Трансформаторно-выпрямительный блок(рис1 ) 3 страница

29

Преобразователи постоянного напряжения, функциональная схема

На рис 51 показана схема ППН. В общем случае она состоит из 5 блоков. На входе блоки 1 постоянное Uвх преобразуется в переменное Uи прямоугольной формы). Частота Uи 10 или 100кГц. Блок 2 это высокочастотный выпр-ль напряжение Uи преобразуется в постоянное Uв, содержащее определенный уровень переменной составл (высокочастотной). На выходе ППН переменная составл Uв фильтруется с помощью ФНЧ (блок 3) до требуемого нагрузкой уровня. Блоки 1,2,3 наз-ся силовым каналом ППН.Все остальные устр-ва относятся к блоку управ-я. В состав ППН входят вспомогательные цепи ВС(блок 4), которые осуществляют защиту от сверхтоков и перенапряжения, сигнализацию, и мн-во сервисных ф-ий. Они входят в специализированную микросхему ШИМ-контроллер,куда относится и устр-во управ-я(5).Для управления ключом блока 1 используется так же уст-во управления 5, которое в случае стабилизированного ППН осуществляет регулирование выходного напряжения с помощью цепи ООС. Если в функциональной схеме присутствуют 1,2,3 блоки, то осуществляется преобразование электроэнергии постоянного тока одного качества в постоянного тока другого качества или конвертирование электроэнергии.

Такая процедура наз-ся конвертортированием электроэнергии,а ППН наз-ся конвертером. Если ППН выполняет ф-ию обратную выпрямлению переменного тока, то блоки 2 и 3 отсутствуют. Процедура преобразования наз-ся инвертирование электроэнергии, а ППН- инвертор, DC\AC преобразователь. Инверторы могут быть- однотактные и двухтактные, - транзисторные и терристорные, - с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Основные элементы инвер-ра- электронный ключ и транс-р. Высокочастотный транс-р преобразует пдводимое к его первичной обмотки постоян-е напр-е, но только в том случае,если это напр-е вызывает изменяющиеся во времени переменный магнитный поток в сердечнике, поэтому подводимое к первичной обмотки напр-е должно периодически коммутироваться с помощью прерывателя тока- электронного ключа. При этом в обмотке транс-ра индуцируется эдс, величины к-ых пропорцион-ны скорости изменения магнитного потока и числу витков в обмотке.

30

Ключевой режим работы тр-ра

В ППН исп-ют в основном электронные ключи на транз-ах, они полностью управляемые, могут обеспечить высокий кпд,имеют малые габариты.ВАХ БПТ приведены на рис.52,а ПТ на рис 54.При работе электронного ключа на его управляющий вывод подается импульсное напряж-е с периодом Т и шириной импульса tи

,fк- частота коммут-ии ключа. Коэфф-т заполнения опред-ся как. меньше 1

.Рассмотрим потери мощности при работе биполярного транз-ра(рис52). На интерв-ле от 0 до tи транз-р открыт и находится в состоянии насыщения т.1.Электронный ключ замкнут.Энергетические потери опред-ся , ,

Поэтому . (мала)

На интервале tи,Т рабочая точка перемещается в т.2. Транз-р закрыт и находится в состоянии отсечки. Электронный ключ разомкнут, поэтому ток кол-ра очень мал,а потери мощ-ти опред-ся как

При переходе из т.1 в т.2 и обратно, рабочая точка тран-ра находится в рабочей обл,но время tпер при прямоугольных импульсах напр-я очень мало,потери опред-ся как

Чем меньше tпер,тем меньше потери,поэтому здесь испол-ся высокочастотные транз-ры. В то же время Pперекл пропорционально частоте коммут-ии fк,чем больше fк,тем потери переключения больше и fк стрем-ся выбрать как можно больше, т.к габориты трансфор-ов и LC-фильтров обратно пропорц частоте. Обычно fк выбирают компромиссной или оптимальной, в зависимости от принимаемой элементной базы ППН.

