Додатковий матеріал для поглибленого вивчення теми «Широтно – імпульсні перетворювачі постійного струму» д.1 імпульсні перетворювачі напруги

Для живлення деяких споживачів, які потребують регулювання під­веденої до них напруги, використовуються імпульсні перетворювачі напруги (ІПН). Вони перетворюють сталу за величиною постійну чи змінну напругу в регульовану величину шляхом періодичного підключення навантаження до джерела живлення. Причому тривалість такого підключення можна змінювати і цим самим регулювати величину середнього чи діючого значення підведеної до наванатження напруги. Якщо ключ, який керує роботою ІПН, є ідеальним, то під час під’єднання навантаження до джерела, напруга на ньому рівна напрузі джерела, а під час від’єднання (паузи) напруга на навантаженні рівна нулеві.

Імпульсні перетворювачі постійної напруги широко застосовуються в електроприводах постійного струму для верстатів, в системах регулювання та стабілізації постійної напруги живлення, в бортових автономних систе­мах, в електротранспорті та інше. Імпульсні перетворювачі змінної напру­ги знайшли використання в установках для плавного безреостатного пуску потужних асинхронних двигунів, в замкнутих системах електроприводів змінного струму для різноманітних виконавчих механізмів, для регулюван­ня потужності нагрівальних та освітлювальних установок і т.д.

ІПН відрізняються такими перевагами як високий ККД, незначна чут­ливість до коливань температури, малі габарити та вага, постійна гото­вність до роботи. До їх недоліків слід віднести необхідність встановлення вихідних фільтрів, що збільшує інерційність пристрою, та високі швидко­сті перемикання ключів, що приводить до виникнення перенапруг в схемі та створення радіозавад.

Роль ключів в ІПН можуть виконувати повністю керовані вентилі (двоопераційні тиристори, транзистори, ІGBT-транзистори) або одноопера­ційні тиристори з вузлами примусової комутації. При розробці сучасних ІПН перевага надається ключам, виконаним на повністю керованих вентилях.

Д.1.1 Нереверсивні імпульсні перетворювачі постійної напруги на повністю керованих вентилях

Вихідна напруга ІПН постійного струму являє собою послідовність однополярних імпульсів напруги прямокутної форми з тривалістю t_імп і паузою між ними t_п. Сума цих часів складає період проходження імпульсів вихідної напруги T=t_імп+t_п , а співвідношення між ними впливає на величину вихідної напруги U_вих=U_н. Форма вихідного струму і_н залежить від характеру навантаження. При RL наванатаженні вихідний струм складається з ділянок експонент.

За способом вмикання ключа та дроселя фільтра ІПН ділять на три типи. В перетворювачах першого типу ключ і дросель вмикаються послідовно з навантаженням, в ІПН другого типу дросель вмикається послідовно, а ключ паралельно до навантаження, в ІПН третього типу дросель підключається паралельно до навантаження, а ключ послідовно з ним. Схема перетворювача першого типу та часові діаграми для нього показані на рис. Д.1.1.

Рис. Д.1.1

В перетворювачі, зображеному на рис. Д.1,а, роль ключа К виконує двоопераційний тиристор VS, а діод VD (зворотний діод), що шунтує навантаженя R_н-L_н, необхідний для забезпечення протікання струму в на­вантаженні тоді, коли ключ VS закритий і йде розряд електромагнітної енергії, накопиченої в індуктивності L_н. При значній індуктивності та ве­ликому струмі навантаження останній носитиме неперервний характер.

Існують два основних способи регулювання вихідної напруги ІП: ши­ротно-імпульсний та частотно-імпульсний. Часом використовується комбінація цих двох способів.

При широтно-імпульсному регулюванні (ШІР) величина середнього значення вихідної напруги змінюється за рахунок співвідношення між t_імп та t_п при T=const, тобто при постійній частоті комутації ключа f_імп=1/Т=const.

