6.2 Широтно-импульсный преобразователь
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) находят применение в электроприводах мехатронных систем благодаря их высоким динамическим и энергетическим свойствам. Основой ШИП является силовой ключ (СК), который коммутирует напряжение источника питания на нагрузке двигателя постоянного тока. Оптимальным ключом для преобразователя служит полностью управляемый силовой полупроводниковый прибор (СПП), шунтированный быстродействующим диодом, к таким приборам относят биполярные и полевые транзисторы, запираемые сигналом управления, тиристоры и гибридные интегральные модули на их основе. Основным недостатком тиристорных ключей является их неполная управляемость и необходимость применения для их запирания специальных коммутационных узлов формирования мощных запирающих импульсов. Вследствие этого массогабаритные показатели и КПД тиристорных ШИП несколько ниже транзисторных.
В зависимости от способа управления ШИП к нагрузке прикладывается однополярное или разнополярное импульсное напряжение. Среднее значение ЭДС преобразователя Edo (или напряжение на якоре Uя) для симметричного управления ( = 0,5) Ed=Uп(2*-1), для не симметричного и поочередного управления (=0) Ed=Uп?, где скважность импульсов выходного напряжения при сигнале управления равном нулю. Так как коммутация СК происходит не мгновенно, а занимает некоторый интервал времени, то практически
Приведенная схема ШИП позволяет осуществить как, двигательный, так и тормозные режимы работы двигателя. Она обеспечивает непрерывный ток при любой нагрузке и регулируемую скорость холостого хода. В системах, не обеспечивающих тормозные режимы, возможен режим прерывистых токов, в таком режиме линейность механических характеристик двигателей постоянного тока нарушается.
В отличие от управляемых выпрямителей функции выпрямления переменного напряжения регулирование его средней величины в схеме ШИП-Д разделены. Функцию выпрямления переменного напряжения силового трансформатора выполняет неуправляемый выпрямитель, собранный чаще всего по трехфазной мостовой схеме. Выпрямленное напряжение Ud = const сглаживается емкостным либо индуктивно-емкостным фильтром.
Силовые трансформаторы модулей ЭМС являются самым распространенным элементом, согласующим напряжение в сети и выпрямителя с напряжение двигателя. Благодаря разделению функций выпрямления и регулирования выходного напряжения в системах ШИП габаритная мощность трансформатора может быть существенно снижена по сравнению со схемами управляемыми выпрямителями. Исследования показывает, что габаритная мощность Sтг для систем ШИП-Д находится в пределах (0,6-0,8)Uном•Iном в зависимости от типа нагрузки, в то время как для шестиимпульсного реверсивного УВ она составляет (1,6-1,7) Uном•Iном.
Важным техническим показателем системы ШИП-Д является высокое быстродействие при отработке управляющих и возмущающих воздействий. При частоте коммутации 4-5 кГц реально достижимая полоса пропускания контура ток в 2-2,5 раза превышает полосу пропускания в схемах с шистиимпульсным управлением УВ. Более высокое быстродействие приводов ШИП-Д позволяет соответственно увеличить добротность проектируемой системы. Для обеспечения максимальной производительности необходимо минимизировать суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя, применяя малоинерционные двигатели ( предпочтительнее с дисковыми якорями). Индуктивность якоря таких двигателей значительно меньше , чем у обычных и высокомоментных. Поэтому применение ШИП с более высокой частотой коммутации позволяет сократить потери в двигателе и уменьшить, габариты сглаживающего реактора, время нарастания ток якоря и скорости двигателя, что сказывается на увеличении производительности механизма МС.
Резонансный преобразователь с широтно-импульсной регулировкой выходного напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ / ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ РЕГУЛИРОВКА / ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ / ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ / КОЭФФИЦИЕНТ ГАРМОНИК / RESONANT VOLTAGE CONVERTERS VOLTAGE PULSE WIDTH CONTROL / PWM / POWER SUPPLY / GENERATOR OF HARMONIC OSCILLATIONS / HARMONIC FACTOR
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ворох Д.А., Махов А.И.
