Импульсные методы регулирования постоянного напряжения

12. Импульсное регулирование постоянного напряжения

Импульсное регулирова­ние постоянного напряжения осуществляется при помощи импульсных преобразователей (прерывателей постоянного тока), включенных последо­ва­тельно в цепь нагрузки (рис. 12.1). В зависимости от мощности нагрузки применяют транзисторные или тиристорные прерыватели (ТП).

Импульсный преобразователь или прерыватель постоянного тока предназначен для включения и отключения нагрузки, а также для непосредствен­ного преобразования нерегулируемого напряжения источника постоянного тока в регулируемое. В качестве источника может быть применен аккумулятор, выпрямитель, генератор постоянного тока.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить из соотношения:

где t_и – длительность проводящего состояния преобразователя; t_п – длительность непроводящего состояния преобразователя; Т_к – период коммутации; f_к = 1/ Т_к – частота коммутации; δ – коэффициент передачи выпрямителя. Величина, обратная δ, называется скважностью.

Из формулы (12.1) видно, что среднее значение напряжения на нагрузке (U_2ср) можно регу­ли­ровать двумя способами:

1) путем изменения интервала проводимости (t_и) ключа при постоянстве частоты комму­тации (f_к) прерывателя; такое регулирование называется широтно-импульсным (ШИМ) и изображено на рис. 12.2, а;

2) путем изменения частоты коммутации (f_к) при постоянстве интервала проводимости (t_u); такое регулирование называется частотно-импульсным (ЧИМ), изображено на рис. 12.2, б.

Преимущественное использование на практике ШИМ объясняется наличием следую­щих недостатков у ЧИМ:

· возможностью появления прерывистого тока при низких часто­тах;

· появлением радиопомех на высоких частотах.

Широтно-импульсное регулирование находит все более широкое приме­нение для регулирования и стабилизации электрических параметров на­грузок различного рода (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т.д.) Это объясняется рядом их преимуществ: высоким КПД; высоким быстродействием; точностью регулирования выходного напряжения в широком диапа­зоне; высокой точностью управления при сохранении устойчивости; слабой чувствитель­ностью к изменениям температуры окружающей среды.

Однако им свойственны и некоторые недостатки: наличие пульсаций выходного на­пряже­ния создает необходимость устанавливать фильтры, что вызывает инерционность преоб­разователя и сложность управления для обеспечения устойчивости работы на им­пульсную нагрузку.

Схема импульсного коммутатора постоянного тока (рис. 12.3) содержит силовой тиристор VS_c и узел принудитель­ного выключения силового тиристора, содержащий коммутирующий тиристор VS_к, ком­му­тирующие индуктивность L_к и емкость С_к, коммутирующий ди

Подготовка схемы к работе начинается с заряда коммутирующей емкости C_к с по­ляр­ностью, указанной на рис. 12.3. Заряд коммутирующей емкости C_к можно осуществить с помощью кнопки К_з через сопротивление R_з по цепи «+» — C_к — К_з — R_з — «-», или при по­мощи специальной системы управления коммутатором, которая первый импульс по­дает на коммутирующий тиристор VS_к, и после его открытия происходит заряд C_к.

Работа схемы начинается после включения силового тиристора VS_с. При этом обра­зуется две цепи: одна для протекания тока нагрузки, другая – для перезаряда ком­му­тирующей емкости C_к. Время перезаряда емкости C_к определяется параметрами ко­леба­тельного контура, образованного коммутирующими элементами L_к и С_к.

После перезаряд C_к происходит вынужденное выключение силового тиристора VS_c с помощью приложенного к нему обратного напряжения через коммутирующий тиристор VS_{к . В процессе выключения VSc емкость Cк разряжается. После запирания силового ти­ристора в работе остается коммутирующий тиристор VSк и, осуществляя заряд емкости Cк, подготавливает схему к дальнейшей работе.}

Импульсный коммутатор переменного тока (рис. 12.4) обладает двухсторонней про­водимостью тока. В одну из диагоналей диодного моста включается ТП с ШИМ, а через другую диагональ подключается нагрузка к сети переменного напряжения. Процессы, происходящие в данной схеме, поясняются диаграммой (рис. 12.5).

В положительную полуволну напряжения сети работают диоды VD1, VD4 им­пульсный коммутатор. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют со­вместно с диодами VD2, VD3 тот же импульсный коммутатор. Процесс регулирования первой гармонической составляющей выходного напряжения осуществляется изменением длтельности работы силового тиристора VS_c.

На практике питание нагрузок постоянного тока чаще осуществляется выпрямленным на­пряжением, поэтому представляет интерес работа ТП с ШИМ в цепи нагрузки выпрямителя (рис. 12.7).

Особенностей в работе импульсного коммутатора в цепи выпрямленного тока и в цепи постоянного тока нет, отличие заключается лишь в форме выходного напряжения (рис. 12.7). Выходное напряжение состоит из регулируемых импульсов, полученных из двухполупериодного выпрямленного напряжения. Регули­рова­ние импульсов среднего выпрямленного напряжения осуществляется широтно-ипульсным способом.

Поскольку в обеих схемах (рис. 12.4 и 12.6) тиристорный коммутатор вклю­чен в диагональ выпрямленного тока, то процессы, происходящие собственно в ТП с ШИМ, анало­гичны.

Источник

Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Импульсные преобразователи постоянного напряжения.

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U_Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U_н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U_н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t_и и паузой t_п (рисунок 4.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U_н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

где — коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t_и =0; γ=0) до Е (t_и =T; γ=1).

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t_и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением:

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное преобразование ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t_и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 4.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z_н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L_ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г — образный LC фильтр. Диод VD₀ предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , U_вых=Е, диод VD₀ закрыт. Через нагрузку протекает ток i_н по цепи (+Е)-К- L_ф-Z_н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t₂-t₃, t₄-t₅ связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L_ф и индуктивностью нагрузки L_н и замыкается через VD₀ вследствие чего U_вых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L_ф и подводящих проводом U_н=U_вых , определяется средним значением U_вых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i_н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U_Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U_н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U_н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t_и и паузой t_п (рисунок 5.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U_н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

, (5.1)

где — коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t_и =0; γ=0) до Е (t_и =T; γ=1).

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t_и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением: (5.2)

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное применение ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t_и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 5.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z_н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L_ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г — образный LC фильтр. Диод VD₀ предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , U_вых=Е, диод VD₀ закрыт. Через нагрузку протекает ток i_н по цепи (+Е)-К- L_ф-Z_н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t₂-t₃, t₄-t₅ связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L_ф и индуктивностью нагрузки L_н и замыкается через VD₀ вследствие чего U_вых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L_ф и подводящих проводом U_н=U_вых , определяется средним значением U_вых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i_н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Источник