26. Принципы импульсного регулирования напр-ния. Характер нагрузки импульсных преобр-лей для Эп-да постоянного тока. Параметры tp, to, , γ

Принцип импульсного регулирования напряжения.

В основе работы импульсных преоб-лей лежит следующий принцип. Нагрузка подключена к источнику U через ключевой элемент “к”, который периодически замыкается и размыкается. Время замкнутого (t_р) и разомкнутого (t₀) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы упр-ния “СУ”.К нагрузке будет приложено импульсное U, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис 64б. Среднее зн-ние U на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояний ключа К.

Согласно определению среднего зн-ия U можно записать:

(4-67) где U_d - среднее зн-ние U на нагрузке;

 = t_р + t₀ - период перекл-ния ключа или время цикла рег-ния;  = 1/ - частота перекл-ния ключа. Отношение (t_р /) =  (4-68) наз-ют коэф-том заполнения периода рабочим импульсом. Изменяя , можно рег-вать вых U на нагрузке. Рассм-ся обратная вел-на q = (1/ ) = ( / t_р), которая наз-тся скважностью работы ключа. При установлении соотношений между входным и вых. U, выявляя завис-ть тока имп-ного преоб-ля от рег-щей переменной будем использовать коэф-нт . Рег-ние U в рассм-мой схеме за счет изменения коэф-та  можно рассматривать как широтно-имп-ное рег-ние U на нагрузке.

Возможны 3 способа регулирования напряжения: 1.Широтно-имп-ное рег-ние (ШИР), когда время t_р - переменное, а частота - постоянная; 2.Частотно- имп-ное рег-ние (ЧИР), когда t_р - постоянное, частота - переменная; 3.Широтно-частотное рег-ние, когда t_р и частота  - переменные. Чаще всего исп-ся 1-й способ регул-ния вых-го U. Время рабочего импульса и время паузы связаны с  соотн-ми: t_р =  (4-69) t₀= (1- ) (4-70)

Схема регул-ния U и диаграмма, изоб-ные на рис 64, могут быть реал-ны лишь при активном сопр-нии нагрузки. При исп-нии имп-го рег-ния в системах элек-да нагрузка имеет активно- инд-ый хар-р и часто в составе нагрузки присутствует источник ЭДС.

В таком случае д. б. предусмотрен обратный вентиль. Он обеспечивает непрерывность тока в нагрузке при разрыве цепи импульсным элементом (ключом). На рис 65 изоб-на схема диаг-мы U и тока при активно- инд-ной нагрузке с противо-ЭДС. На основании баланса энергии, поступающей в нагрузку из сети (от U_пит) и энергии, которая тратится в нагрузке, выявим завис-сть, (связь) между средним зн-ем тока, напр-ем питания U_пит , ЭДС нагрузки E_н и коэф-том . При получении этой завис-сти введем допущение, что среднее и дей-щее зн-ние тока в нагрузке=. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если L_н = ). U_н I t_р = E_н I t_р + I² R_н t_р + W_L (1)

W_L = E_н I t₀ + I² R_н t₀

U_н I t_р = E_н I  + I² R_н  (2) U_н t_р = E_н  + I R_н  Разделим левую и правую части на , тогда: U_н  = E_н + I R_н  = (E_н + I R_н )/ U_н (4-71) I = (U_н  - E_н )/ R_н (4-72) Рис 65

Ур-ние (1) представляет собой ур-ние баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (t_р) и энергии, тратящейся в нагрузке за время . W_L - энергия, накапливаемая в инд-ти за время t_р. Этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, = I за время паузы (t₀). Прибавив к правой части ур-ния зн-ние W_L , получаем ур-ние баланса энергии (2). Ур-ние (4-71) дает связь переменной  с переменными I ,U_н ,E_н .Ур-ние (4-72) пок-ет, что рег-ние тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением  при неизменных R_н ,U_н ,E_н.

Способы реализации импульсных элементов (ключей). Имп-ные элементы (бесконтактные ключи) м. б. реализованы на базе тир-ов или силовых тр-ров, работающих в режиме перекл-ния. Тир-ры явл-ся приборами с неполной упр-стью, поэтому для выкл-ния тир-ра, включ-го на постоянное U, необходимо использовать искус-ную коммутацию, для чего в коммутирующем уст-ве д. б. элемент, запасающий энергию в виде элект-го или магнитного поля (емкость, или эл. магнитный элемент). Эта энергия используется для вык-ия тир-ра, проводящего ток.

Импульсные преобразователи на тиристорах. На рис 65. Здесь исп-ся искусственная коммутация с помощью коммутирующей емкости C_к, подключаемой параллельно тир-ру V_s1 другим тир-ом V_s2. Ключ работает следующим образом: Когда включен рабочий тиристор V_s1, нагрузка (якорь дв-ля М) оказывается подключенной к U_пит. Под действием U на нагрузке заряжается конденсатор C_к по цепи: верхняя щетка М-R₁-C_к - нижняя щетка М - с полярностью, указанной на рисунке.После заряда C_к в момент, когда подан упр-щий импульс на V_s2, он вкл-ся, подключая C_к параллельно V_s1 . Ток разряда конд-ра течет в напр-нии, противоположном прямому току вентиля V_s1 , вызывая его выкл-ние. Зн-ние сопр-ния R₁ выбирается из расчета, чтобы ток V_s2 был меньше тока удержания этого тир-ра. После разряда емкости C_к и выкл-ния V_s1 тир-р V_s2 тоже вык-ся. Наступит пауза, когда ток якоря под действием ЭДС самоиндукции замыкается через неупр-мый вентиль V_D.

