Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
111
Под полупроводниковыми преобразователями постоянного напряжения в соответствии с ГОСТ 23414-84 понимаются преобразователи электроэнергии, осуществляющие изменение постоянного напряжения. Иными
словами, к этой группе преобразователей относятся такие устройства, которые преобразуют постоянное напряжение одного номинала в постоянное
напряжение другого номинала. Указанным выше нормативным документом
для обозначения данного вида полупроводниковых преобразователей не допускается использование таких еще встречающихся на практике понятий,
как "конвертор" или трансформатор постоянного тока.
Все полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения по
способу преобразования энергии делятся на непосредственные и
двухзвенные.
Непосредственным называется такой преобразователь, в котором осуществляется однократное без дополнительных манипуляций преобразование постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение
другой величины. В зависимости от функционального назначения непосредственные преобразователи постоянного напряжения (НППН) выполняются одно- и многотактными. Последние обеспечивают получение на выходе преобразователя большой мощности. Очень часто НППН еще называют преобразователями постоянного тока (ППТ) либо импульсными преобразователями постоянного напряжения (ИППН). Оба термина, отражая
физику процессов, правомочны, так как применяются для обозначения аппарата для преобразования энергии одного напряжения постоянного тока
в другое напряжение постоянного тока, осуществляющего это преобразование в один этап без каких-либо промежуточных преобразований.
Основная цель применения прерывателей постоянного напряжения
(НППН) - регулирование потока энергии от источника постоянного тока к
нагрузке. НППН, используемые для нечастого замыкания или размыкания
цепи, называются электронными ключами постоянного тока. Они осуществляют непрерывное регулирование потока энергии в цепи посредством
периодического замыкания и размыкания цепи, изменяя соотношение длительностей включенного и выключенного состояний.
112
Принцип действия НППН основан на ключевом режиме работы
транзистора (при мощности нагрузки до 1 кВт) или тиристора (1кВт < P <,
100 кВт), которые периодически прерывают цепь подачи постоянного
напряжения U1 в нагрузку (рисунок 11). Выходное напряжение
регулируется изменением длительности выходных импульсов tи (рисунок
11,б) при неизменном периоде их следования T. Тогда среднее значение
выходного напряжения преобразователя будет определяться из выражения:
.
1
и
1
0
1н.ср
и
T
t
Udtu
Т
U
t
(11)
где
з
и
К
T
t
коэффициент заполнения.
Из полученного соотношения следует, что при постоянных значениях
U1 и T величина выходного напряжения НППН U
н.ср
пропорциональна
длительности импульса tи. Следовательно, выходное напряжение
регулируется от нуля (при tи = 0) до U1 (при tи = T).
Рисунок 11 - Схема (а) и временная диаграмма (б)
непосредственного преобразователя
постоянного напряжения
В двухзвенном преобразователе осуществляется сначала инвертирование постоянного тока, а затем выпрямление переменного тока. Упрощенно цикл преобразования можно представить структурной схемой (рисунок 12).
Как непосредственные, так и двухзвенные преобразователи постоянного напряжения находят широкое применение в технике. НППН на базе
транзисторов используются в качестве импульсных стабилизаторов постоянного напряжения в различных модификациях в общепромышленных
113
установках и системах связи с выходной мощностью до 1 кВт. Тиристор-
ные НППН рассчитаны на большую (до 100 кВт) мощность и используются
в большей степени в регулируемом электроприводе постоянного тока.
Рисунок 12 - Структурная схема простейшего двухзвенного
преобразователя постоянного напряжения
Двухзвенные транзисторные преобразователи постоянного напряжения являются, как правило, составной частью вторичных источников питания различной аппаратуры. Приведенная на рисунке 12 структурная схема
может служить примером простого одноканального стабилизированного
источника вторичного питания. Однако для питания аппаратуры автоматики, связи, радиотехники, вычислительных машин и других потребителей
часто требуется напряжение постоянного тока различных номиналов. Поэтому приходится использовать несколько одноканальных источников питания. В этом случае система вторичного питания получается достаточно
гибкой: используются сравнительно простые унифицированные одноканальные блоки преобразователей, изменение номиналов напряжения осуществляется простой заменой блоков и др. Однако суммарный объем и
масса системы электроснабжения становятся ограничивающими факторами такого способа построения. В связи с этим разрабатываются и широко
используются многоканальные преобразователи.
114
ВОПРОС 5. Сравнительная оценка основных типов
непосредственных преобразователей постоянного
напряжения
Простейший способ непосредственного преобразования постоянного
напряжения заключается в периодической коммутации тока нагрузки, подключенной к источнику постоянного напряжения (рисунок 13) с помощью
ключевого элемента - силового транзистора (или тиристора). В мощных
низкочастотных преобразователях данного типа коммутация тока нагрузки
осуществляется с помощью тиристоров. Работа вентильных элементов в
ключевом режиме позволяет обеспечить КПД такого преобразователя, близкий к единице.
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения между ключевым
элементом и сопротивлением нагрузки включается сглаживающий фильтр
LC-типа.
