Преобразователи частоты

При конструировании устройств электропитания для аппарату­ры автоматики и связи возникает необходимость преобразования тока одной частоты в ток другой частоты, с высокими энергети­ческими показателями. Это преобразование может быть выполнено различными устройствами. В схеме (см. рисунок 6.1) переменный ток с исходной частотой f₁ выпрямляется обычным выпрямителем. Выпрямленным напряже­нием питается инвертор, вырабатывающий переменное напряжение требуемой частоты f₂. Для регулировки выходного напряжения можно использовать управляемые выпрямители, а для регулировки частоты-схемы управления частотой инвертора. Таким образом, преобразователи частоты этого типа представляют собой совокуп­ность обычных выпрямителей и инверторов.

Для питания рельсовых цепей, на участках электрифицирован­ных железных дорог с электротягой переменного тока промышлен­ной частоты (50 Гц), а также с электротягой постоянного тока, используют параметрические преобразователи частоты. Принцип параметрического преобразования частоты основан на том, что принудительное изменение какого-либо параметра колебательного контура (L.или С) вызывает в нем колебания с частотой, в опреде­ленное число раз отличающейся от той, с которой изменяется параметр. Если потери в контуре будут компенсироваться за счет внешнего источника энергии, то эти колебания будут незатухающи­ми. Схема контура (рисунок 6.9,а) состоит из дросселя L, конденсатора С, резистора Rи источника тока Е. Если емкость конденсатора С периодически изменять по косинусоидальному закону, то ток в контуре будет изменяться по синусоидальному закону частотой, в 2 раза меньшей. Проще изменять индуктивность дросселя, изменяя подмагничивание его сердечника.

Преобразователи частоты (рисунок 6.10, а) выполнены на двух П-образных сердечниках. На крайних стержнях размещены обмотки подмагничивания Ф_п1 и Ф_п2, которые соединены так, чтобы созда­ваемые в средних стержнях потоки Ф_п1 и Ф_п2 были направлены встречно. На средних стержнях сердечников размещена контурная обмотка w_K, индуктивность которой совместно с емкостью конден­сатора С образует колебательный контур с резонансной частотой 25 Гц. Обмотки w_П1 и w_П2, подключены к сети переменного тока через диод VD, который обеспечивает однополупериодное выпрям­ление. Если бы обмотки обладали только активным сопротивлением, то кривая выпрямленного тока повторяла бы форму выпрям­ленного напряжения (рисунок 6.10,6). Наличие индуктивности искажает форму тока. Ток подмагничивания i_п проходит через обмотки в течение большего времени, чем длительность одного полупериода напряжения в сети. Ток подмагничивания i_П (рисунок 6.10,в) содержит только первую гармонику с амплитудой I _т и постоянную состав­ляющую I₀. Эта же кривая в соответствующем масштабе характе­ризует изменение магнитных потоков Ф_п1 и Ф_п2 и магнитной индукции В_п1, В_п2 в сердечниках. При увеличении магнитной индук­ции увеличивается степень насыщения сердечников и уменьшается их магнитная проницаемость μ (рисунок 6.10, г). Следовательно, индук­тивность контурной обмотки будет изменяться по тому же закону с частотой сети f_с = 1 /Т_с. Правую и левую половины преобразователя невозможно выполнить совершенно одинаковыми. Поэтому один из магнитных потоков Ф_п1 или Ф_п2 будет преобладать. В контурную обмотку из сети поступит энергия.

Рисунок 6.9 – Схема контура (а) и зависимости емкости конденсатора и тока в контуре от времени (б)

Рисунок 6.10 – Схема параметрического преобразователя частоты (а) и зависимости напряжений и токов от времени (б-д)

Как только в обмотке w_K, начнет проходить ток, в сердечниках появятся потоки Ф_я1 и Ф_ж2, которые будут направлены в одном стержне согласно с потоком подмагничивания, в другом - встречно. При этом симметрия состояния насыщения сердечников наруша­ется, и в контурную обмотку из сети начнут поступать импульсы энергии. Для того чтобы в контуре могли существовать неза­тухающие колебания, необходимо, чтобы энергия, запасаемая за счет индуктивности обмотки w_K и емкости конденсатора С_К, была бы равна энергии, расходуемой на питание G_R и на потери в элементах преобразователя G, т.е.

.

При уменьшении индуктивности контурной обмотки L_K напряже­ние на конденсаторе С будет возрастать (рисунок 6.10,д). Период изменения напряжения в контуре Т_к в 2 раза больше, чем в сети переменного тока Т_с. Следовательно, частота тока в нагрузке будет в 2 раза ниже частоты в сети.

Отличительной особенностью преобразователей этого типа яв­ляются их хорошие стабилизирующие свойства. Они устойчиво работают при значительных изменениях напряжения на входе, сохраняя неизменным напряжение переменного тока с частотой 25 Гц на выходе. Они не нуждаются в защите от коротких замыка­ний или перегрузок. Если ток нагрузки преобразователя превышает значение, определяемое его расчетной мощностью, то преобразова­тель перестает работать, а ток, потребляемый им из сети, не превышает тока нормальной работы. После устранения перегрузки работа преобразователя автоматически восстанавливается.

При эксплуатации часто используют целую группу преобразова­телей частоты, питающих отдельные нагрузки. В этом случае за счет асимметричной нагрузки, создаваемой преобразователями (ис­пользуется только один полупериод тока частоты 50 Гц), возможно искажение формы напряжения питающей сети. Кроме того, если преобразователи питаются через общий разделительный трансфор­матор, то возможно увеличение потерь в этом трансформаторе за счет вынужденного намагничивания сердечника. Для предотвраще­ния этих явлений преобразователи разбивают на две группы и включают таким образом, чтобы использовались оба полупериода напряжения сети.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите и охарактеризуйте преобразователи параметров электрического тока.

2. Каков принцип действия однотактной схемы инвертора на транзисторе с внешним возбуждением?

3. Каков принцип действия двухтактной схемы инвертора на транзисторах с самовозбуждением?

4.Каков принцип действия двухтактной схемы инвертора на тиристорах?

7. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО БЕСПЕРЕБОЙНОНГО

УСТРОЙСВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

На сети связи широкое применение получила буферная система электропита­ния постоянного тока. Характерной осо­бенностью устройств бесперебойного электропитания (УБП), реализуемых по указанной системе, является объединение в одной точке выходов преобразователей-выпрямителей (УПВ), аккумуляторной батареи (АБ) и питаемой нагрузки. Такая структура позволяет получить достаточно высокую надежность подаваемой на аппа­ратуру связи электроэнергии при минима­льном количестве используемых для ее построения компонентов.

Дата добавления: 2015-11-04