9.7. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным ре­гулированием.

С помощью бесконтактного ключа импульсного преобразователя источник постоян­ного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ИП формируются импуль­сы напряжения.

Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить изменением параметров выходных импульсов: длительности t_u или периода следования Т.

Наибольшее распространение получили широтно-импульсный (ШИП) t_и = var, T = const; частотно-импульсный (ЧИП) t_и = const, T = var и время-импульсный (ВИП) t_и = var, T = var способы регулирования. При этом регулируется относительное время проводимости управляемого вентиля, что приводит к плавному изменению среднего или действующего значения напряжения на нагрузке.

ИП постоянного напряжения можно классифицировать по ряду признаков.

В зависимости от типа применяемых в силовой части полу­проводниковых приборов различают ИП: на полностью управ­ляемых вентилях (транзисторах и запираемых тиристорах); на тиристорах (в этом случае необходимо применение специаль­ных способов коммутации для запирания тиристоров).

Различают реверсивные и нереверсивные ИП. Нереверсив­ные преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсы постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности, а реверсивные — входное напряжение в пере­менное, разной по полупериодам длительности, или в импульс­ное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.

В качестве реверсивных обычно используют мостовые пре­образователи.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения на­ходят широкое применение в качестве стабилизаторов, регу­ляторов и конверторов напряжения, источников питания обмоток возбужде­ния электрических машин и электромагнитных механизмов, двигателей постоянного тока.

Импульсные преобразователи переменного напряжения ши­роко используются для регулирования мощности электрических печей сопротивления, ламп накаливания и люминесцентных ламп, различных электротехнических установок, асинхронных двигателей и других устройств.

Выходные каскады ИП мощностью до 100 кВт наиболее просто выполнять на пол­ностью управляемых вентилях. При выходной мощности более 100 кВт в качестве ключей целесообразно приме­нять тиристоры. ИП имеют следующие преимущества:

1. высокий к. п. д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности при непрерывном регулировании;

2) малую чувствительность к изменениям температуры окру­жающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости управляемого вентиля, а не внутреннее сопротивление регулирующего элемента, как при непрерывном регулировании;

3) малые габариты и массу.

Основным недостатком ИП является импульсный режим работы регулирующего элемента, который приводит к необходимости устанавливать выходные (С_вых) и входные фильтры (C_вх), что вы­зывает инерционность процесса регулирования.

Широтно-импульсные преобразователи по­стоянного напряжения на полностью управ­ляемых вентилях. Схема нереверсивного ШИП постоян­ного напряжения и временные диаграммы токов и напряжений показаны на рис. 9.18. В схеме в качестве ключа принят тиристор а между ним и нагрузкой включена индуктивность. При отпирании тиристора V1 по индуктивности в нагрузку протекает ток i_н (на рис. 9.18, а путь тока показан сплошной линией). При запирании тиристора ток нагрузки i_н2 (путь тока пока­зан пунктирной линией) за счет э. д. с. самоиндукции сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через обратный диод V2 на индуктивность. При открытом тиристоре диод закрыт. Эпюры напряжений и токов в схеме показаны на рис. 9.18, б.

Выходное напряжение схема регулирует от нуля (при t_и=0) до входного напряжения(при t_и = T).

Для защиты тиристоров от перенапряжений, возникающих при разрывах цепи питания, на входе ШИП устанавливают фильтр, выходным звеном которого является конденсатор С_вх.

Среднее значение напряжения на нагрузке

(9.8)

где γ = t_и/T — коэффициент заполнения импульсов.

Изменяя ширину импульса, т. е. величину коэффициента заполнения, можно полу­чать на выходе ШИП различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое всегда меньше напряжения источника питания.

а

В ыпускаютсются яющие нижнимимотрена гальваническая развязка на диодно-транзисторных оптронах АОТ. 000000000000000000000000000000

V1 б

Если требуется напряжение на нагрузке выше, чем у источника питания, то используют конверторы. Конвертор – это ИП, нагруженный на трансформатор, с одной или несколькими вторичными обмотками, питающими выпрямители.

В настоящее время применяют два типа конверторов:

1) импульсные преобразователи постоянного напряжения с самовозбужде­нием;

2) 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. 9.19. 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 В оно подается на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Z_a. 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. 9.20).

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. 9.21). Наибольшее применение в подобных устройствах находит включение транзисторов по схеме с общим эмиттером, так как именно такое включение обеспечивает большой коэффициент усиления по мощности.