31

ИСН понижающего типа

Рис55. на вход схемы подается постоянное напряжение U_п первичного источника питания. На управляющий электрод ключевого транзистора VТ подается прямоугольное напряж-ие Uупр. Когда ключ VТ на интервале от 0 до tu между стоком и истоком подается очень маленькое напряжение, поэтому в т1 +, диод VD закрыт этим «+».Ток ключа(ток стока I_с) протекает по цепи + U_п, VT,L,R_н,- U_п. В дросселе накапливается энергия и ток ч.з дроссель возрастает, как это показано на рис 56. На интер-ле tu,T, транзис-р закрыт и ток от первичного источника не потребляется. Источником энергии для нагрузки становится дроссель, ток нагр-ки протекает по цепи от т.2 к Rн ч.з VD т.1.Диод VD открыт, т.к вх. напряж-е Uп полностью приложено к транз-ру VT(т.к. разрыв цепи) и в т.1 «-».Дроссель отдает энергию в нагрузку, ток дросселя уменьшается. Если индук-ть L велика, то ток спадает медленно и величина пульсации тока ΔI_L мала.При уменьшении L наступает такой момент,когда ток дросселя становится равным 0 к моменту очередного открытия транз-ра. Такая индуктивность называется критической. Если продолжать уменьшать L, то в дрос. будет запасено так мало энергии, что это не обеспечит непрерывное протекание тока ч.з нагрузку, ток дросселя становится разрывным. При постоянной величине Rн ср. ток ч.з нагрузку не может изменяться, площадь импульса сохран-ся, след-но амплитуда пульсаций тока дросселя ΔI_L возрастает.Такой режим обычно не использ-ся, поэтому инукт-ть L выбирают больше критической, выходной конденсатор С выполняет ф-ю фильтра и обеспечивает требуемый уровень пульсаций напр-я на нагрузке. Т.к потребляемая энергия передается в нагрузку только на интервале имп-са от 0 до t_и, ср значение вых напряж-я равно , поэтому ИСН назыв. понижающим.

32

ИСН повышающего типа

Повышающая схема работает следующим образом.Когда ключевой транз-р VT открыт, ток протекает по цепи +U_п, L, VT(т.1и2), -U_п,рис 57. В этом контуре вх напр-е U_п уравновешивается эдс самоиндукции дросселя, а на VT падает очень маленькое напряж-е. в т.1 «-», и значит диод VD закрыт. Ток нагрузки протекает только за счет разряда конденсатора С.На интервале закрытого ключевого транз-ра VT м.у т. 1 и 2 ,т.е. разрыв цепи.Ток нагрузки протекает по цепи +U_п, L, VD, R_Н, -U_п. На этом интер-ле конденсатор заряжается от сети и к нему прикладывается сумма напряж-й U_п и эдс самоиндукции дросселя U_L.На рис 58 напряж-е на конденс-ре равно U_ни показано пунктиром., т.о напряж-е на нагрузке больше чем входное на величину U_L,поэтому схема назыв-ся повышающей,а вых.напряж-е опред-ся как .

Особенность схемы в том, что дроссель, накапливающий энергию вкл на вх и потребляемый ток при L>L_кр непрерывный.Эта особенность исп-ся в корректорах коэф.мощности. Конденс-р С на рис 57 функционально необходим, т.к обеспечивает ток нагрузки на интерв-ле от 0 до tu.Кроме того он сглаживает пульсации напряж. Вых. До допустимой вел-ны. Ток в нагрузку поступает от первичного ист-ка на инт-ле от 0 до t_и.

33

ИСН инвертирующего типа

Рис 59-60

Для этой схемы к _з- коэф-т заполнения, т.е вых напряж-е м.б больше входного и меньше. Кроме того полярность U_н противоположна полярн-ти питающего напряжения U_п.Поэтому схема назыв-ся инвертирующая или ИСН с параллельным дросселем.Рассм.работу схемы:

