3.12 Принцип работы преобразователя постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения представляет собой устройство, которое связывает без промежуточного звена переменного тока две сети постоянного тока с различными напряжениями и служит для регулирования потока мощности между ними.

Применяется в устройствах электропитания различных объектов, в устройствах регулирования электроприводов, в частности тяговых, для регулирования напряжения автономных инверторов.

Принцип регулирования действующего (и среднего) значения постоянного напряжения основан на изменении длительности выходных импульсов постоянного напряжения при неизменном периоде их следования (широтно-импульсное регулирование — ШИР, т.е. f= 1/T= const) или на изменении частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности (частотно - импульсное регулирование — ЧИР, т.е. t_з = const).

Принципиальная схема понижающего ИППН импульсного преобразователя постоянного напряжения и его временные диаграммы приведены на рис 3.39.

U_1, U₂ — среднее значение напряжения соответственно на входе и на выходе преобразователя; i₁ и t_з — ток, протекающий через ключ S (затвор) и время его включенного состояния; t_р — время паузы (выключения ключа S); T — период следования импульсов; VD — нулевой диод; i_VD — ток через нулевой диод; i₂ — ток нагрузки; L₂ — фильтр в цепи нагрузки.

В

Рис. 3.39. Принципиальная схема (а) и

временные диаграммы (б) понижающего ИППН

течении времени t_з ключ S замкнут, под действием напряжения U₁ через ключ и через нагрузку течет ток i₁, равный току нагрузки ( i₂= i₁ ). При этом в активно - индуктивной нагрузке и фильтре L₂ идет накопление энергии, ток i₂ нарастает. После отключения ключа S (в течении времени t_p) противо - ЭДС, возникшая в индуктивности нагрузки и фильтре L₂ поддерживает ток нагрузки i₂ в том же направлении, замыкая цепь его прохождения через нулевой диод VD (i₂ = i_VD), по мере снижения противо - ЭДС ток i₂ уменьшается. Регулируя соотношения между t_з и t_р, можно менять соотношение между временем наращивания противо - ЭДС и ее снижением, т. е. между длительностями переднего и заднего фронтов пульсаций тока, тем самым регулировать средние значения напряжения U₂ и тока I₂ на нагрузке, потока мощности между источником U₁ и нагрузкой.

Уравнение баланса энергии преобразователя имеет вид:

U₂I₂ = U₁I₁ (3.79)

(без учета падения напряжения на активных сопротивлениях дросселя L₂ и соединительных проводах). Из уравнения (3.79) следует, что энергия отданная источником U₁ за время t_з равна энергии выделяемой на нагрузке за время t_з и t_р, т.е. ИППН обладает трансформаторным эффектом.

В ИППН с ШИР среднее значение выходного напряжения преобразователя связано с напряжением питания U₁ соотношением:

(3.80)

где - коэффициент передачи по напряжению. Диапазон регулирования значения U₂ от нуля до U₁.

В ИППН и ЧИР среднее значение выходного напряжения преобразователя связано с напряжением питания U₁ соотношением (3.81):

(3.81)

где f - частота повторения импульсов напряжения.

Диапазон регулирования значения U₂ от 0 (при f = 0) до U₁ (при f = 1/t_з).

Может применяться комбинированное регулирование U₂ изменением двух параметров выходных импульсов: t_з и f.

Высокие требования к сглаживанию тока нагрузки i₂ обеспечиваются высокой частотой f и за счет фильтра в цепи нагрузки (индуктивность или конденсатор).

ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу. Этот принцип основан на параллельном включении « n » отдельных преобразователей, показанных на рис. 3.39., работающих на общую нагрузку от общего источника U₁. Каждый из этих преобразователей коммутируется своим ключом (S₁…S_n). Ключи S₁…S_n работают поочередно с фазовым сдвигом 2/n друг относительно друга. Ток нагрузки I₂ = I₂₁+I₂₂+I_2n. Пульсация тока уменьшается в n раз. Мощность энергии на нагрузке также в n раз выше мощности, обеспечиваемой одной схемой преобразователя (рис 3.39), n - раз повторенной в многотактной схеме.