Предложен резонансный преобразователь напряжения и способы широтно-импульсного (ШИМ) регулирования его выходного напряжения. Преобразователь имеет глубокий (до 90%) диапазон регулировки при высокой линейности, высокий коэффициент полезного действия (КПД) во всём диапазоне регулировки, малую (в 1,5…2 раза) перегрузку реактивных элементов, слабую зависимость выходного напряжения от нагрузки, малый (до 3%) уровень гармоник и переключение ключей при нулевом токе. Преобразователь может быть использован в качестве регулируемого в широких пределах эффективного источника питания или генератора гармонических колебаний с амплитудной модуляцией по входу при КПД более 70%. Рассматриваются теоретические аспекты работы резонансного преобразователя, отражены функции каждого элемента схемы. Для подтверждения теоретических основ работы схемы доказана возможность ШИМ регулирования выходного напряжения схемы. Проведено математическое моделирование на примере высокоэффективного источника вторичного электропитания и источника гармонических колебаний с низким уровнем гармоник и большой выходной мощности. Исследована практическая реализация схемы преобразователя, работающего по методу с центрированием импульсов и без центрирования. Даны рекомендации о применении рассмотренной схемы и методов в качестве законченного устройства.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ворох Д.А., Махов А.И.
Системы управления преобразователями для солнечных модулей на базе инверторов с ШИМ
Вольтодобовочный резонансный lcl-т преобразователь для автономных систем электропитания на возобновляемых источниках энергии
Моделирование преобразователя постоянного напряжения с последовательным резонансным инвертором с несимметричным управлением силовыми транзисторами
Гибридный алгоритм модуляции на основе пространственно-векторной ШИМ и ШИМ с удалением выделенных гармоник
Вольтодобавочный последовательный резонансный преобразователь с изменяемой структурой для систем электропитания
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
RESONANT CONVERTER WITH PWM OUTPUT VOLTAGE ADJUSTMENT
A resonant voltage converter and ways of pulse width ( PWM ) adjustment of its output voltage are proposed in the paper. The converter has a deep (up to 90%) control range with high linearity, a high efficiency factor in the entire range of adjustment, small (1.5. 2 times) overload of reactive elements, weak dependence of the output voltage on the load, a low (up to 3%) level of harmonics and switching keys at zero current. The converter can be used as an efficient power supply adjustable over a wide range or a generator of harmonic oscillations with amplitude modulation on the input with an efficiency factor of over 70%. Theoretical aspects of the operation of the resonant converter are discussed and the functions of each element of the converter circuit are described in detail. The possibility of PWM control of the circuit output voltage is confirmed. Mathematical modeling is carried out using the example of highly efficient power supply and a secondary source of harmonic oscillations with low harmonics and high output power. Practical implementation of the converter circuit, operating according to the method of pulses with and without centering is analyzed. Recommendations on the optimum use of the scheme and methods considered as a complete unit are given.
Текст научной работы на тему «Резонансный преобразователь с широтно-импульсной регулировкой выходного напряжения»
УДК 621.373.52 В01: 10.18287/2541-7533-2016-15-3-143-152
РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ
РЕГУЛИРОВКОЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Д. А. Ворох аспирант, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, fallout2s@yandex.ru
А. И. Махов кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Makhov37@mail.ru
Предложен резонансный преобразователь напряжения и способы широтно-импульсного (ШИМ) регулирования его выходного напряжения. Преобразователь имеет глубокий (до 90%) диапазон регулировки при высокой линейности, высокий коэффициент полезного действия (КПД) во всём диапазоне регулировки, малую (в 1,5. 2 раза) перегрузку реактивных элементов, слабую зависимость выходного напряжения от нагрузки, малый (до 3%) уровень гармоник и переключение ключей при нулевом токе. Преобразователь может быть использован в качестве регулируемого в широких пределах эффективного источника питания или генератора гармонических колебаний с амплитудной модуляцией по входу при КПД более 70%. Рассматриваются теоретические аспекты работы резонансного преобразователя, отражены функции каждого элемента схемы. Для подтверждения теоретических основ работы схемы доказана возможность ШИМ регулирования выходного напряжения схемы. Проведено математическое моделирование на примере высокоэффективного источника вторичного электропитания и источника гармонических колебаний с низким уровнем гармоник и большой выходной мощности. Исследована практическая реализация схемы преобразователя, работающего по методу с центрированием импульсов и без центрирования. Даны рекомендации о применении рассмотренной схемы и методов в качестве законченного устройства.