На интервале от (0;t_u) ключ VT открыт, к обмотке дросселя м.у точ 1и2 прикладывается вх напряж-е, поэтому в т.2 +,диод VD закрыт.Как и в повышающей схеме ток нагрузки обеспечивается за счет разряда С. Ток через нагрузку обеспечивается только за счет разряда конденсатора. Потребляемый ток протекает по цепи: +U_п, VT, L, -U_п. в дросселе накапливается энергия. На интервале (t_u,T) VT закрыт и все напряж-е питания приложено к нему. Источником энергии для нагрузки станов-ся дроссель. ток нагрузки протекает по цепи т.1, R_н, VD, т.2. Одновременно заряж-ся конденс-р С. Полярность U_н оказывается противоположной полярности U_п.В этой схеме при LбольшеL_кр ток через дроссель безразрывный.Однако ток петребления i_кл на рис 60 и ток,поступающий в нагрузку i_д имеют импульсный хар-р.Т.о. д/инвертирующей схемы хар-ны значит-ые пульсации тока.

36

2хтактный ППН со средней точкой тр-ра

Все 2хтактные ППН можно представить совокупностью 2х однотактных прямоходовых, работающих со сдвигом во времени на пол периода. поэтому в них увеличивается выходная мощность, частота пульсаций выходного напряжения U_вых(габариты фильтра уменьш-ся), а перемагничивание трансф-ра симметричное. На рис 63 изображена 2хтактная схема,напряжение на вых к-ой опред-ся как U_н=U_nК_зn₂₁, n₂₁=W1/W2. Период процессов в ключе в 2 раза больше чем период электрических процессов в дросселе,что видно из рис 64. Поэтому к_з можно опред-ть как . На схему управ-я прямоугольный имп-с подается сначала на ключ Т1,когда он открыт ток от первичного источ-ка U_n протекает через обмотки в направлении от конца к началу, там, где точка «-».Поэтому во вторичной цепи открыт D2 и энергия в нагрузку передается ч.з обмотку W’’₂. В дросселе накапливается энергия.На следующем интерв-ле времени t_u;Т оба транзист-ра закрыты. Энергия дросселя L_ф передается в нагр-ку ч.з открытый диод D3.На следующем интервале времени от 0;t_uсхема упрв-я открывает транз-р Т₂. Ток, потребляемый от первичного источ-ка, протекает по обмотке W’’₁ от начала к концу, там где точка «+», поэтому открыт D1, а D2 закрыт.К закрытому транзис-ру прикладывается удвоенное напряж-е питания, сумма U_п и эдс взаимоиндукции на обмотке W’₁.Причем эти напр-я . Поэтому двухтактный ППН со ср точкой используют в низковольтных по вых преобразователях. Недостаток схемы – выполнение трансф-ра с выводом ср точки первичной обмотки(на вторичной стороне можно использовать сх.Греца). Др. недос-к, удвоенное напряж-е питания на закрытом транз-ре. Достоин-ва увеличение частоты пульсаций вых тока и напряж-я в 2 раза по сравнению с однотактными схемами. Значения L_ф, С_ф получаются меньше при том же коэфф-те пульсаций на выходе

34

Однотактный ППН с обратным включением диода или обратноходовой

Схема на рис 61 – это аналог инвертирующего ИСН. Выходное напряжение определяется как . Для инвертирующего ИСН Uн можно определить по этой же формуле . В выходной цепи рис 61 накопительный дроссель L отсутствует, его роль выполняет обмотка W₂. на интервале открытого ключа (0;t_u) T₁ открыт,и ток потреб-я протекая ч.з W₁ наводит в этой обмотке эдс самоиндукции, там где точка будет «+» сердечник трансф-ра намагничивается, в трансф-ре Т₁ накапливается энергия, ток I_V1 возрастает. Во вторичной обмотке W₂ эдс самоиндукции закрывает D₁. ток ч.з R_Н обеспечивается за счет разряда конден-ра С_ф. На интервале (t_u;t) трансф-р размагничивается ч.з обмотку W₂, к-ая явл-ся источником энергии для нагр-ки.Ее индук-ть должна быть больше критической L_W2>L_W2крит, и тогда ток нагрузки непрерывен.В однотактных схемах сердечник перемагничивается по несеммитричному циклу петли гестерезиса.Если сопрот-е нагрузки увеличить ,то в режиме,близком к х.х заряженный конденс-р не сможет достаточно разрядиться на интервале имп-са от 0 до t_и,т.к R_Н велико,а ток нагрузки мал,поэтому с увеличением R_Н увеличивается U_Н и возникают преренапряжения в обмотках транф-ра. Чтобы предотвратить это явл-е избыточную энергию, накопленную в трансф-ре на интерв-ле импульса, возвращают в первичный источник или рекуперируют ч.з размагниченную обмотку W_р. Если U_Wр<U_П в номинальном режиме, то диод D2 закрыт и обмотка W_р на работу схемы не влияет. Как только U_Wр>U_П открывается D2 и фиксир-ет напряжение обмотки W1.Избыточная энергия передается в источник питания по цепи: конец обмотки W_р,D2,+U_п, внутреннее сопротив-е первичного источ-ка,-U_П, начало обмотки W_р. Транз-р VT выбирают на максим-е напряж-е . Размагнич-ую обмотку выбирают исходя из основного режима работы схемы.