Середнє U_н.ср. та діюче U_н.д значення напруги на навантаженні можуть бути визначені з виразів

U_н.ср = =  U_d;

U_н.д = ,

де  = ‑ коефіцієнт регулювання (коефіцієнт щілинності);

U_d – напруга живлення.

Величина U_н.ср та U_н.д не залежать від характеру навантаження, а сере­днє значення струму в навантаженні складає

І_н.ср = ,

де R_н – активний опір навантаження.

Частотно-імпульсне регулювання (ЧІР) характеризується тим, що ши­рина імпульсу (або паузи) залишається сталою (t_імп=const), а період сліду­вання імпульсів є f_імп=1/Т=var. Тоді відповідно середнє та діюче значення ви­хідної напруги будуть:

U_н.ср = U_d = t_імпf_імпU_d;

U_н.д = .

Для ШІР 0U_н.срU_d при умові 01, а для ЧІР 0U_н.срU_d при умові 0  f_імп  f_max=1/t_імп.

Метод ЧІР має ряд недоліків, а саме: частота f_імп повинна змінюватися в дуже широких межах (від 0 до f_max); ускладнюється розрахунок зглад­жуючого дроселя, який повинен працювати в цьому діапазоні частот; при низьких вихідних напругах (низьких частотах) виникає небажаний режим переривчастих струмів. Тому, враховуючи ці недоліки, перевага надається ІПН з ШІР при f_імп=const.

Перетворювач, у якого комутуючий елемент увімкнутий послідовно з навантаженням, наприклад, якорем двигуна постійного струму, називають послідовним імпульсним перетворювачем, який забезпечує регулювання вихідної напруги (напруги на якорі U_я) лише вниз від U_d. Машина М (див. рис. Д.1.2,а) при цьому може працювати в режимі двигуна і забезпечує ха­рактеристики в першому квадранті (U_я>0, І_я>0). При чому для такого на­вантаження може бути два режими: режим неперервних струмів та режим переривчастих струмів. Перший режим є основним і для нього величина струму двигуна та швидкісна характеристика машини записуються відповідно так:

І_я = І_­н = ,

, (Д.1.1)

де ₀,  ‑ кутова швидкість обертання двигуна для неробочого ходу (₀=U_d/K_e); І₀=U_d/R_н – струм короткого замикання при =0; Е_м=К_еФ - ЕРС машини М; R_н=R_L+R_я – сумарний опір дроселя та якоря машини.

При малих навантаженнях, коли період перемикань ключа VS стає співмірним зі сталою часу кола навантаження, наступає режм переривча­стих струмів, тоді струм якоря двигуна визначається з виразу:

І_я = І_­н = ,

а швидкісна характеристика двигуна для цього режиму має вигляд:

, (Д.1.2)

де t₁=T_нln ‑ момент часу, коли струм якоря спадає до нуля; Т_н=L_н/R_н – стала часу навантаження; b₁= ‑ коефіцієнт, що залежить від щілинності та Т_н .

З (Д.1.1) та (Д.1.2) видно, що при неперервному струмі швидкісні характеристики системи ІПН-Д є аналогічними характеристикам системи ТП-Д (або Г-Д), а на ділянках, де струм переривчастий, вони нагадують ха­рактеристики при регулюванні швидкості двигуна постійного струму зміною активного опору в колі якоря (див. рис. Д.1.3, б).

Рис. Д.1.2	Рис. Д.1.3

Залежності напруги на якорі двигуна U_я від струму наванатження І_я для неперервного та переривчастого режимів роботи при нехтуванні вну­трішнім опором вентилів відповідно записуються:

Uя = Ud - IяRL; Uя = (Ud - IяRL).

Якщо врахувати опір дроселя R_L, то діапазон зміни U_я лежить в межах 0U_я/U_d1-K, де К=R_L/(R_L+R_я)<1.