Резонансные преобразователи напряжения, широтно-импульсная регулировка, источник питания, генератор гармонических колебаний, коэффициент гармоник.
Цитирование: Ворох Д.А., Махов А.И. Резонансный преобразователь с широтно-импульсной регулировкой выходного напряжения // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2016. Т. 15, № 3. С. 143-152. Б01: 10.18287/2541-7533-2016-15-3-143-152
Резонансные преобразователи напряжения — это генераторы с внешним возбуждением (ГВВ), работающие в ключевом режиме на гармониках напряжения, в отличие от классических генераторов, работающих на гармониках тока (получаемых путем отсечки тока генератора), и генераторов с синтезированием синусоиды.
Структурная схема резонансного ГВВ представлена на рис. 1. Она содержит блок активных элементов (БАЭ), возбудитель (В) и колебательную цепь (КЦ) с нагрузкой Я. Питание БАЭ осуществляется от источника питания (ИП). Нагрузка может быть подключена через выпрямитель, что на свойства ГВВ практически не влияет.
Рис. 1. Структурная схема ГВВ
Блок активных элементов выполняет функцию генератора гармоник напряжения, возбудитель — импульсный генератор, управляющий работой ключей БАЭ, колебательная цепь выделяет первую гармонику напряжения и подавляет высшие. Генератором гармоник напряжения является мостовая схема, часто используемая в преобразователях, генерирующая на выходе напряжение типа меандра с высоким коэффициентом полезного действия. Это напряжение — чередование разнополярных прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды U и длительности т с небольшим пробелом между импульсами («мёртвое время» порядка 3-4% от длительности импульсов). Отличительной чертой этого колебания является отсутствие постоянной составляющей и чётных гармоник. Амплитуды нечётных гармоник следующие:
U =-U; U3 =1U; U5 =1U,; . п 3 5
Резонансный преобразователь нормально работает и имеет хорошие свойства, если длительность возбуждающих импульсов с точностью до «мёртвого времени» равна полупериоду колебаний моста. При изменении длительности этих импульсов (например, с целью регулировки выходного напряжения) «мёртвое время» увеличивается и режим колебаний нарушается.
Фирмой Texas Instruments предложен фазовый способ регулировки напряжения резонансного преобразователя [1]. При этом длительность возбуждающих импульсов не изменяется, а изменяется фаза между импульсами левой пары относительно импульсов правой пары ключей моста. Длительность импульсов на выходе моста пропорциональна сдвигу фаз. При этом свободные колебания не нарушаются. Недостатком является то, что при сдвиге фаз «мёртвое время» прерывает ток ключей, что может нарушить процесс регулировки.
В работе [2] предложена схема резонансного ключевого преобразователя напряжения с частотной регулировкой напряжения. Эта схема может быть использована только при преобразовании постоянного напряжения в постоянное и, кроме того, имеет сложную колебательную цепь.
Считается, что ШИМ регулировка резонансного преобразователя, то есть регулировка путём изменения «мёртвого времени», невозможна, так как нарушает колебательный процесс в системе. Но оказалось, что ШИМ регулировка возможна, если принять соответствующие меры для обеспечения свободных колебаний.
Целью статьи является исследование резонансного преобразователя с ШИМ регулировкой выходного напряжения.
На рис. 2 представлена силовая часть резонансного преобразователя [3]. Она содержит мост на четырёх ключах VT1- VT4 с обратными диодами VD1- VD4; колебательную цепь, состоящую из последовательного L1,C1,R и параллельного L2,C2,R контуров, и трансформатор Тр с нагрузкой R. Обратные диоды, вместе с другими мерами, служат не только для защиты активных элементов, но и обеспечивают свободные колебания при выключении ключей. Колебательная цепь — полосовой фильтр четвёртого порядка с хорошей избирательностью и малой перегрузкой реактивных элементов (добротность звеньев Q = 1,5.2). Фильтр обеспечивает также слабую зависимость напряжения от величины нагрузки. Параллельный контур образован из индуктивности трансформатора L2 и всего одной добавочной ёмкости C2, то есть с малыми затратами по сравнению с известными схемами. Кроме того, для обеспечения свободных колебаний одна пара ключей (верхняя или нижняя) -регулируемая, а вторая пара (нижняя или верхняя) — нерегулируемая.