35

Однотактный ППН с прямым включением диода или прямоходовой

Схема на рис 62- это аналог понижающего ИСН.Вых напр-е определяется как . Первичные и вторичные обмотки включены так,что обеспечивается передача энергии первичного источника Э_пер в нагрузку при открытом Т₁,т.е при интервале импульса (0,tu), поэтому схема наз-ся прямоходовой.На интервале 0,tu T₁ открыт на W₁ ЭДС самоиндукции, W₂ ЭДС взаимоиндукции. В т. Начала обмотки «+»,поэтому D1 открыт,а D2 закрыт.В дросселе накапливается энергия.Сердечник трансформатора T_р намагничивается. На интервале tu,T транз-р Т₁ закрыт, ч.з W₁ ток от первичного источ-ка не протекает. Источ-ом энергии для нагр-ки становится дроссель L_ф, поэтому D2 открыт (через него протекает ток нагрузки, а D₁ закрыт). На этом интервале для трансф-ра нет цепи размагничив-я, поэтому в прямоходовой схеме обязательна размагничивающаяся обмотка W_р. Накопленная энергия д.б равна энергии размагничивания трансф-ра, поэтому U_ПW₁t_u=U_П W_р(T-t_u). Если считать,что коэфф-т трансформации размагничивающейся обмотки = n_р=W_р/W₁ и поделить обе части равенства на W1T, то получим при макс-ой ширине имп-са T_umax. , и тогда . При W1=W_р n_Р=1 и тогда k_зmax=0,5. Это явл особенностью прямоходовой схемы.

37

Мостовой 2хтактнй преоб-ль

Рис 65. управляющие импульсы открывают поочередно пару четных и пару нечетных ключей. Пусть на [0;t_u] открыты Т₁ и Т₃, ток от источника питания U_п протекает U_п, T₁, W₁от конца к началу T₃, -U_п.. На следующем интер-ле времени все ключи закрыты, ток нагрузки замыкается ч.з D3.Затем открываются транз-ры Т2,Т4, ток потребления протекает по цепи U_п, T₂, W₁(от начала к концу), T₄, -U_п. т.о на обмотке W1 возникает эдс противополож-го знака и ток протекает в противополож-ом направ-ии, когда сменяется рабочая пара ключей.На интервале, когда все ключи закрыты, напр-е на каждом из них равно 0,5U_П. Это явл-ся преимущ-ом мостовой схемы.

