Классификация и функции устройств преобразовательной техники.
Преобразовательная техника – раздел электроники, предмет которого – разработка способов и средств преобразования электрической энергии. Реализующие средства – преобразовательная электроника.
Электрическую энергию можно рассматривать как силовую часть (энергетическая составляющая, основная часть – большие токи и напряжения) и информационная составляющая (сигнал, материальный носитель информации).
Преобразование информационного сигнала из неэлектрического в электрическое и наоборот выполняет информационно-преобразовательная техника. Это происходит с изменениями окружающей среды (температура, напряжённость электрического поля), также посредством электрической энергии возможны механические преобразования.
Функции преобразовательной техники:
изменение величины переменных напряжений и тока (трансформаторы)
преобразование переменного тока в постоянный или в однонаправленный пульсирующий (не сглаженный) (выпрямители)
преобразование постоянного тока (или однонаправленного пульсирующего) в переменный (инверторы)
преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты (преобразователи частоты)
изменение числа фаз переменного тока (расщепители фаз)
изменение величины постоянного напряжения (регуляторы, стабилизаторы)
преобразование изменения физических величин в изменения электрических величин (первичные преобразователи, датчики)
преобразование изменения электрических величин в изменения физических величин (исполнительные устройства, актуаторы)
Иногда к преобразовательным устройствам относят коммутаторы (устройство бесконтактного соединения цепей).
Силовые преобразовательные устройства подразделяются на 2 группы (по элементной базе):
статические (электромагнитные и вентильные)
электромашинные (трансформаторы; агрегаты двигатель-генератор, которые объединены механически)
Статические в свою очередь делятся на:
электромагнитные (реле, делители и умножители частоты)
вентильные (полупроводниковые элементы, например транзисторы, управляемые тиристоры)
управляемые вентили (с управляемым электродом, минимум 3 электрода, тиристоры, транзисторы)
неуправляемые вентили (динисторы, диоды)
малой мощности (до 1000 Вт)
средней мощность ~10 кВт
мощные (свыше 10 кВт)
2 режима работы: искусственная коммутация (реализуется только на управляемых вентилях) и естественная коммутация
Источники электропитания. Общая структура и сравнительная характеристика ист вторичного электропитания. Источники электропитания
Делятся на источники первичного электропитания (первичная сеть промышленного тока переменной частоты) и вторичного электропитания (ИВЭП).
Работа ИПЭП обеспечиваются в большинстве своём тепловой энергией, второй вид – батареи (химические, солнечные) и аккумуляторы.
Параметры первичной сети:
главный – номинальное значение питающего напряжения
нестабильность питающего напряжения (измеряется в относительных единицах)
внутреннее сопротивление первичного источника
частота питающего напряжения, либо уровень пульсации
форма кривой питающего напряжения
DC-AC преобразователи. Мостовые и полумостовые инверторы.
Инвертирование – преобразование постоянного тока (и напряжения) в переменный ток (и напряжение) одно- или многофазный.
Общий принцип инвертирования: поочерёдное подключение к источнику постоянного тока (со сменой полярности на противоположную) к первичной обмотке трансформатора (значительно реже – непосредственно к нагрузке); в результате на обмотке (на нагрузке) появляется переменное напряжение (редко синусоидальной формы, чаще прямоугольной, трапецеидальной и иной формы).
В общем случае, состав инвертора:
ключевые (переключательные) силовые элементы (реализуются транзисторами VT или тиристорами VS)
схемы (цепи) управления силовыми элементами (обеспечивают правильную коммутацию)
силовой трансформатор (его первичная обмотка/обмотки) (преобразует уровень напряжения, обеспечивает электрическую изоляцию вторичных цепей от первичных [гальваническая развязка])
Классификация инверторов:
по типу схемы инвертирования:
двухтактная схема (схема с выводом средней [нулевой] точки)
рисунок 3
мостовая схема
рисунок 4
недостатки – большее число ключей, более сложная схема; достоинство – первичная обмотка используется полностью
полумостовая схема
рисунок 5
устранён один из недостатков мостовой схемы – сложная коммутация, за счёт введения конденсаторов
4,DC-AC преобразователи. Инверторы с само- и независимым возбуждением.
по принципу действия
с самовозбуждением (инвертор становится автогенератором)
рисунок 6
ключевой для автогенерации является положительная обратная связь (в данном случае трансформаторная, при этом дополнительные обмотки должны работать в противофазе; частота зависит от скорости переключения ключей, времени нарастания напряжения в обмотках)
с независимым возбуждением
должны иметь некий дополнительный задающий генератор (это маломощный генератор, поэтому это может быть любая цифровая схема)
рисунок 7
Силовые элементы (транзисторы К1 и К2) должны выбираться исходя из максимального напряжения на них.
Максимальное
напряжение на силовом элементе должно
быть:
(m=1 для мостовой схемы, m=2 для двухтактной
схемы).
Среднее значение тока через силовой элемент:
Особенности работы инвертора на активную и индуктивную нагрузки
.. индуктивная нагрузка имеет запасённую энергию (электромагнитную), которая препятствует скачкообразному изменению тока. Это значит, что в течение некоторого периода времени эта энергия через уже открывшийся ключевой элемент возвращается в источник питания. Для ускорения передачи этой энергии можно включать шунтирующий диод.
5,DC-AC преобразователи. Специальные (транзисторные, трехфазные) инверторы.
Специальные транзисторные инверторы
Они вырабатывают переменное напряжение, близкое к синусоидальному.
Степень приближения сигнала с синусоидальному оценивается коэффициентом нелинейных искажений:
U – действующее значение сигнала
U1 – действующее значение первой гармоники сигнала
Рисунок 1
До момента времени t1 все транзисторы закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. В момент времени t1 открывается транзистор VT1, при этом ток идёт через всю левую полуобмотку первичной обмотки, напряжение на нагрузке равно: Uн = Uп* w2/(w1’+w1’’). В момент времени t2 открывается транзистор VT3, чтобы ток тёк только через секцию обмотки w1', напряжение на нагрузке: Uн = Uп* w2/w1’. В момент времени t3 транзистор VT3 закрывается (транзистор VT1 всё ещё открыт), напряжение на нагрузке снижается до уровня в момент времени t1. В момент времени t4 закрывается и транзистор VT1. В момент времени t5 отрывается транзистор VT2. Далее всё аналогично предыдущим случаям, но ток идёт по вторичной обмотке в обратном направлении.
К специальным транзисторным инверторам относят также инверторы, выдающие многофазное напряжение.
Общие принципы построения основываются на комбинировании однофазных.
Рисунок 2
Переключение ключей К3, К4 должно отставать по времени от переключения ключей К1, К2 на треть периода синусоидального сигнала, формируемого инвертором.
Параллельное включение нескольких инверторов с соответствующей синхронизацией позволяет получить N-фазное напряжение.