Длительность нерегулируемых импульсов равна полупериоду резонансных колебаний То/2 и на величину «мёртвого» времени меньше полупериода колебаний моста Т/2 (как для нерегулируемого преобразователя).
Рис. 2. Схема силовой части резонансного преобразователя напряжения
В зависимости от местоположения импульсов на временной оси имеем два способа управления:
1. У всех импульсов совпадают передние фронты.
2. Все импульсы центрированы.
Работа преобразователя по первому способу управления поясняется диаграммами (рис. 3). Ключи УТ1, УТ2 — регулируемые и длительность импульсов и1, и2 -переменная (г); ключи УТ3, УТ4 — нерегулируемые и длительность импульсов и3, и4 -максимальная (Т0). и — напряжение и г — ток на выходе моста (на входе колебательной цепи), ивых — выходное напряжение преобразователя на нагрузке Я. Хм — «мёртвое время», т.е. время, в течение которого все транзисторы в схеме закрыты.
Работа преобразователя происходит следующим образом. В первом полупериоде и других нечётных полупериодах включены ключи УТ1 и УТ4. В результате на колебательную цепь КЦ поступает регулируемый импульс напряжения и. Этот импульс можно представить как сумму двух скачков напряжения бесконечной длительности. При подаче положительного скачка напряжения на вход КЦ в ней возникают вынужденные колебания и ток г нарастает по гармоническому закону. При появлении отрицательного скачка напряжения в цепи КЦ — УТ4 — УО3 — КЦ возникают свободные колебания и ток уменьшается также по гармоническому закону до нуля. Это происходит при любой длительности регулирующих импульсов. Во втором полупериоде и других чётных полупериодах то же самое происходит при включении ключей УТ2 и УТ3.
Свободные колебания в схеме не прерываются, а переключения производятся при нулевом токе. Представленные импульсы тока эффективно фильтруются колебательной цепью и на выходе КЦ имеем гармоническое напряжение с амплитудой, пропорциональной длительности регулируемых импульсов.
Работа преобразователя по второму способу управления поясняется временными диаграммами (рис. 4). Ключи УТ1, УТ2 — регулируемые и длительность импульсов и1, и2 — переменная (г); ключи УТ3, УТ4 — нерегулируемые и длительность импульсов и3, и4 — максимальная (Т0). Все импульсы центрированы.
Рис. 3. Временные диаграммы преобразователя напряжения с управлением по первому способу
Работа преобразователя происходит следующим образом. При включении регулирующих и других ключей в порядке, показанном на диаграммах (рис. 4), на входе колебательной цепи получаем импульсное напряжение и с центрированными относительно полупериодов импульсами. Это напряжение можно представить в виде суммы нечётных гармоник — 1,3,5. Колебательная цепь пропускает в нагрузку только первую гармонику напряжения, в результате имеем только ток первой гармоники I. При отключении управляющих ключей в первом и других нечётных полупериодах ток КЦ не прерывается и проходит по пути КЦ — УТ4 — «У03 — КЦ, а при отключении регулирующих ключей во втором и других чётных полупериодах ток проходит по пути КЦ — УТ3 — У04 — КЦ. Таким образом, в преобразователе напряжения с управлением по второму способу имеем соответствующие настройке колебательной цепи гармонические ток и напряжение на её выходе. Можно ожидать следующие свойства резонансных преобразователей, предложенных в [3]:
— глубокое ШИМ регулирование выходного напряжения;
— высокий КПД благодаря ключевому режиму;
— малый уровень гармоник в выходном напряжении благодаря фильтру четвёртого порядка;
— независимость амплитуды выходного напряжения от величины нагрузки;
— малая перегрузка реактивных элементов КЦ;
— небольшое усложнение в схеме по сравнению с известными (одна дополнительная ёмкость);
— переключение ключей моста происходит при нулевом токе.