38

Полумостовой ППН 2хтактный

Рис 66. на вх мостовой схемы вместо 2х транзист-ов включают конденсаторы С₁,С₂. напряжение на каждом С: U=0,5U_п, амплитуда напряжения на первичной обмотке тр-ра W₁ = напряжению на С, те 0,5 U_п,поэтому U на нагрузке равняется U_н=0,5k_зn₁₂U_п к закрытому ключу прикладыв-ся U_п. Работа схемы. Когда Т1 находится в состоянии насыщения,а Т2 закрыт, нагрузка подключается к С1,к-ая на нее разряжается. По первич-й цепи протекает ток i_c1, по цепи +U_п, Т₁, W₁, от начала к концу, ср точка С1С2. Одновременно с током разряда i_c1 протекает ток подразряда i_c2 по цепи +U_п, Т₁, W₁, ср точка С1С2,C2, - U_п. По обмотке W₁ токи i_c1,i_c2 складываются. В выходной цепи открыт D1 и энергия первич источника ч.з W’₂. и L_ф передается в нагрузку. Следующий интер-л t_u;Т, когда Т1 и Т2 закрыт аналогично предыдущим схемам. Затем открывается Т2, конденсатор Т2 разряжается,а С1 подзаряжается от первичного источ-ка. Поляр-ть эдс на W1 меняется на противоположную.Недостатком схемы м.б непрямоугольность импульса вых напряж-я. Т.к при при разряде конденсатора напряжение на нем снижается,поэтому желательно иметь С1,С2 как можно большей емкости.

39

Инверторы с самовозбуждением

Инверторы с вых напряж-ем прямоугольной формы исп-ся как в составе источников питания, так и непосредственно для питания некот-х потребителей.В основе всех имп-х инвер-ов заложен принцип впервые реализованный Ройером. Схема генератора Ройера показана на рис 67,а электромагнитные процессы на 44. Принцип действия основан на ипольз-ии трансф-ра, магнитный материал к-го имеет прямоугольную форму петли гистерезиса(пермаллой). Ключи Т1 и Т2 переключ-ся без внешнего управления.Схема работает. Пусть открыт Т1,его ток коллектора I_K1 возрас-ет и намагнич-ет сердечник.Сердечник насыщен и i_к1больше возрастать не может, поэтому эдс .

В замкнутом контуре Т1,W_k1, приложенное напр-е U_П теперь не уровновеш-ся эдс e_W1, состояние не устойчивое, поэтому i_к1 начинает уменьшаться. Производная D_ik1/dt меняет знак, следоват-но меняет знак эдс на всех обмотках трансф-ра, поэтому на базу Т1 подаются запирающий положительный потенциал «+» и транз-р закрывается, а на базу Т2 подается «-» и он открывается. Процесс переключения происходит лавинообразно, но если транз-ры не достаточно высокочастотны и носители в p-n переходах рассасываются медленно, может возникнуть короткозамкнутая цепь Т_1,W_k1, W_k2, Т₂ и тогда в вых напряж-ии инвер-ра возникают выбросы, что явл недостатком генератора Ройера. Кроме того частота коммут-ции ключей зависит от U_П и м.б нестабильной. Прямоугольность вых импульса U_Н опред-ся качеством материала сердечника. При недостат-но прямоугольной петле гестерезиса импульсы могут стать трапециидальными, возрастут потери на переключение, снизится кпд. Единств-ое достоин-во схемы- простота использ-я.В случае необход-ти регулиров-я U_Нвыход схемы управления представляет собой обмотку, намотанную на том же сердечнике. Поскольку в процессе работы сердечник периодически входит в насыщение,потери в нем отнсит-но велики.В целом генераторы Ройера использ-ют при мощ-ях не более 10 Вт.

40

Инверторы с независимым возбуждением

Такие инвер-ры имеют ключи управления, к-ые осущ-ся от ШИМ-контроллера.Если инвертор 2х-тактный,то минимум необходимых эл-тов схемы управ-я показано на рис 68. Частота коммут-ии ключей силового модуля задается генератором пилообразного напяж-я G и остается стабильной. Пилообразный сиг-л генер-раU_П изображен на рис б.Но он м.б и другой формы U_П, треугольной, правосторонней и тд. Входом схемы управ-я явл-ся управляющийся сигнал U_у. Он подается на инверсный вх компаратора D2. С помощью компаратора сравниваются 2 сиг-ла U_П и U_у. В момент их равенства формируется передний фронт U_ш – широтно-модулированного имп-са.С помощью тригирра D1 и логических элем-ов D3,D4 импульс U_ш с выхода компаратора распред-ся по 2м каналам в виде UT₁,UT₂. Затем эти имп-сы усиливаются по мощ-ти с помощью усилителей УМ₁, УМ₂, т.о, чтобы управ-ть ключами силового модуля инвер-ра. Из диаграмм видим,что при увеличении уровня управл-щего сигнала до величины U_y2 ширина имп-са U_ш уменьшается,это приводит к снижению действующ-го значения переменного вых напряж-я U2, т.е с помощью управл-его сиг-ла U_y можно регулировать вых-е напр-е инвер-ра. Причём процесс регулир-я осущ-ся независимо от процессов в силовом канале маломощными элем-ми схемы управления.