Работу конвертора с самовозбуждением можно разбить условно на два этапа: действие положительной обратной связи и перемагничивание сердеч-ника. При подаче на конвертор напряжения Е от источника э. д. с., которое следует преобразовать, в транзи­сторах появляются токи i_к1, i_к2. Эти токи по каким-либо причинам (чаще всего из-за естественного технологического разброса) не будут равны между собой. Допустим, что i_k1 > i_к2. Тогда результирующая магнитодвижущая сила м. д. с. F = ω' i_k1 - ω' i_к2 создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления, когда наведенная э. д. с. в обмотках обратной связи ω'_ос, ω''_ос ещё больше будет увеличивать ток i_k1 транзистора V1 и уменьшать ток i_к2 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 i_k1 приводит к изменению магнитной индукции сердечника от значения –В_r, при котором трансформатор находился в начале рассматриваемого этапа ра­боты, до значения +В_r. При этом в сердечнике появляется магнит­ный поток Ф, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +В_r, скорость нарастания магнит­ного потока уменьшается. Уменьшаются и э. д. с, наводимые в обмотках ω'_ос, ω''_ос, в результате чего появляется небольшой кол­лекторный ток i_к2 в запертом ранее транзисторе V2, а коллектор­ный ток i_к1 транзистора V1 несколько уменьшается. Направление м. д. с. 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. Поэтому 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.

Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется большая мощность, прибегают к многотактным ИППН, состоящим из n параллельно включенных однотактных ИППН (рис. 9.22). Следует отметить, что для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n. В результате этого в многотактных ИППН тиристоры работают поочередно или с некоторым перекрытием. Во всех ИППН отпирание полупроводниковых ключей производится путем принудительной подачи на тиристор коммутирующих импульсов, запирание же тиристоров осу­ществляется периодически заряжаемым конденсатором. Такая коммутация рассматривалась при описании автономных инвер­торов. Естественно, что коммутационный блок в ИППН имеет некоторое отличие от подобных блоков в автономных инверторах. С этими особенностями можно познакомиться в специальной ли­тературе.

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 к. п. д. 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 к. п. д., 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.

Рис. 9.22. Схема многотактного ИППН

Тиристорные импульсные преобразователи переменного напряжения. Построение регулирующих преобразователей переменного напряжения основывается на ис­пользовании полупроводникового коммутатора, функцию кото­рого чаще всего выполняют два включенных встречно-парал­лельно тиристора в цепи с питающим переменным напряжением и нагрузкой (рис. 9.23, а). Тиристоры, включенные по данной схеме, позволяют коммутировать однофазную сеть переменно­го тока и регулировать величины тока в цепи и напряжения на нагрузке. Если нагрузкой преобразователя является актив­ное сопротивление, то ток повторяет по форме напряжение (из­меняется по синусоиде) и прекращается при перемене поляр­ности напряжения на аноде тиристора (см. рис. 9.23 б). Напряжение на нагрузке в этом случае можно найти из со­отношения

(9.9)

Если нагрузка преобразователя носит активно-индуктивный характер, то форма тока в цепи не повторяет форму напряже­ния (см. рис. 9.23, в), так как возникает э.д.с. самоиндукции, пре­пятствующая нарастанию и спаданию тока. Поэтому ток через тиристор протекает в течение некоторого времени после изме­нения полярности напряжения питания. При этом регулирова­ние напряжения и тока нагрузки оказывается возможным при изменении угла отпирания тиристора в пределах φ<α<π, где φ = arctg ωk_н/R_н.

V1

а

а

α

α

α

0

π

2π

u

i

V1

В процессе регулирования к нагрузке приложено несинусо­идальное напряжение и в цепи течет прерывистый ток. Их гармонический состав зависит от величин α и φ.

Ha практике часто находят применение трехфазные преоб­разователи переменного напряжения.

Трехфазный тиристорный преобразователь переменного на­пряжения можно получить, взяв три однофазных преобразова­теля со встречно-параллельными тиристорами и включив их в каждую фазу трехфазной сети с нейтральным проводом. При этом ток через тиристорный элемент в каждой фазе не зависит от тока других фаз. При увеличении угла управления α умень­шается длительность протекания тока через тиристор и при некотором значении α импульс тока в одной фазе прекраща­ется раньше, чем отопрется тиристор в следующей фазе. Та­ким образом, возможны интервалы времени, когда ток в на­грузке не протекает. Угол проводимости каждого из тиристо­ров при этом уменьшается до величины, меньшей 60^о.