С целью исследования предложенного резонансного преобразователя напряжения проведено цифровое моделирование схемы его силовой части. В качестве управляемых ключей УТ1-УТ4 использовались транзисторы марки ХЯБ630. Индуктивности колебательной цепи Ь1 и Ь2 равны 95,5 и 42,5 мкГн соответственно. Ёмкости колебательной цепи С1 и С2 равны 106 и 237 нФ соответственно. Нагрузка подключалась к колебательной цепи через трансформатор, первичной обмоткой которого была катушка Ь2. Коэффициент трансформации равен единице.
На входы ключей подаются управляющие импульсы в соответствии с временными диаграммами (рис. 3, 4).
— напряжение питания ЕП = 26,4 В;
— номинальное сопротивление нагрузки Яном = 20 Ом;
— резонансная частота КЦ /о = 50 кГц;
— добротности контуров Q1 = Q2 = 1,5.
Длительность регулируемых импульсов изменялась от 1 до 100% полупериода резонансной частоты То/2, сопротивление нагрузки изменялось от 0,1Яном до почти холостого хода (500 Яном).
На рис. 5, 6 представлены полученные при моделировании осциллограммы сигналов для первого и второго способов управления соответственно для случая длительности импульсов, равной четверти периода резонансной частоты т = 0,5Т0, R = Rном, что соответствует половине номинальной мощности. Из рис. 5, 6
видно, что свободные колебания в схеме преобразователя не нарушаются, а переключение ключей происходит при нулевом токе моста. Видно полное совпадение осциллограмм, полученных при моделировании, с диаграммами, полученными на основе анализа переходных процессов в реактивных компонентах схемы (рис. 3, 4). Тем самым показана возможность ШИМ регулировки выходного напряжения резонансного ключевого преобразователя.
Рис. 5. Осциллограммы сигналов преобразователя напряжения с управлением по первому способу
Рис. 6. Осциллограммы сигналов преобразователя напряжения с управлением по второму способу
На рис. 7 представлены зависимости выходного напряжения и КПД преобразователя от величины сопротивления нагрузки для первого способа управления. Здесь значения ^вых.э и КПД.э, показанные точками, соответствуют экспериментальным данным, а кривые £/Вых.м и КПД.м получены при моделировании.
Из рис. 7 видна весьма слабая зависимость амплитуды выходного напряжения от сопротивления нагрузки, а КПД снижается при весьма больших сопротивлениях, где это не имеет значения.
На рис. 8 представлены нагрузочные характеристики для второго способа управления. Видно, что ни выходное напряжение, ни КПД практически не зависят от сопротивления нагрузки.
1 1 1 А и вых.Д,В —и вых.м,В
Широтно-импульсный преобразователь. Принцип работы. И почему в реверсивном ШИП транзисторы работают в противофазе,
ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.
ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП) .
ШИМ использует транзисторы не в активном (правильнее будет сказать — линейном) , а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен) , или замкнут (находится в состоянии насыщения) . В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи почти не течёт, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, то есть КПД=0 %, в абсолютном выражении выделяемая на транзисторе мощность равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю — выделяемая мощность так же мала.
Похожие вопросы
Чем обеспечивается высокий кпд широтно импульсного преобразователя
8) Широтно-импульсные преобразователи. Принцип работы, достоинства и недостатки.
ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).
8.1.Процессы в транзисторных широтно-импульсных преобразователях
Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсного модулирования входного напряжения называют импульсным регулированием. Сущность его состоит в периодическом дозировании потока энергии, передаваемого от источника питания потребителю и обратно. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять путем изменения параметров выходных импульсов: их длительности τu и периода следования Т. Отсюда можно получить несколько способов импульсного регулирования, а именно:
1) широтно-импульсный, при котором τu = var, T=const;
2) частотно-импульсный, при котором τu=const ,T=var;
3) широтно-частотный, при котором τu = var, T=var.
Чаще всего применяется широтно-импульсное регулирование, при использовании которого достоинства импульсных методов управления проявляются в наибольшей степени.
Выходные каскады широтно-импульсных преобразователей проще выполнять на полностью управляемых вентилях: транзисторах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью управляющих импульсов.
При выходной мощности до нескольких десятков киловатт в качестве ключей целесообразно применять транзисторы.
