Ошибка

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Категория: Электроприводы
Опубликовано 03.07.2011 09:10
Автор: Super User
Просмотров: 3607

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразование постоянного напряжения одного значения в другое можно выполнить двумя путями. Первый заключается в последовательном включении в схему инвертора и выпрямителя, но при этом имеет место двукратное преобразование энергии со всеми присущими этому способу недостатками. Второй путь предполагает применение импульсных схем - импульсных преобразователей постоянного напряжения (ИППН) (рис. 1, а). С помощью импульсного преобразователя (ИП) источник постоянного напряжения периодически подключается к нагрузке (рис. 1, б), в результате на выходе собственно ИП формируются импульсы напряжения. Если ключ считать идеальным, то КПД такого ИП приближается к 100%.

Рис. 1. Схема (а) и принцип действия (б-г) ИППН

Формы напряжения на нагрузке и входного тока показаны на рис. 1, в, г.

Напряжение на нагрузке можно регулировать изменением времени открытого состояния ключа за период: чем больше относительная продолжительность включенного состояния ключа, тем больше среднее значение напряжения на нагрузке, и наоборот. В схемах ИП применяют два способа регулирования: 1) широтно-импульсное, при котором период работы ключа постоянен, а меняется длительность времени включенного состояния, 2) частотно-импульсное, когда остается постоянной длительность включенного состояния ключа, но меняется частота работы схемы, а за счет этого и среднее значение напряжения на нагрузке. Второй способ проще в аппаратурном отношении, но при первом легче осуществлять фильтрацию пульсирующего напряжения на нагрузке.


В качестве ключей наиболее целесообразно применять полностью управляемые устройства, т. е. транзисторы и ДОТ. Обычные тиристоры должны быть снабжены схемой выключения.

Одна из простейших схем ИППН показана на рис. 2. Она представляет собой последовательно включенные ключ (тиристор) VD, дроссель L, нагрузку Rн, шунтированную конденсатором С, и так называемый обратный диод VD2. При включении тиристора замыкается цепь VD1-L-Rн, при этом в дросселе происходит накопление электромагнитной энергии, поэтому напряжение на нагрузке нарастает по экспоненте. После выключения тиристора схемой управления СУ ток дросселя мгновенно измениться не может и замыкается по контуру L-Rн-VD2, поэтому спадание напряжения на нагрузке также замедляется. Конденсатор С, используемый в качестве емкостного фильтре, способствует уменьшению пульсаций напряжения на нагрузке. Изменяя с помощью схемы управления длительность пребывания тиристора во включенном состоянии, можно менять среднее значение напряжения на нагрузке (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема (а) и диаграмма работы (б) ИППН при широтно-импульсном регулировании

ИППН находят все более широкое применение в технике, в том числе судовом электрооборудовании, для регулирования и (или) стабилизации напряжения на нагрузке (электроприводе постоянного тока, питаемого от аккумуляторов, зарядных устройствах аккумуляторов, системах гарантированного электропитания и т. п.) благодаря ряду их преимуществ. К их числу относятся:


высокий КПД, так как потери мощности на регулирующем элементе ИП незначительны по сравнению с системами непрерывного регулирования;

малая чувствительность к колебаниям окружающей температуры;

высокое быстродействие, ограниченное только свойствами ключевого элемента;

высокая точность и большой диапазон регулирования напряжения на нагрузке;

возможность получения на нагрузке напряжения, превышающего напряжение питания, и даже обратного по знаку.

Несмотря на необходимость фильтрации напряжения на нагрузке, что требует иногда установки достаточно сложных фильтров, ухудшающих быстродействие ИП, и необходимость защиты источника питания от импульсных помех, достоинства ИППН обеспечивают им все большее применение.

На рис. 3 приведены три упрощенные транзисторные схемы ИППН, состоящие из одних и тех же элементов.

Рис. 3. Схемы ИППН на транзисторах

Схема 3, а обеспечивает регулирование напряжения на нагрузке [image]. Предельное значение [image] достигается, если ключ постоянно замкнут.


С помощью схемы 3, б может быть достигнуто значение [image]. Схема работает следующим образом. При включенном VT ток протекает только через индуктивность, в которой запасается электромагнитная энергия. После выключения VT ток сохраняет свое значение и протекает через нагрузку, сопротивление которой намного больше сопротивления открытого транзистора. Во столько же раз [image] может превысить Е, но нельзя забывать, что емкостной фильтр С заметно уменьшает это соотношение. Обратный диод VD препятствует разряду конденсатора через открытый транзистор.

Схема рис. 3, в, работая подобно предыдущей, позволяет получить на нагрузке напряжение, обратное по знаку входному.

В заключение рассмотрим схему импульсного стабилизатора напряжения.

В простейшем случае эта схема (рис. 4, а) включает генератор прямоугольных импульсов G, формирователь пилообразного напряжения ФПН, компаратор К, сравнивающий напряжения „пилы" с напряжением на нагрузке [image], и стабилизатор Ст для питания СУ. Если [image] по каким-то причинам уменьшается, увеличивается длительность проводящего состояния транзистора VT, в нагрузку поступает больше энергии и напряжение восстанавливается (рис. 4, б). Быстродействие схемы определяется частотой генератора, а точность стабилизации - чувствительностью компаратора. На практике коэффициент стабилизации такой схемы [image] может достигать 1000, а быстродействие - 1...10 мкс, мощность в нагрузке зависит от параметров силового элемента - транзистора или тиристора.


Рис. 4. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения (а) и диаграмма его работы (б)