В перетворювачах другого типу, коли ключовий елемент вмикається паралельно до наванатження (паралельний імпульсний перетворювач), можна отримати напругу на навантаженні U_н, більшу від напруги живле­ння U_d. Схема такого перетворювача показана на рис. Д.1.3,а. При відкритому ключі VS в дроселі L_ф протікає струм від джерела U_d і в ньому накопичується електромагнітна енергія, а напруга на навантаженні Z_н в цей час рівна нулю. Після закривання VS енергія від дроселя передається в навантаження Z_н через діод VD. При цьому напруга U_d та ЕРС самоіндукції дроселя е_s діють згідно і створюють струм і_н. Напруга на навантаженні стає тепер більшою від напруги джерела живлення U_d (U_н>U_d). Якщо зне­хтувати втратами в R_L та вентилях і вважати струм і_d ідеально згладженим, то енергія, яка накопичується в L_ф при відкритому VS, буде рівною

W_L = U_d I_d t’_імп. (Д.1.3)

Тут під t’_імп розуміють час відкритого стану тиристора VS, а ’= t’_імп/Т.

При закритому VS енергія, яка передалася від реактора до навантаження, складає:

W_н = (U_н-U_d)I_d t’_п. (Д.1.4)

В усталеному режимі W_L=W_н і тоді з (Д.3)та (Д.4) отримуємо:

U_н = U_d .

Звідси видно, що для ідеального випадку (без втрат) при зміні 0’1 напруга на навантаженні змінюється в межах U_dU_н<. Практично, якщо врахувати втрати в R_L, напруга на навантаженні буде визначатися як

. (Д.1.5)

Діапазон зміни вихідної напруги U_н в цьому випадку визначається нерівністю:

(1-К)  , (Д.1.6)

тобто максимальне підвищення напруги на навантаженні визначається опором дроселя та внутрішнім опором джерела живлення.

Цей принцип використовується при рекуперативному гальмуванні машини, яка живиться від ІП. Для цього двигун вмикається за схемою, зображеною на рис. Д.1.3,б. Тут роль джерела живлення при рекуперації виконує машина М з ЕРС Е_м , а в ролі навантаження виступає мережа з напругою U_d, до якої прикладається через діод VD напруга U_н. Тоді вираз (Д.1.5) прийме вигляд:

U_н = . (Д.1.7)

Напрям струму І_d змінюється, а напруга U_н зберігає свій знак (U_н = U_я>0; І_я<0), тому передача енергії йде тепер від машини до джерела живлення U_d. Щоб забезпечувати рекуперацію енергії в мережу по мірі гальмування машини і зменшення Е_м, необхідно підтримувати нерівність U_н>U_d, а для цього потрібно зменшувати (1-’), тобто збільшувати коефіцієнт регулювання ’ (збільшувати інтервал провідності VS). Зовнішні характеристики машини лежать тепер в другому квадранті.

Якщо об’єднати схеми на рис. Д.1.2,а та Д.1.3,б в одну схему (див. рис. Д.1.4,а), то можна отримати нереверсивний електропривод, характеристики якого розташовані в І та ІІ квадрантах (рис. Д.1.4,б, тут зоною переривчастих струмів знехтувано і Т_н>>1).

Ключ VS1 та діод VD1 проводять струми в режимі двигуна, коли енергія споживається з мережі постійного струму, а ключ VS2 та діод VD2 проводять при роботі машини в генераторному режимі і рекуперації енергії в мережу.

Рис. Д.1.4

Рис. Д.1.5

Схема імпульсного перетворювача третього типу показана на рис. Д.1.5. Тут дросель L ввімкнутий паралельно до навантаження, а ключовий елемент VS – послідовно з навантаженням. При від­критому VS електромагнітна енергія на­копичується в дроселі, а діод VD в цей час блокує наванатження від джерела живлення. Коли ключ VS закривається, електромагнітна енергія дроселя розряджається через навантаження та діод VD, створюючи струм І_я. В режимі неперервних струмів зовнішня характеристика такого перетворювача записується так

U_н = U_я = . (Д.1.8)

Звідси видно, що при зміні  в межах 0<<0,5 напруга на навантаженні регулюється вниз від U_d, а при 0,5<<1 – вище від неї, тобто 0 - 1.