Основными достоинствами транзисторных импульсных преобразователей по сравнению с тиристорными являются высокая частота коммутации, позволяющая получать благоприятный спектр выходного напряжения и тока, и полная управляемость, приводящая к отсутствию узлов принудительной коммутации. Недостатком является наличие коммутационных перенапряжений на транзисторах. Поэтому транзисторные импульсные преобразователи и применяются в источниках вторичного электропитания для вычислительных машин, в системах связи, устройствах автоматики, а также в автоматизированных системах электропривода малой и средней мощности.
Классификация широтно-импульсных преобразователей.
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) можно классифицировать по ряду признаков.
Как указывалось выше, ШИП можно различать в зависимости от типа используемых в силовой части полупроводниковых приборов:
а) ШИП на полностью управляемых вентилях;
б) ШИП на тиристорах.
Указанные ШИП разделяют на нереверсивные и реверсивные.
Нереверсивные ШИП преобразуют входное напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но различной длительности.
Реверсивные ШИП преобразуют входное напряжение или в переменное разной по полупериодам длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.
Нереверсивные ШИП в зависимости от места включения управляемого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на три типа:
1) понижающие ШИП, в которых управляемый полупроводниковый прибор и дроссель фильтра включены последовательно с нагрузкой;
2) повышающие ШИП, в которых дроссель включается последовательно, а управляемый вентиль — параллельно нагрузке;
3) инвертирующие ШИП, в которых управляемый вентиль включен последовательно, а дроссель параллельно по отношению к нагрузке.
8.2 Широтно-импульсные преобразователи понижающего типа.
Импульсный преобразователь понижающего типа, является преобразователем постоянного напряжения. Полупроводниковые управляемые ключи, регулирующие процесс передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, характеризуются двумя состояниями: «замкнуто» и «разомкнуто».
На рис. 6.1,а приведен широко распространенный вариант импульсного преобразователя напряжения понижающего типа (ИПП-1) с диодно-транзисторным переключателем, схема замещения которого показана на рис.6.1,6.
Роль регулирующего элемента выполняет транзистор VT. В выходную цепь преобразователя входит нагрузка ZН активно-индуктивного характера и сглаживающий фильтр, в общем случае содержащий дроссель Lф и конденсатор Сф .
Диод VD, включенный в обратном направлении относительно напряжения выходной цепи, является необходимым элементом схемы и предназначен для создания в ней контура протекания тока нагрузки при размыкании управляющего ключа.
На интервале включенного ключа SW1 (pис.6.I,в) напряжение питания Ud подключается к сглаживающему фильтру и выходное напряжение Uн=Ud .
Обратный диод VD закрыт и через нагрузку протекает ток iН от источника питания. Ток будет достигать максимального значения в момент размыкания ключа SW1 (рис.6.1,г).
Рис.6.1. Импульсный преобразователь понижающего типа с диодно-транзисторным переключателем.
Далее, напряжение на дросселе изменяет полярность, ток через нагрузку начинает уменьшаться и протекать по контуру через обратный диод, UH = 0.
После замыкания ключа SW2. возможны различные режимы работы схемы, определяемые характером изменения тока.
В конце интервала приложения напряжения ток iH может быть положительным или равным нулю. Первый случай получил название режима непрерывного тока, его временные диаграммы приведены на рис. 6.2. Указанный режим возникает, если в конце интервала дискретности сохраняется часть энергии, накопленной реактивными элементами: дросселем Lф и индуктивностью нагрузки LH.
Рис.6.2. Временные диаграммы напряжения и токов понижающего преобразователя в режиме непрерывного тока
Если же запасаемая энергия равна нулю, то возникает второй случай, называемый режимом прерывистого тока (риc.6.3).
Рис.6.3. Временные диаграммы напряжения ж токов понижающего преобразователя в режиме непрерывного тока
Характер изменения тока в нагрузке в значительной степени определяет вид количественных, соотношений, описывающих схемы импульсных преобразователей напряжения.
Следует отметить, что режим непрерывного тока при повышенной мощности нагрузки и широком диапазоне ее изменения по сравнению с режимом прерывистого тока обеспечивает преобразователям определенные положительные свойства.
Среднее значение напряжения на нагрузке равно:
где γ = τи/T коэффициент заполнения импульсов; τи — длительность импульсов; Т — период коммутации; Ud — напряжение источника.