Недос-ком схемы яв-ся ее неустойчивая работа в перех-ных режимах, при быстрых нарастаниях тока. Значительно лучшие экспл-ные хар-ки имеет тир-ный ключ, схема которого представлена на рис 66.

Здесь искус-ная коммутация осущ-тся с помощью колебательного контура. Работа ключа осущ-ся сл-щим образом: при вкл-нии схемы на U_п происходит заряд емкости C_к по цепи + U_п - L- C_к - L_к- V_D1 - М- - U_п .

Полярность заряда емкости показана сверху. В момент подачи управляющего импульса на V_s1 этот тир-р вкл-ся и начинается время рабочего импульса. При этом заряд на емкости C_к сохраняется, т.к. цепи для ее разряда- нет. Когда наступит время выкл-ния рабочего импульса, т.е. выкл-ния тир-ра V_s1 , подают упр-щий импульс на тир-р V_s2 . Появляется цепь разряда емкости C_к : C_к + -V_s1 - V_s2 - L_к- C_к -. Рассмотренный контур явл-ся колеб-ным контуром с высокой добротностью. В нем есть емкость C_к и инд-сть L_к . Что же касается активных сопр-ний, то они представлены 2 тир-ми в открытом состоянии. Эти сопр-ния очень малы, чем и объясняется высокая добротность контура.

Частота свободных колебаний этого контура во много раз превышает частоту рабочих импульсов. Колеб-ный процесс в контуре вызывает перезарядку емкости C_к (полярность указана в скобках). Затем наступает второй полупериод колебания. Ток проходит по цепи: C_к (+)- L_к-V_D1 - V_s1 -C_к (-). Этот ток выкл-ет тир-р V_s1 , а также во время этого полупериода выкл-тся тир-р V_s2 .

Инд-ть L осуществляет обратную положительную связь между величиной тока нагрузки и уровнем заряда емкости C_к после выкл-ния тир-ра V_s1 за счет ЭДС самоиндукции в этой инд-сти. Полож-ная обр-я связь обеспечивает устой-сть работы ключа в перех-ых режимах.

Импульсные преобразователи на транзисторах.

В отличие от тир-ра тран-р- полностью упр-мый полупров-вый прибор, св-ва и особенности импульсных преоб-лей на этих приборах во многом отличаются от тир-ных преоб-лей.. Требования транз-ных преобр-лей

1.Двусторонняя пров-сть энергии между источником питания и дв-лем, являющимся нагрузкой преобр-ля, что обеспечивает его работу во всех квадрантах мех-ой хар-ки;

2.Малое и не зависящее от тока вых. сопр-ние для получения мех-их хар-к, близких к ест-ным, и, в конечном счете, для получения хороших статических и дин-ких хар-к эл-да в целом; 3.Малая инерционность; 4.Высокий КПД;

5.Высокая перегрузочная способность для обеспечения необходимых форсировок в переходных режимах работы привода; 6.Высокая надежность и помехозащищенность;7.Малая масса и габариты; 8.Слабое влияние на сеть.

Основой транз-ых широтно- им-ных преобр-лей (ШИП) яв-ся силовой тран-ный ключ, который представляет собой функционально законченное уст-во, сод-щее схемы развязки, усиления и защиты. В настоящее время структура и построение тран-ных ключей, их конструктивная и схемная реализация разработаны достаточно полно. Один из возможных вариантов транз-ого ключа представлен на рис 67. Схема содержит вых-ные тран-ры V_т5 и V_т6, вкл-ые по схеме составного тран-ра (схема Дарлингтона).

Обратный диод V_D2, вкл-ный параллельно вых-му каскаду транз-ного ключа, служит для создания пути тока нагрузки в ШИП.

Предвыходной каскад выполнен на тран-рах V_т1 - V_т4, каскад согласования упр-щих сигналов и сигналов защиты с предвыходным усил-лем выполнен на микросхеме D. Схема транз-ого ключа содержит также уст-во защиты по току Б3 и каскад гальванической развязки ГРУ. Питание предвыходного усил-ля, устр-в упр-ия и защиты осуществляется от отдельного симметричного источника со средней точкой.

Работа силового транз-го ключа осуществляется следующим образом:

При отсутствии управляющих импульсов ( U_упр. = 0) на выходе ГРУ и БЗ имеет место логическая единица, выходной транзистор схемы совпадения D ( V_вых) открыт, транзисторы V_Т1 -V_Т3 заперты, а транзистор V_Т4 открыт. При этом по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет запирающий ток. При подаче сигнала упр-ния на ГРУ ( U_У = 1) отпираются транзисторы V_Т1 -V_Т3 , запираются транз-р V_Т4 и по базовой цепи транзисторов V_Т5 , V_Т6 течет отпирающий базовый ток, т.е. транз-ный ключ оказывается в открытом состоянии. При превышении током через транз-ный ключ заданного уровня сигнал, поступающий с измерительного резистора R_изм на вход БЗ, переводит его в открытое состояние (логический нуль на выходе). Этот сигнал запирает транзисторный ключ. Импульсы, частотой 10-30 кГц, поступающие на синхронизирующий вход БЗ, переводят его в исходное (нормальное) состояние, в котором он и останется, если устранилась причина, вызвавшая недопустимый ток. В противном случае сигнал с резистора R_изм вновь переведет БЗ в аварийное состояние. Таким образом, ток транз-го ключа окажется ограниченным на определенном уровне. Вентиль V_D2 , вкл-ый параллельно вых-му каскаду транз-го ключа, служит для создания пути тока нагрузки, протекающего под действием ЭДС самоиндукции при прерывании цепи тока другим транз-ым ключом.