Для імпульсних перетворювачів великої потужності, а також для зменшення пульсацій вихідного струму часто використовується багатотактний принцип, коли на паралельну роботу вмикають m окремих (однотактних) перетворювачів, які працюють на спільне навантаження від спільного джерела живлення постійного струму. Такі перетворювачі часто називають багатофазними імпульсними перетворювачами.

а)

Багатотактні перетворювачі допускають два режими роботи: режим почергової роботи та режим роботи з перекриттям. Кожний однотактний перетворювач вступає в роботу з запізненням на t_зап=Т/m, але в першому випадку t_імп  T/m, а в другому випадку t_імп  T/m і виникають моменти, коли два або більше каналів одночасно підключені до навантаження.

б)
в)

Рис. Д.1.6

Схема тритактного послідовного ІПН зображена на рис. Д.1.6,а, де кожний канал включає тиристорний (транзисторний) ключ, зворотний діод та дросель фільтра (відповідно елементи VS1-VD1-L_ф1, VS2-VD2-L_ф2, VS3-VD3-L_ф3), а навантаження Z_н є спільним для трьох каналів. Часові діаграми для режиму почергової роботи каналів показані на рис. Д.1.6,б, а для режиму з перектриттям – на рис. Д.1.6,в (в обох випадках для неперервних струмів у кожному каналі).

Струм у навантаженні і_н в багатотактних перетворювачах рівний сумі струмів усіх каналів і в порівнянні з одним каналом має в m разів більшу частоту, але меншу амплітуду пульсацій.

Еквівалентна напруга на навантаженні u_н.екв (миттєві значення) визначається кількістю ввімкнутих одночасно ключів та діодів, які проводять струм на заданому інтервалі часу. Це пов'язано з тим, що потенціал точки навантаження, що під’єднана до спільної точки дроселів, визначається кількістю та схемою вмикання дроселів, які під’єднані послідовно та паралельно по відношенню до навантаження і створюють дільник напруги. Тому миттєві значення еквівалентної напруги визначаються з виразу:

u_н.екв = U_d ,

де К=0, 1, 2, … ‑ число каналів, у яких одночасно замкнуті силові ключі.

Тому при почерговій роботі каналів для схеми з m=3 (при умові

0  t_імп1  Т_1­/3) число К може бути рівним 1 або нулю, а u_н.екв= U_d або u_н.екв=0, тобто вихідна напруга є імпульсною з t_імп=t_імп1 та t_п=t_п1/3. Вихідна напруга в цьому режимі має трикратну частоту і може регулюватися в межах від 0 до U_d.

Для режиму з перекриттям (при умові Т₁/3t_імп1Т) у вихідній напрузі відсутні інтервали часу, коли до навантаження не прикладається напруга зі сторони перетворювача і t_п=0. Напруга u_н носить неперервний характер і має ступінчасту форму (див.рис. Д.1.6,в). На інтервалі Т₁– Т₁, коли бувають замкнуті одночасно по два ключі, напруга регулюється в межах U_d … U_d, а на інтервалі Т₁–Т₁ (замкнуті по три ключі) – в межах U_d…U_d, а в цілому при 0  t_імп1  Т₁, напруга 0  U_н.ср.  U_н.maxU_d.

Багатотактні ІП мають деякі переваги перед однотактними, а саме: можуть бути побудовані на більші потужності при обмеженому номінальному струмі ключів, забезпечують менші пульсації вхідного та вихідного стрмів, зменшується сумарний габарит і маса індуктивних фільтрів (маса майже в 4 рази менша при m=3) та збільшується жорсткість зовнішніх характеристик. Але слід мати на увазі, що з появою більш потужних ключів (транзисторів, тиристорів) в сучасних перетворювачах перевага надається однотактним схемам, які є більш простими та надійними.