Таким образом, изменяя величину коэффициента заполнения, можно получать на выходе широтно-импульсного преобразователя различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое для преобразователей понижающего типа меньше напряжения источника питания.
Мгновенные значения тока нагрузки во время импульса и паузы могут быть получены различными способами, например, из решения дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в преобразователе.
В режиме непрерывного тока указанные уравнения имеют вид при условии, что внутреннее сопротивление источника питания и активное сопротивление дросселя стремятся к нулю
где L — суммарная индуктивность фильтра и нагрузки; RH -активное сопротивление цепи нагрузки.
Решение для тока нагрузки имеет вид:
постоянная времени цепи нагрузки.
Максимальное и минимальное значения тока нагрузки (тока через транзистор и обратный диод) можно найти из выражения (5.1) для моментов t=0 и t = tи :
Амплитуда пульсаций тока нагрузки
Из выражения (2.2) следует, что амплитуда максимальна при γ = 0,5.
Среднее значение тока нагрузки
определяется средним значением напряжения и сопротивлением нагрузки.
В режиме прерывистого тока амплитуда размаха пульсаций тока зависит от его максимального значения:
8.3 Импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа.
На рис.6.4,а приведена простейшая силовая схема повышающего импульсного преобразователя постоянного напряжения с параллельным включением транзистора и нагрузки и последовательным по отношению к ним включением дросселя Iф, Схема замещения такого преобразователя показана на рис.6.4,б.
При открытом состоянии транзистора VT дроссель Lф подключен к источнику электрической энергии, диод VD закрыт, нагрузка от источника отключена и конденсатор поддерживает уровень выходного напряжения.
На указанном интервале времени ток iL через дроссель увеличивается до максимального значения (рис.6.4,в). При запирании транзистора, т.е. при размыкании ключа SW1 и замыкании SW2 (рис.6.4,г), энергия, накопленная в дросселе на первом интервале, поступает на выход схемы в RC-цепь. При этом ток дросселя Lф уменьшается по линейному закону, достигая в конце интервала своего минимального значения. Если преобразователь работает в режиме непрерывного тока (рис.6.5), то максимальное и минимальное значения тока дросселя, транзистора и диода определяются следующими выражениями:
Рис.6.4. Импульсный преобразователь напряжения повышающего типа
Рис.6.5. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме непрерывного тока
Амплитуда пульсаций тока дросселя
Среднее значение тока нагрузки будет определяться током дросселя на втором участке периода коммутации
где Тэ=Lф/Rэ; t0 – момент запирания транзистора
Если принять допущения, что пульсации входного и выходного токов, а также напряжения питания отсутствуют, можно получить из выражения (2.3) уравнения внешней характеристики:
где RВH — внутреннее сопротивление источника литания; Е — ЭДС источника.
При увеличении сопротивления нагрузки ток IL уменьшается быстрее и может наступить режим прерывистых токов дросселя (рис.6.6).
Рис.6.6. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме прерывистого тока.
Если в режиме непрерывного тока за счет увеличения индуктивности размах пульсаций можно сделать сколь угодно малым, то в режиме прерывистого’ тока
8.4 Инвертирующий широтно-импульсный преобразователь.
В инвертирующем ШИП (рис. 6,7,а, б) дроссель фильтра включен параллельно, а мощный транзистор — последовательно по отношению к нагрузке.
При открытом состоянии силового транзистора VT диод VD закрыт под действием сумм напряжений источника питания и нагрузки, приложенных к нему в обратном направлении, вследствие чего, нагрузка от источника электроэнергии отключена (рис.6,7,.в). При этом параллельно источнику подклинен дроссель Lф, в котором происходит накопление энергии.
В момент закрывания транзистора VT энергия, накопленная в дросселе, поступает в конденсатор Сф и нагрузку через открывшийся диод (рис.2.7,г), а полярность выходного напряжения преобразователя будет противоположной полярности питающего напряжения. Временные диаграммы токов и напряжения для режима непрерывного тока дросселя приведены на рис.6.8.
Для режима непрерывного тока учитываем, что при открытом состоянии транзистора к дросселю приложено напряжение питании Ud , а при закрытом — UH.
Максимальное и минимальное значения тока дросселя, транзистора и диода:
Рис.6.7. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения