 |
Преобразователи постоянного напряжения
|
|
|
|
Электронное устройство,преобразующее напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, называется инвертором.
Принцип построения подобных устройств состоит в том, что для преобразования напряжения постоянного тока в переменное необходим некоторый коммутатор, который бы периодически подключал к нагрузке источник постоянного тока, причем полярность такого подключения должна постоянно изменяться. Структурная схема инвертора может быть получена из схемы выпрямителя при условии, что вход и выход меняются местами, а диоды заменяются управляемыми ключами.
В настоящее время известно значительное количество преобразователей напряжения, поэтому дать полную классификацию данных устройств очень затруднительно. Остановимся на двух самых важных признаках классификации: принцип действия (непрерывные и импульсные преобразователи) и число тактов (однотактные и двухтактные) и фаз (однофазные, двухфазные и трехфазные) преобразователей.
Основные области применения преобразователей:
Ø Питание потребителей переменного тока в устройствах, где единственным источником энергии является аккумуляторная батарея (бортовые источники питания), а также питание ответственных потребителей при аварии в сети переменного тока (электросвязь).
Ø Электротранспорт, питающийся от контактной сети постоянного тока или переменного напряжения.
Ø Электропривод, где требуется переменная скорость вращения; в этом случае инвертор является источником с регулируемой частотой и напряжением.
Ø Трансформаторы постоянного тока, преобразующие постоянный ток одного уровня в постоянный ток другого уровня.
Ø Источники прямого преобразования энергии, в которых вырабатывается постоянный ток относительно низкого напряжения (термо- и фотоэлектрические генераторы, топливные элементы). Для использования этой энергии требуется преобразовать постоянный ток в переменный ток определенной частоты.
|
|
|
Рисунок 2.1 – Схема мостового преобразователя постоянного напряжения в переменное напряжение и его временные диаграммы
Предположим, что ключевые транзисторы рассматриваемой схемы (рисунок 2.1) переключаются попарно в противофазе с некоторым периодом Т. Причем в интервале от 0 до Т/2 включены транзисторы VT1 и VT 4. При этом к нагрузке Rн прикладывается напряжение питания Uп положительной полярности. На интервале от Т/2 до Т включаются транзисторы VT2 и VТ3 и к нагрузке прикладывается то же напряжение Uп, но противоположной (отрицательной) полярности.
В результате на нагрузке действует переменное прямоугольное напряжение, не содержащее постоянной составляющей.
Обычно в качестве непосредственной нагрузки коммутатора инвертора используют обмотку трансформатора, который функционально связан с коммутатором, и поэтому оба этих устройства составляют единое целое.
Рассмотрим сказанное на примере преобразователя постоянного напряжения в переменное, постоянного на основе схемы двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рисунок 2.2).
В этом устройстве вторичные полуобмотки трансформатора wк1 и wк2 являются нагрузкой коммутатора, выполненного на транзисторах VT1 и VT2, заменивших диоды исходной схемы выпрямителя.
По существу, полученная схема является схемой импульсного УМ. Поясним принцип работы этой схемы в предположении, что петля гистерезиса материала сердечника трансформатора Тр близка к прямоугольной (рисунок 2.2, б). Предположим, что в некоторый момент времени транзистор VT1 насыщен.
Тогда к обмотке wк1 приложено напряжение питания Uп, которое вызывает перемагничивание сердечника трансформатора.
|
|
|
| 
| |||
| Рисунок 2.2 – Двухтактный преобразователь: а – трансформаторная схема; б – форма петли гистерезиса материала сердечника трансформатора; в – временные диаграммы, поясняющие работу схемы |
На всех обмотках трансформатора до момента насыщения его сердечника при этом наводятся напряжения, пропорциональные числу их витков Uwi=Uп.wi/wК. Обмотки трансформатора wБ1 и wБ2 включены таким образом, что полярности наводимых на них напряжений подтверждают исходное состояние транзисторов (VT1 – насыщен, VT2 – заперт).
После насыщения сердечника трансформатора напряжения на всех его обмотках уменьшаются до нуля и транзистор VT1 начинает запираться. При этом по закону электромагнитной индукции в обмотках трансформатора наводится противо - ЭДС, что приводит к форсированному запиранию транзистора VT1 и отпиранию транзистора VT2. Теперь напряжение питания прикладывается к обмотке wК2, что вызывает обратное перемагничивание сердечника трансформатора. В результате на обмотках трансформатора присутствует переменное напряжение прямоугольной формы (рисунок 2.2, в), частота которого определяется параметрами трансформатора Тр, то есть схема, по существу является мультивибратором с магнитными связями.
Рисунок 2.3 – Трехфазный инвертор, собранный по схеме Ларионова
| В преобразовательной технике наиболее распространение получили трехфазные инверторы, выполненные по мостовым схемам. Электромагнитные процессы в трехфазных инверторах зависят от целого ряда факторов: характера нагрузки, способа соединения обмоток трансформатора, способа управления инвертором, типа источника питания, схемы самого инвертора. Нагрузка инвертора, состоящего из трех однофазных инверторов, может быть подключена либо через три разделительных однофазных трансформатора, либо непосредственно (в этом случае все шесть концов нагрузки должны быть выведены отдельно). | |||
Рисунок 2.4 – Временные диаграммы работы рабочих вентилей трехфазного инвертора, собранного по схеме Ларионова, при q=1800
| Вторичные обмотки трансформатора такого инвертора соединяются звездой, так как при соединении треугольником будут протекать токи гармоник, кратных трем, что приводит к увеличению мощности трансформатора и дополнительному нагреву обмоток. Нагрузка может соединяться как треугольником, так и звездой. Нагрузка инвертора, собранного по схеме Ларионова, также может быть соединена как треугольником (рисунок 2.3), так и звездой и подключена через разделительный трансформатор или без него. При анализе электромагнитных процессов в трехфазных инверторах будем считать, что система напряжений симметричная, выходной трансформатор идеальный (пренебрегаем индуктивностью рассеяния и током намагничивания трансформатора), коэффициент трансформации n=w2/w1=1. | |||
Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема трехфазного инвертора при соединении нагрузки треугольником и q=1800 для
0£Т£p/3
| В инверторе, собранном по схеме Ларионова, продолжительность открытого состояния тиристоров может быть различной. Рассмотрим случай открытого состояния рабочих тиристоров, соответствующий половине периода (q=1800). Как видно из диаграмм, представленных на рисунке 2.4 (шифрами обозначены открытые состояния соответствующих рабочих тиристоров инвертора), в трехфазном инверторе, собранном по схеме Ларионова, возможны шесть независимых сочетаний открытых и закрытых состояний рабочих тиристоров, причем всегда одновременно открыты три рабочих тиристора. | |||
| 
| Из эквивалентных схем видно, что при соединении нагрузки треугольником в каждой фазе либо прикладывается напряжение источника питания, либо в течение 600 фаза оказывается замкнутой сама по себе, то есть фазное напряжение имеет прямоугольную форму с определенной скважностью (рисунок 2.5 и 2.6). При соединении нагрузки звездой каждая фаза либо включена параллельно другой фазе и последовательно с третьей, либо последовательно с двумя другими фазами, соединенными параллельно (рисунок 2.7). | ||
| Рисунок 2.6 – Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного инвертора, собранного по схеме Ларионова, приq=1800 и соединении нагрузки треугольником: а - cosjн > 0,53; б - cosjн < 0,53 | ||||
Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема трехфазного инвертора при соединении нагрузки звездой и q=1800 для 0£Т£p/3
| Поэтому к каждой фазе прикладывается напряжение, равное Uп/3 или 2Uп /3 (при равных сопротивлениях фаз) и фазное напряжение на нагрузке имеет двухступенчатую форму. Рассмотрим работу устройства при соединении нагрузки звездой и временные диаграммы (рисунок 2.8), поясняющие принцип действия устройства. В первый момент после переключения (момент выключения тиристора VD4 (смотри рисунок 2.3) и включения тиристора VD1)ток IА, поддерживаемый ЭДС самоиндукции этой фазы, сохраняет свое прежнее направление, замыкаясь через диод VD¢1, тиристор VD5 и фазу С. | |||
|
|
|
|
|
|
| Uф – фазное напряжение | Таким образом, реактивный ток фазы А составляет часть тока фазы С, и от источника потребляется ток, меньший на величину этого реактивного тока. При этом если реактивный ток переключаемой фазы А (iА) больше, чем ток в фазе С(iС), то в момент коммутации ток источника питания меняет знак. В случае, если инвертор питается от выпрямителя, ан его входе ставится конденсатор Со, принимающий реактивную энергию нагрузки и снимающий возможные перенапряжения. | |
| 
| |
| Рисунок 2.8 – Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного инвертора, собранного по схеме Ларионова, при q=1800 и соединении нагрузки звездой: а – cos jн > 0,53; б – cos jн < 0,53 | ||
ВЫВОДЫ:
1. Источники вторичного электропитания электронных устройств предназначены для формирования напряжений с заданными характеристиками, необходимых для работы электронных элементов.
2. Выпрямители преобразуют переменное напряжение сети в постоянное выходное напряжение, а преобразователи трансформируют постоянное напряжение первичного источника в переменное напряжение, питающее нагрузку.
3. Независимо от структурной схемы и конкретных схемотехнических решений МВП характеризуются рядом электрических параметров. Кроме того, к ним могут предъявляться дополнительные требования, которые определяют как электрические, так и конструктивно – технологические параметры.
4. Схема однополупериодного выпрямителя, несмотря на свою простоту, имеет низкую эффективность из – за высокой пульсации выпрямленного напряжения. этот недостаток устраняется в схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя, но она требует двух источников входного напряжения, что является недостатком. Схемы мостовых двухполупериодных выпрямителей лишены этого недостатка.
5. Преобразователи (инверторы) используются в устройствах, где единственным источником питания является аккумуляторная батарея (бортовые источники питания), а также в системах питания ответственных потребителей при аварии в сети переменного тока.
|
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Какие свойства диодов используются в выпрямителях?
2. Перечислите разновидности источников вторичного электропитания и укажите их назначение.
3. Назовите основные параметры ИВП.
4. Приведите показатели выпрямителей однофазного тока для одно- и двухполупериодных выпрямителей.
5. Укажите особенности мостовой двухполупериодной схемы выпрямителя для одного входного напряжения и для двух входных напряжений.
6. Как определяют коэффициенты пульсации для схем выпрямителей?
7. Дайте определения инвертора. Поясните элементы структурной схемы инвертора.
|
|
|