Для НППН выделяют два режима работы. Первый режим характеризуется тем, что к моменту очередного открывания ключа (мощного транзистора или тиристора) в дросселе протекает некоторый минимальной величины ток - i
Lmin
(рисунок 13,б). Этот режим получил название "режима не-
прерывного тока". Он характеризуется также наименьшим внутренним сопротивлением преобразователя и поэтому является предпочтительным.
Второй режим носит название "режима прерывистого тока". Он имеет
место при сравнительно малых нагрузках преобразователя, когда ток в
дросселе фильтра успевает уменьшиться до нулевого значения раньше, чем
происходит очередное открывание мощного транзистора VT.
В дальнейшем будем рассматривать работу различных схем НППН в
режиме непрерывных токов.
Изменяя с помощью системы управления соотношение между длительностями открытого to и закрытого t3 (рисунок 13,б) состояний транзистора в силовой схеме НППН, можно осуществить получение различного
уровня напряжения на нагрузке. В таком режиме использования данные
преобразовательные устройства на практике часто называют импульсными
стабилизаторами.
115
При замкнутом ключе напряжение на входе фильтра равно
напряжению источника Uп. При разомкнутом ключе оно равно нулю
(рисунок 13,б). Считая потери напряжения на фильтре равными нулю,
среднее напряжение на нагрузке:
,
0
пн
T
t
UU
(12)
где Uп - напряжение питания преобразователя;
T - период повторения замыкающих ключ импульсов.
Пульсации напряжения на нагрузке тем меньше, чем больше индуктивность дросселя и чем меньше длительность паузы t3. Если бы в силовой
цепи не было блокирующего диода VD1, то при размыкании ключа на дросселе наводилась бы нерасчетная ЭДС (ток прерывался бы скачком) и либо
дроссель, либо ключ выходили бы из строя.
В схеме с диодом в начале процесса нарастания этой ЭДС появляется
отрицательное напряжение на катоде диода, он открывается, что дает возможность дросселю разрядиться через сопротивление нагрузки и конденсатор фильтра. Ток дросселя и нагрузки в течение интервала to проходит через
источник, а в течение интервала t3 - через диод VD (рисунок 13,б).
Рисунок 13 - Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б,в,г)
непосредственного преобразователя постоянного напряжения
понижающего типа
116
Из (12) видно, что коэффициент передачи постоянного тока от входа
схемы к нагрузке Uн/Uп зависит от относительной длительности to/T,
которая в технической электронике называется скважностью (γ), а в
преобразовательной технике эту величину называют коэффициентом
импульсного заполнения (Kз), т.е.
.
з
0
п
н
K
T
t
U
U
(13)
Выражение (13) определяет собой регулировочную характеристику
НППН, в силовой цепи которого включены последовательно дроссель
фильтра L и силовой транзистор - ключ. Из (13) следует, что с увеличением
K3 коэффициент передачи НППН изменяется линейно от нуля (при to = 0) до
единицы (при to = T). Рассмотренная выше схема позволяет получить
напряжение на нагрузке, равное или меньшее напряжения питания, т.е.
Uн = Uп. Поэтому такой НППН иногда называют преобразователем
понижающего типа.
Наряду с рассмотренным выше типом НППН с последовательным
включением мощного транзистора, дросселя фильтра и нагрузки на
практике применяются (хотя и существенно реже) также другие НППН,
отличающиеся друг от друга конфигурацией силовых схем.
Вторым вариантом соединения элементов силовой цепи (рисунок
14,а) является схема с последовательным включением дросселя и
параллельным включением ключа. При замкнутом ключе (интервал to) ток
в дросселе iL возрастает (рисунок 14,в), вместе с ним растет запас энергии
в дросселе. На интервале t3 (ключ разомкнут) этот запас энергии передается
в нагрузку (рисунок 14,б). Одновременно с разрядкой дросселя происходит
передача в нагрузку мощности источника Uп.
Ток дросселя на интервале to проходит через источник Uп и ключ, а на
интервале t3 - через источник Uп, диод VD и нагрузку (рисунок 14,в).
При допущении того, что индуктивность дросселя является
бесконечно большой (L = ∞), ток дросселя iL на интервале to можно считать
постоянным. Тогда энергия, которую отдает источник за один период T,
может быть определена из выражения
Wи = IL · U
п
· T (14)
117
При разрядке (интервал tз) дроссель отдает в нагрузку накопленную
энергию
Wн = IL · Uн · (T - t
o
). (15)
Приравнивая выражения (14) и (15), получим
.
0
пн
tT
T
UU
(16)
Из выражения (16) можно определить коэффициент передачи этого
НППН Uн/Uп, предварительно разделив правую часть на T:
.
1
1
зп
н
KU
U
(17)
Рисунок 14 - Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б,в)
непосредственного преобразователя постоянного напряжения
повышающего типа
Таким образом, в НППН с такой силовой схемой выходное напряжение всегда больше входного. Это происходит потому, что на этапе разрядки
в нагрузку поступает и энергия, запасенная в дросселе, и энергия источника
Uп, а коэффициент передачи изменяется от 1 при Kз = 0 до бесконечности
при Kз = 1. Такие НППН часто называют преобразователями повышающего
типа.
