в скобках).
Отметим, что при отпирании очередной пары тиристоров происходит
также его разряд на нагрузку. При отпирании тиристоров VS1, VS4 процесс
повторяется.
В любой момент времени суммарный ток на выходе инвертора при
принятом допущении (Ld = ∞) равен i
вых
= iн + iс = Id = const, но его направ-
ление изменяется через каждый полупериод на противоположное (рисунок
8,б).
В течение времени t
выкл
напряжение на конденсаторе (uc = uн) совпа-
дает по направлению с прежним, ток нагрузки iн сохраняет свое прежнее
направление за счет разряда конденсатора на нагрузку, а ток коммутирующего конденсатора ic с момента коммутации изменяет направление на противоположное.
Таким образом, ток конденсатора ic после коммутации имеет максимальное значение и уменьшается по мере его перезаряда, а ток нагрузки iн
постепенно спадает до нуля и, реверсируя, совпадает по направлению с током ic.
Дроссель Ld выполняет функцию фильтра высших гармонических составляющих напряжения, т.к. к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора (называемым противо-ЭДС
инвертора).
Выходное напряжение инвертора повторяет по форме напряжение на
конденсаторе и представляет собой в каждый полупериод сумму двух составляющих: постоянной, равной напряжению источника питания, и переменной, возникающей за счет реактивной мощности конденсатора. Среднее
значение выходного напряжения за полупериод равно напряжению источника питания Ud.
108
Рисунок 8 - Схема однофазного параллельного инвертора
тока (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)
Напряжение на тиристорах VS1,VS4 (U
VS1,4
на рисунке 8,б) после ком-
мутации изменяется от отрицательного значения к положительному. В течение времени t
выкл
на тиристорах VS1 и VS4 поддерживается отрицатель-
ное напряжение и они восстанавливают запирающие свойства.
Если t
выкл
> t
восст
, то с восстановлением положительного анодного напряже-
ния тиристоры VS1 и VS4 (рисунок 8,б) останутся запертыми вплоть до
прихода следующего отпирающего импульса. Если же этого времени окажется недостаточно, то указанные тиристоры снова откроются, и произойдет срыв инвертирования.
109
ВОПРОС 4. Области применения, принцип действия и
классификация преобразователей постоянного
напряжения
Во многих практически важных случаях, когда в качестве первичных
источников питания применяются аккумуляторы, гальванические элементы, термогенераторы, атомные и солнечные батареи, т.е. источники,
чаще всего используемые для питания нестационарной аппаратуры, возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого или других номиналов. Эти напряжения можно получить от нескольких источников постоянного напряжения
или от одного источника через гасящие резисторы и резисторы - делители
напряжения. Неприемлемость этих способов очевидна из-за малого КПД,
больших габаритов и массы. Эти причины и вызвали появление различных
преобразователей постоянного напряжения (тока) - электромашинных (умформеров), вибрационных и полупроводниковых [3,4].
Электромашинный преобразователь представляет собой совокупность
двух электрических машин постоянного тока. Валы этих машин соединены
механически (рисунок 9). Одна из машин (двигатель), получая питание от
источника, приводит во вращение ротор другой машины (генератора). С
якорной обмотки второй машины снимается постоянное напряжение, в
результате осуществляется преобразование постоянного напряжения
одного уровня U1 в постоянное напряжение другого уровня U2.
Рисунок 9 - Электромашинный преобразователь постоянного
напряжения
Схемотехническое решение преобразователя постоянного напряже-
ния вибрационного типа показано на рисунок 10.
110
Основной частью устройства является вибрирующий металлический
стержень, который колеблется между двумя контактами и прерывает постоянный ток, преобразуя его в импульсные колебания. Импульсные колебания
передаются из первичной обмотки трансформатора во вторичную. В результате на вторичной обмотке трансформатора получается эквивалентное переменное напряжение, которое может иметь повышенную или пониженную
амплитуду по сравнению с исходным постоянным напряжением. Если во
вторичную цепь трансформатора теперь последовательно включить вентильный элемент (диод) VD1, а параллельно конденсатор C1 (для сглаживания пульсаций), то на выходе в нагрузке может быть получено постоянное
напряжение U2, отличное от входного U1. Используются такие схемы в некоторых промышленных установках с невысокими уровнями напряжения и
мощности.
В настоящее время полупроводниковые преобразователи практически
вытеснили электромашинные и вибрационные из-за своих малых габаритов
и массы, большого срока службы, высокого КПД (до 85...90%), высокой
надежности, большой механической прочности и ряда других преимуществ. К недостаткам полупроводниковых преобразователей следует отнести подверженность влиянию температуры окружающей среды. Тем не
менее в системах автономного электроснабжения преимущественное
Рисунок 10 - Вибрационный преобразователь постоянного
напряжения
применение находят именно полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения в постоянное. Поэтому рассмотрим более подробно различные типы этих преобразователей.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]