6 6. Импульсные преобразоватеЛи

ГЛАВА ПОСТОЯННОГО ТОКА

6.1. Общие положения

6.2. Узлы принудительной коммутации тиристоров

6.3. ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ШИМ

4. СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

ИСТОЧНИКОВПИТАНИЯ

В основе принципа действия импульсных преобразователей постоянного тока лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение напряжения питания Е к выходной цепи преобразователя.

В существующих системах питания установок постоянного тока применяются выпрямители с естественной коммутацей силовых вентилей. Регулирование выходных параметров – средних значений выпрямленного напряжения и тока осуществляется путем сдвига по фазе управляющих импульсов на управляющие электроды. Это существенно снижает энергетические показатели таких преобразователей.

Применительно к условиям средней и выше мощностей был предложен другой принцип регулирования выходных параметров – не сдвигом по фазе управляющих импульсов, а частотой и длительностью включения преобразователя при максимальном значении выпрямленного напряжения. В импульсных преобразователях постоянного тока питание осуществляется постоянным током. Поэтому для запирания тиристора применяют принудительную (искусственную) коммутацию. На практике применяют коммутационные узлы (КУ) с параллельной и последовательной коммутацией. Применение схем на базе тиристоров (с искусственной коммутацией), двухоперационных вентилей (GTO, IGCT) и силовых полевых транзисторов (IGBT) позволяет получить бесконтактные регулируемые источники питания с высокими технико-экономическими показателями.

В этой главе рассмотриваются импульсные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с обеспечением стабилизации выходного напряжения.

Цель главы – ознакомиться с общей структурой построения импульсных преобразователей, питаемых от нерегулируемых источников постоянного тока (аккумуляторные батареи или нерегулируемые выпрямители).

После изучения главы необходимо знать

• Назначение основных элементов системы импульсных преобразователей постоянного тока.

• Особенности работы тирсторных импульсных преобразователей при искусственной коммутации вентилей.

• Методика расчета основных узлов ШИМ- преобразователей.

• Энергетические показатели.

• Способы стабилизации выходного напряжения.

• Энергетические характеристики импульсных источников.

• Область применения.

6. Импульсные преобразователи постоянного тока

6.1 Общие положения.

Применение регулируемых выпрямителей для питания потребителей постоянного тока, особенно когда требуется глубокое регулирование напряжения и тока на нагрузке, связано с изменением угла управления . При увеличении угла управления происходит увеличение угла сдвига между током первой гармоники питающей сети и питающим первичным напряжением. Это сопровождается ухудшением энергетических показателей за счет перетекающей реактивной мощности между источником питания и управляемым выпрямителем. При увеличении диапазона регулирования выходного напряжения выпрямителя Ud перетекающая реактивная мощность может быть больше в несколько раз потребляемой активной мощности, увеличивая тем самым потери в системе электроснабжения за счет увеличения полного тока

Вконечном итоге это приводит к непроизводственным затратам на компенсацию потерь активной мощности и снижению коэффициента полезного действия.

В настоящее время применительно к мощным установкам предложен новый принцип регулирования величины среднего напряжения. Изменение регулируемой величины осуществляется не сдвигом по фазе управляющих импульсов, а частотой и длительностью включения преобразователя при углах управления =0.

С усовершенствованием систем управляемых вентилей и с появлением мощных запираемых тиристоров(GTO) и мощных полевых транзисторов(IGBT) с запираемым затвором стало возможным значительно увеличить частоту переключений. Обычно в таких системах силовой вентиль, через который осуществляется питание потребителя, работает в ключевом режиме.

В общем случае питающим напряжением преобразователя постоянного тока могут служить, например, аккумуляторные батареи, топливные элементы, солнечные батареи, контактная сеть постоянного тока магистрального и городского электрофицированного транспорта, мощные преобразовательные подстанции постоянного тока, а также использование неуправляемых выпрямителей в качестве источников питания.

Регулирование среднего значения напряжения или тока осуществляется путем изменения параметров выходных импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсные и частотно-импульсные методы регулирования.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов при неизменном периоде их следования (Т=const , f=1/T=const). Среднее значение выходного напряжения при ШИР связано с напряжением питания соотношением

где γ=tu/ Т - относительная величина включенного состояния преобразователя.

При частотно-импульсном методе регулирования (ЧИР) изменение выходного напряжения производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов (f=1/T=var) при неизменной их длительности (tи=const). Регулировочные возможности ЧИР можно описать соотношением

На рисунке 6.1,а изображена принципиальная схема и временные диаграммы преобразователя постоянного тока. В качестве силового ключа могут быть силовые транзисторы и тиристоры (запираемые и однооперационные). В выходную цепь преобразователя включена нагрузка активно-индуктивного характера, поэтому необходим фильтр (Lф или LC-фильтр), а также обязательным элементом является обратный диод (VD0) . Функциональным назначением VD0 является создание контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К. На интервалах включенного состояния ключа () напряжение питания подключается ко входу сглаживающего фильтра (рис.6.1, а, в) и диодVD0 закрыт. Через нагрузку протекает ток от источника питания. На интервалах выключенного состояния ключа () связь с источником питания отсутствует, но ток продолжает протекать через нагрузку за счет накопленной энергии фильтром Lф и индуктивностью нагрузки Lн на интервале протекания тока от источника питания.

Рис.6.1.Принципиальная схема и временные диаграммы

преобразователя постоянного тока

Ток нагрузки Iн замыкается через проводящий обратный диод VD0, вследствие чего Uвых=0.

Ток Iн состоит из участков экспонент нарастания и спада с постоянной времени

=( Lф+Lн)/Rн.

При переходе к большим мощностям нагрузки возникает необходимость создания параллельных ветвей, которые работают по многотактному принципу, основанному на параллельном включении m отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку. Периодичность работы каждого преобразователя характеризуется периодом тактов Тт. Последовательность включения их ключей сдвинута на время Тт/m.