Третий тип НППН показан на рисунке 15,а. Его силовая схема образована транзистором, включенным последовательно с нагрузкой и дросселем,
включенным параллельно ей. При замкнутом ключе (0 < t < to) дроссель заряжается током iL от источника Uп (рисунок 15,в). Полярность падения
напряжения на дросселе при этом задается источником Uп, она такова, что
118
диод VD1 оказывается закрытым. Конденсатор C, накопивший некоторый
заряд в предыдущие периоды коммутации ключа, разряжается на нагрузку,
поддерживая в ней ток iн (рисунок 15,д).
Размыкание ключа (T - to < t < T) приводит к разрыву цепи зарядного
тока. В результате на дросселе наводится ЭДС eL = uL полярностью,
противоположной той, которая была на нем ранее (рисунок 15,б).
Нарастание этой ЭДС происходит до тех пор, пока не откроется диод VD1,
подключающий параллельно дросселю конденсатор C и нагрузку Rн
(разрядную цепь). Разряжаясь, дроссель подзаряжает конденсатор C,
восстанавливая уменьшившийся за предыдущую часть периода его заряд
(рисунок 15,д). Часть разрядного тока дросселя проходит и по нагрузке,
поддерживая в ней близкий к постоянному ток iн (рисунок 15,г).
Поскольку выходное напряжение по отношению к входному имеет
противоположную полярность, такие НППН называют реверсирующими
или инвертирующими преобразователями.
Если допустить, что индуктивность дросселя L и емкость
конденсатора C есть бесконечно большие величины, т.е. L = ∞ , C = ∞, а
потери в схеме отсутствуют, то вся энергия, отдаваемая источником Uп,
выделяется в нагрузке Rн преобразователя. При замкнутом ключе источник
U
п
отдает энергию
Wи = Uп · IL · t
o
, (18)
где IL - ток дросселя, который при L = ∞ постоянен.
При разрядке дроссель отдает энергию, полученную от источника Uп,
конденсатору и нагрузке. Отдаваемая дросселем энергия:
Wн = Uн · IL · (T - t
o
). (19)
Энергия, полученная при разрядке конденсатора C, затем опять
попадает в нагрузку. Поэтому, приравняв правые части равенств (18) и (19),
получим уравнение, из которого легко найти напряжение на нагрузке:
.
0
o
пн
tT
t
UU
(20)
Коэффициент передачи НППН данного типа, выраженный через коэф-
фициент заполнения (Kз), принимает вид
119
.
1
з
з
п
н
К
К
U
U
(21)
Рисунок 15 - Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений
(б,в,г,д) непосредственного преобразователя постоянного напряжения
реверсивного типа
Таким образом, как следует из (21), коэффициент передачи реверсиру-
ющего НППН изменяется от нуля (при Kз = 0) до бесконечности (при Kз =
1).
Важнейшей характеристикой НППН рассмотренных типов является
регулировочная, показывающая зависимость коэффициента передачи от коэффициента заполнения, т.е. Uн/Uп = f (Kз). Графически регулировочные характеристики для рассмотренных типов НППН на основании выражений
(13,17,21) характеризуются зависимостями, изображенными на рисунке 16.
По сравнению с первым из рассмотренных НППН два последних характеризуются существенно худшим использованием элементов сглаживающего
фильтра, значительно большими габаритами и массой, большим внутренним сопротивлением, худшим использованием по току регулирующего
транзистора и блокирующего диода. Для этих преобразователей пульсации
выходного напряжения ∆Uн ~ при заданном токе нагрузки Iн и частоте преобразования f пропорциональны току нагрузки и не зависят от индуктивно-
120
сти дросселя фильтра. Они могут быть уменьшены лишь посредством уве-
личения емкости, а следовательно, массы и габаритов конденсатора фильтра:
н
U
~ =
fС
К
I
з
н
(22)
Рисунок 16 - Регулировочные характеристики
преобразователей
В преобразователе, схема которого изображена на рисунке 13,а, для
достижения того же уровня пульсаций выходного напряжения требуется
конденсатор значительно меньшей емкости. Более резкая зависимость от
частоты преобразования требуемых параметров элементов сглаживающего
фильтра и определяет, в основном, преимущество последнего в части миниатюризации посредством перехода к более высоким частотам преобразования электроэнергии.
Характер коммутационных процессов при открывании и закрывании
мощных транзистора и диода во всех трех силовых схемах рассмотренных
НППН идентичен.
Основные недостатки рассмотренных высокочастотных непосредственных преобразователей, заключающиеся в наличии электрической
связи между источником электроэнергии и нагрузкой преобразователя, в невозможности получения большого числа электрически изолированных друг
от друга выходных цепей постоянного тока с напряжениями различных
уровней, существенно ограничивают область их практического применения
как самостоятельных средств вторичного электропитания систем связи.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]