2.2 Статические преобразователи

2.2.1 Статические преобразователи переменного тока в постоянный

На ЛА для преобразования переменного тока в постоянный наибольшее распространение получили трансформаторно-выпрямительные блоки (ТВБ) или выпрямительные установки (ВУ).

Выпрямительные установки применяют не только в качестве источников питания вторичной системы электроснабжения, но и для получения различных напряжений постоянного тока, необходимых для питания отдельных внутренних цепей потребителей электрической энергии. ТВБ и ВУ состоят из следующих основных элементов: трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и вспомогательного устройства для регулирования напряжения, защиты от перегрева и сигнализации.

Наибольшее распространение в ВУ получили двухфазные и трехфазные мостовые схемы выпрямления, но для вторичных источников питания используются и другие схемы выпрямления (рис. 1).

Рисунок 1 – Схемы выпрямления и графики выпрямленного напряжения

Основные данные схем выпрямления приведены в табл. 1.

Таблица 1 Основные ТХ схем выпрямления

В таблице 1 приняты следующие обозначения:

Ua — среднее значение выпрямленного напряжения;

I₀ — среднее значение выпрямленного тока;

U_обр — обратное напряжение, приложенное к вентилю в непроводящую часть периода;

U_m2—амплитудное значение напряжения вторичной обмотки;

I₂ — действующее значение тока вторичной обмотки;

Р₀ — среднее значение мощности постоянного тока;

Р— мощность источника;

k_п — коэффициент пульсаций (k_n = Um/Uo);

η — КПД выпрямителя (η=Ро/Р).

Характеристики, приведенные в табл. 1, соответствуют работе выпрямителей только на активную нагрузку при синусоидальном входном напряжении. При других видах нагрузок существенно изменяются соотношения токов, напряжений и мощностей.

Как видно из табл. 1, .наибольшее среднее выпрямленное напряжение и наименьший коэффициент пульсаций имеют трехфазные схемы и с этой точки зрения они являются наиболее предпочтительными.

В качестве вентилей в ВУ используются кремниевые и германиевые диоды, обладающие высокой надежностью, большой механической прочностью и малой инерционностью.

Допустимое значение плотности тока для германиевых диодов составляет 75 А/см². Благодаря малому внутреннему сопротивлению диода его КПД имеет большое значение (95—99%). К недостаткам диодов следует отнести сильную зависимость параметров от температуры. При температуре +50°С амплитуда допустимого обратного напряжения снижается на 35—40%. Допустимая рабочая температура для германиевых диодов составляет 80°С.

Кремниевые диоды сохраняют свои выпрямительные свойства в диапазоне температур от —60 до +200°С, имеют допустимые обратные напряжения 1000 В, плотность тока 100—120 А/см².

На рис. 2 представлена принципиальная схема трансформаторно-выпрямительного блока (ТВБ-6).

Рисунок 2 - Принципиальная схема трансформаторно-выпрямительного блока (ТВБ-6)

2.2.2 Статические преобразователи постоянного тока в переменный

На ЛА с первичной системой электроснабжения постоянного тока для получения переменного тока постоянной частоты до последнего времени использовались главным образом электромашинные преобразователи, имеющие ряд недостатков: большую полетную массу, низкий КПД, недостаточно высокую надежность, большие затраты времени на обслуживание.

В настоящее время для ЛА созданы надежные статические преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы) на транзисторах мощностью в несколько киловатт, превосходящие по основным параметрам электромашинные преобразователи. КПД транзисторных преобразователей достигает 95%.

По сравнению с электромашинными статические преобразователи обладают следующими преимуществами: время выхода на рабочий режим меньше в 5—10 раз и составляет доли секунды; в несколько раз меньше пусковые токи; лучше качество переходных процессов; отсутствуют акустические шумы, создаваемые при работе преобразователя; большой срок службы, малые масса и габариты.

Применение кремниевых транзисторов позволяет создавать преобразователи, работающие при температурах 80— 100°С. Полупроводниковые приборы в инверторах работают в ключевом режиме.

Инверторы на транзисторах можно подразделить на два типа: с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Инверторы с самовозбуждением выполняют на небольшие мощности (до нескольких десятков ватт), в основном по двухтактной схеме (рис. 8.3,а). Схема состоит из трансформатора Тр, сердечник которого вы­полнен из стали с прямоугольной петлей гистерезиса, и двух транзисторов Т1, Т2, включенных по схеме с общим эмиттером. Делитель напряжения R1R2 служит для запуска преобразователя при включении на­пряжения сети Uc. В этом случае на резисторе R1 появляется небольшое напряжение (0,3—0,6 В), отрицательный полюс которого приложен к базам транзисторов, вызывая отпирание одного из них. Схема работает следующим образом.

Предположим, что в некоторый момент времени открыт транзистор Т1. Тогда напряжение питания Uc (за вычетом падения напряжения на участке эмиттер — коллектор ΔUэ-к) оказывается приложенным к половине коллекторной обмотки N_K' и создает в ней и в других обмотках ЭДС с полярностью, указанной на рис. 8.3, а без скобок.

ЭДС базовой обмотки Мб' создает на базе транзистора Т1 отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение, а ЭДС N_б" в этот момент создает на базе транзистора Т2 положительное напряжение. Следовательно, в момент, когда транзистор Т\ открыт, транзистор Т2 закрыт.

Транзистор Т1 будет открыт до тех пор, пока магнитный поток в сердечнике трансформатора не достигнет насыщения. Так как в момент насыщения скорость изменения магнитного потока почти равна нулю, ЭДС во всех обмотках трансформатора также станет почти равной нулю. Происходящее при этом резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности (указана на рис. 8.3, а в скобках). В этом случае базовая обмотка N_б" создает на базе транзистора Т2 отрицательное напряжение, что приводит к отпиранию этого транзистора и возникновению тока в коллекторной обмотке Мк". При этом ЭДС базовой обмотки Nб" возрастает, что вызывает дальнейшее увеличение коллекторного тока и т. д.

Транзисторы Т1 и Т2 работают в ключевом режиме, а изме­няющийся магнитный поток в сердечнике трансформатора индуцирует во вторичной обмотке переменную ЭДС, форма которой близка к прямоугольной. Частота тока (в герцах), полученного на выходе трансформатора, определяется по формуле

где Uc — напряжение сети, В;

Uэ-к — падение напряжения на участке эмиттер — коллектор, В;

В — магнитная индукция, Тл;

s — сечение магнитопровода, см2;

N_K — число витков половины коллекторной обмотки;

Коб — обмоточный коэффициент.

В инверторах мощностью свыше 50 Вт применяется схема с независимым возбуждением.

Инверторы с независимым возбуждением представляют собой сочетание маломощного инвертора с самовозбуждением (генератора) и усилителя мощности (рис. 8.3, б). Эта схема обеспечивает постоянство частоты и формы кривой переменного напряжения, а также уменьшает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки инвертора.

Преобразователь состоит из генератора (транзисторы Т1, Т2 и трансформатор Тр1) и усилителя мощности (транзисторы Т3, Т4 и трансформатор Тр2). Генератор собран по схеме с общим эмиттером, работа которой рассмотрена выше, усилитель мощности— по схеме с общей базой. Выходная обмотка генератора является одновременно входной обмоткой усилителя мощности. Мощность генератора расходуется во входной цепи усилителя и определяется входным сопротивлением последнего.

Входное сопротивление одного плеча усилителя равно входному сопротивлению транзистора. Полученный от генератора прямоугольный сигнал переменного напряжения усиливается и трансформируется выходным трансформатором Тр2 в цепь нагрузки.