- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
Схема преобразователя с повышением напряжения приведена на рис. 6.5. В этом преобразователе ключ установлен после дросселя. Когда ключ замкнут, ток от источника протекая через дроссель L, увеличивается, при этом в нём накапливается энергия. При размыкании ключа ток от источника течёт через дроссель L, диод D и нагрузку. Напряжение источника и ЭДС самоиндукции дросселя приложены в одном направлении и складываются на нагрузке. Дроссель отдаёт энергию в нагрузку и ток постепенно уменьшается. Пока ключ замкнут, нагрузка питается напряжением конденсатора C. Диод D не даёт ему разрядиться через ключ S.
Рис.6.5. Схема с повышением напряжения
Таким образом, в течение времени , токi˪ ,идет через транзистор, и запасается энергия в индуктивности. Затем, в течение интервала времени Т-, токидет через диод на зарядку конденсатора и на нагрузку. Постоянная составляющая тока не проходит через конденсатор, поэтому среднее значение тока протекающего через нагрузку равноIн=Id(1-γ). Здесь y-относительное время включенного состояния транзистора.
С учетом справедливости равенства мощностей на входе и выходе:
• (6.2)
Возможно также совмещение этой схемы с предыдущей, что позволяет произвольно изменять величину выходного напряжения: как повышать, так и понижать, то есть инвертировать.
6.2.3. Инвертирующий преобразователь
Схема инвертирующего преобразователя приведена на рисунке 6.6.
В нём дроссель подключен параллельно источнику и нагрузке. Когда ключ S замкнут, ток от источника течёт через дроссель и в нём запасается энергия. При размыкании ключа на L возникает ЭДС самоиндукции, ток продолжает течь через нагрузку R и диод D за счёт запасенной энергии, при этом заряжается конденсатор С. ЭДС самоиндукции дросселя приложена в обратную сторону, по сравнению с напряжением источника, поэтому напряжение к нагрузке также приложено в обратном направлении. Когда ключ S разомкнут — диод D закрывается и нагрузка питается зарядом конденсатора C.
Рис. 6.6. Схема инвертирующего преобразователя
Во всех трёх схемах диод D может быть заменён на ключ, замыкаемый в противофазе к основному ключу. Во многих случаях, особенно в низковольтных стабилизаторах, это позволяет увеличить КПД.
6.3. Другие разновидности преобразователей
Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Например, такие преобразователи, как обратноходовый преобразователь и двухтактный преобразователь(конверторы) имеют индуктивную развязку выходных цепей, что позволяет питать с их помощью устройства, для которых недопустима гальваническая связь с питающей сетью.
Резонансный преобразователь имеет наилучшие условия работы ключей, что позволяет строить на его основе преобразователи большой мощности (до десятков киловатт) с достаточно высоким КПД. Однако его недостатком является сложность проектирования, что мешает его широкому распространению.
В настоящее время применяют два типа конверторов: импульсные преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением; импульсные преобразователи постоянного напряжения c внешним возбуждением.
Преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением используют в аппаратуре малой и средней мощностей. Структурная схема такого, преобразователя изображена на рис. 6.7. С помощью этой схемы можно представить себе работу конвертора с самовозбуждением.
Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до требуемого значения.
После выпрямления выпрямителем Воно подается на сглаживающий фильтр Ф, к выходу которого подключена нагрузка ZН.
В этом конверторе работа всех блоков, кроме преобразователя с самовозбуждением, рассматривалась ранее. Поэтому далее остановимся только на принципе действия блока ПС.
В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы, включаемые по двухтактной схеме (рис. 6.8).
Работу преобразователя с самовозбуждением можно разбить условно на
этапы: действие положительной обратной связи и перемагничивание сердечнка.
Рассматриваемый преобразователь представляет собой релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы с трансформаторной положительной обратной связью. Для обеспечения такой формы генерируемых колебаний материал сердечника трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы (рис. 6.9). Наибольшее применение в подобных устройствах находит включение транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как именно такое включение обеспечивает большой коэффициент усиления по мощности.
При подаче на конвертор напряжения Е от источника ЭДС, которое следует преобразовать, в транзисторах появляются токи iк1, iк2. Эти токи по каким-либо причинам (чаще всего из-за естественного технологического разброса) не будут равны между собой. Допустим, что ik1 > iк2. Тогда результирующая магнитодвижущая сила м. д. с. F = ω' ik1 - ω' iк2 создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления, когда наведенная ЭДС в обмотках обратной связи ω'ос, ω''ос ещё больше будет увеличивать ток ik1 транзистора V1 и уменьшать ток iк2 транзистора V2. Изменения токов заканчиваются тогда, когда транзистор V1 полностью откроется, а транзистор V2 закроется. Процесс изменения коллекторных токов, а следовательно, отпирания и запирания транзисторов происходит лавинообразно, в результате чего в выходном напряжении формируется крутой передний фронт. На этом заканчивается первый этап работы преобразователя. Возросший скачком ток ik1 приводит к изменению магнитной индукции сердечника от значения –Вr, при котором трансформатор находился в начале рассматриваемого этапа работы, до значения +Вr. При этом в сердечнике появляется магнитный поток Ф, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +Вr, скорость нарастания магнитного потока уменьшается. Уменьшаются и ЭДС, наводимые в обмотках ω'ос, ω''ос, в результате чего появляется небольшой коллекторный ток iк2 в запертом ранее транзисторе V2, а коллекторный ток iк1 транзистора V1 несколько уменьшается. Направление МДС в сердечнике изменяется на противоположное. Начинает действовать положительная обратная связь, что приводит к запиранию транзистора V1 и отпиранию транзистора V2. Далее процессы повторяются вновь. Необходимо отметить одну особенность работы конвертора с самовозбуждением, которая заключается в том, что выпрямляется не синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц, а переменное напряжение прямоугольной или близкой к ней формы с частотой, доходящей до 50 кГц. Силовые же диоды, применяемые в выпрямителях, имеют, как известно, инерционные свойства. При выпрямлении напряжений с крутыми фронтами выпрямительные диоды в моменты времени, когда фронты нарастают и происходит спад импульса, теряют свойства односторонней проводимости. При частоте выпрямленного напряжения больше допустимого значения, указанного в паспорте, эти диоды вообще перестают выпрямлять.
Отметим, что регулирование постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий КПД импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отношении неуправляемый выпрямитель, работающий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрямителем.
Преимуществом импульсных преобразователей постоянного напряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением является то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до нескольких киловольт и на токи до сотен ампер при прямом падении напряжения, равном нескольким вольт. Это позволяет создавать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батареи, термоэлектрические генераторы.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем заключается принцип работы ИРПН?
2. Почему регуляторы первого рода могут работать только на понижение напряжения, а регуляторы второго рода могут повышать питающее напряжение?
3. Задача: напряжение источника питания ИРПН первого рода Ed = 12 В и изменяется от Ed до 0,8 Ed, ток нагрузки 1 А, напряжение на нагрузке Un = 5 В, частота переключения ключа кf = 1000 Гц. Определить: 1) изменение коэффициента заполнения γmin – γmax для получения стабильного напряжения на нагрузке; 2) время импульса t и время паузы при Ed = 12 В; 3) необходимое значение индуктивности L, обеспечивающее колебания тока нагрузки imах - imin = 0,01/Iн при Un=12 В.