43

Формирование ступенчатого напряжения с ШИМ

На рис 73 б показан понижающий ИСН,у к-го энергия в нагрузку поступает порциями только на инт-ле открытого состояния ключа. Кол-во энергии,поступающей в нагр-ку за ед времени опред-ся соотнош-ем м.у временем открытого и закрытого состояния ключа. При измен-ии этого соотнош-я по зак-ну вх-го сиг-ла U_вх синусоид-но,приблиз-но по такому з-ну будет изменяться и ср знач-е напряж-я на нагрузке. На рис 73а.показаны управляющие имп-сы и форма тока нагрузки, т.е тока ч.з дроссель, к-ая близка к синусоид-ой. Чем выше частота коммут-ии, тем меньше коэф-т нелин-ых искаж-ий. Этот способ формир-я квазисинусоиды не связан с энергетическими потерями и усложнением схемы силовой части инвер-ра. Качество вых непр-я опред-ся св-ми управл-его модул-ра М.

41

Инверторы с sin-ым выходным напряжением. Использование LC-фильтров

Инвер-р на рис68 как источник питания может удовлетворять требов-ям ограниченного числа потребителей переменного тока.Переменное напряжение прямоугольной формы,кроме 1-ой гармоники создают широкий спектр нечетн. гармоник.рис69. Здесь по оси абсцисс отложена относит-ая частота гармонических составляющих, по оси ординат- амплитуда гармоник по отношению к основной с част-ой f и амплитудной А=1. При разложении прямоуг-го напр-я в гармонич-й ряд U_н –амплитуда перемен. напряж-я

. Степень приближения формы кривой любого периодич-го с-ла синусоиде принято оценивать коэффициент нелинейных искажений

Где U- действующее значение напряжения с-ла, U₁ – действующее значение его основной гармоники, для переменного напряжения прямоуг формы: =48,4%. Приблизить кривую периодич-го сиг-ла к синусоиде можно различными способами,довольно часто испол-ся 1) реализация ступенчатой формы перемен-го напр-я 2) использование ШИМ 3)исп-ие реактивных фильтров. При реализации 1-го способа можно исп-ть завис-ть коэф-ов нелинейных искажений от числа ступеней n. рис 70. Кривая 1 соот-ет случаю, когда существует ступенька при 0-м значении напряжения, а кривая 2 – когда такой ступеньки нет.

Использование LC-фильтров.

Почти всегда на вых инвер-ра ставят реактивный фильтр для выделения 1-ой гармонике напряж-я.На рис 74.показана завис-ть коэф-та нелинейных искаж-й в % от параметров Г-образного LC-фильтра. 1-ый график изображен для прям-го напряж-я на вх фильтра. 2-ой график – для ступенчатого с длит-ю импульса 2/3 длит-ти рабочего полупериода. Диапазон нагрузок: верхняя граница- чисто актив-ая, нижняя – чисто индуктивная. По оси абсцисс отложена относит-ая частота фильтра. Польз-сь этими графиками можно по заданному знач-ю и имеющейся форме перем-го напряж-я на вых инверт-ра опред-ть требуемое знач-е LC.

42

Формирование ступенчатого напряжения на частоте сети

Этот способ полученного квазисинусоид-го напряж-я можно реализовать с помощью трансф-ра с автоматич переключением числа витков обмотки. Однако мощ-ть инвер-ра не м.б велика и в промыш-ых масштабах он не использ-ся. В промыш-ых инвер-ах типа ИАТ использ-ся способ получения квазисинусоиды с помощью схемы на рис 71.

Дата добавления: 2015-08-28