Преобразователь постоянного тока в постоянный ток содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, диод 4, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, третью индуктивность 7, полупроводниковый ключ 8, систему управления ключом 9. Причем первый вывод 10 индуктивности 1 подключен к первому входу от источника питания, первый вывод 12 индуктивности 2 соединен с первым выводом 13 конденсатора 3 и с анодом 14 диода 4, катод 15 которого подключен к первому выводу 16 конденсатора 5, второй вывод 17 конденсатора 5 соединен со вторым выводом 18 индуктивности 2, второй вывод 19 конденсатора 3 соединен с первым электродом 20 ключа 8, второй вывод 21 индуктивности 1 соединен с первым выводом индуктивности 7 и с первым выводом 23 конденсатора 6, второй вывод 24 которого соединен со вторым входом 25 от источника питания, второй вывод 26 индуктивности 7 соединен со вторым выводом 19 конденсатора 3 и с электродом 20 ключа 8. Между электродом 27 и электродом 28 ключа 8 включена его система управления 9. Электрод 28 ключа 8 соединен со вторым входом 25 от источника питания и с катодом 15 диода 4.
Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, преобразовательной техники и электроники и может быть использована для питания потребителей электроэнергии постоянного тока, требующих большого диапазона изменения уровня питающего напряжения по отношению к уровню напряжения источника питания или для питания разветвленной сети потребителей с требованием селективного отключения аварийной нагрузки. При этом в качестве источника питания могут служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии, в том числе с большим внутренним сопротивлением.
Известно устройство для преобразования постоянного тока в постоянный ток с возможностью повышения и понижения уровня выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую индуктивности, первый и второй диод, первый и второй полупроводниковые ключи с первой и второй системой управления, первый и второй конденсаторы. Причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, а второй вывод первой индуктивности подключен к аноду первого диода и к первому электроду первого ключа, второй электрод которого подключен ко второму входу от источника питания, а между вторым и третьим электродами первого ключа включена первая система управления. Катод первого диода соединен с первым электродом второго ключа и с первым выводом первого конденсатора, второй вывод которого подключен к первому входу от источника питания и к аноду второго диода, катод которого соединен с первым выводом второй индуктивности и со вторым электродом второго ключа, между вторым и третьим электродами которого включена вторая система управления. Второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду второго диода (Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А. - Учебник для ВУЗ"ов / М. Издательский дом МЭИ, 2007, с.329)
Недостатками этого устройства являются невысокий коэффициент полезного действия из-за повышенной пульсации входного тока и последовательного включения нескольких полупроводниковых приборов в силовой цепи, а также повышенная сложность электрической схемы.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, позволяющее понижать и повышать уровень выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, первый вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй вывод первого конденсатора соединен со вторым выводом первой индуктивности и с первым электродом ключа, второй электрод которого соединен со вторым выводом от источника питания и с катодом диода, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления (Электрические и электронные аппараты. Под редакцией Ю.К.Розанова. Учебник для ВУЗ"ов. - М., Энергоатомиздат.1998. С.609. Прототип).
Недостатком устройства является ограниченная возможность повышения уровня выходного напряжения преобразователя по отношению к входному напряжению, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная в конденсаторе связи контура нагрузки с контуром источника питания, за счет заряда его током от одного реактивного элемента - входной индуктивности. Кроме того, к.п.д. преобразователя снижается из-за того, что накопление энергии в его реактивных элементах осуществляется за счет токов, протекающих по полупроводниковым элементам, что вызывает дополнительные потери и снижает общий к.п.д. устройства. При этом наблюдается повышенная пульсация входного тока, особенно при работе с большой скважностью рабочего импульса.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в повышении кратности уровня выходного напряжения по отношению к уровню входного напряжения, в снижении пульсаций входного тока преобразователя, а также в повышении к.п.д. устройства.
Поставленная задача предлагаемой полезной моделью решается тем, что в преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, первый вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй вывод первого конденсатора соединен с первым электродом ключа, второй электрод которого соединен со вторым входом от источника питания и с катодом диода, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, дополнительно введены третья индуктивность и третий конденсатор, при этом второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом третьей индуктивности и с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым входом от источника питания, второй вывод третьей индуктивности соединен со вторым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа.
Физическая сущность предлагаемой полезной модели заключается в накоплении дополнительной энергии во введенных в структуру преобразователя новых реактивных элементах, что способствует увеличению кратности уровня выходного напряжения по отношению к входному напряжению. В то же время эти элементы в новой структуре преобразователя выполняют роль дополнительного фильтра, снижая пульсацию входного тока. При этом накопление энергии в реактивных элементах преобразователя частично проходит за счет протекания тока в них, минуя полупроводниковые элементы, что снижает в них потери и повышает, соответственно, к.п.д. устройства.
На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.
Преобразователь постоянного тока в постоянный ток, схема которого приведена на фиг.1, содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, диод 4, второй конденсатор 5, третий конденсатор 6, третью индуктивность 7, полупроводниковый ключ 8, систему управления 9 ключом 8. Причем, первый вывод 10 индуктивности 1 подключен к первому выводу 11 от источника питания, первый вывод 12 индуктивности 2 соединен с первым выводом 13 конденсатора 3 и с анодом 14 диода 4, катод 15 которого подключен к первому выводу 16 конденсатора 5, второй вывод 17 конденсатора 5 соединен со вторым выводом 18 индуктивности 2, второй вывод 19 конденсатора 3 соединен с первым электродом 20 ключа 8, второй вывод 21 индуктивности 1 соединен с первым выводом 22 индуктивности 7 и с первым выводом 23 конденсатора 6, второй вывод 24 которого соединен с со вторым входом 25 от источника питания, второй вывод 26 индуктивности 7 соединен со вторым выводом 19 конденсатора 3 и с электродом 20 ключа 8. Между электродом 27 и электродом 28 ключа 8 включена его система управления 9. Электрод 28 ключа 8 соединен со вторым входом от источника питания и с катодом 15 диода 4.
Процессы, протекающие в полезной модели, можно анализировать по кривым на диаграмме, представленной на фиг.2. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток работает следующим образом.
В установившемся режиме при замкнутом ключе 8 происходит накопление энергии в индуктивностях 1 и 7 за счет увеличения тока в этих элементах от источника питания по контурам, которые легко проследить по структурной схеме преобразователя. При этом ток индуктивности 7 равен сумме токов индуктивности 1 и конденсатора 6, что следует из схемы на фиг.1. Соотношение этих токов можно оценить по замерам их величин на кривых графика 3 диаграммы. Так, ток IL7 индуктивности 7 в момент t1 перед размыканием ключа 8 (максимальное его значение) равен 19.97А (замер 4). Ток IC6 конденсатора 6 в этой точке режима равен 11 78А (замер 5), а ток IL1 индуктивности 1 равен 8.2А (замеры 3, 6).
В момент времени t1, определяемый сигналом системы управления 9, размыкается электронный ключ 8. С этого момента начинается зарядка конденсатора 3 по контуру: конденсатор 6 - индуктивность 7 - конденсатор 3 - диод 4 - конденсатор 6. В этом режиме ток конденсатора 3 равен току IL7 и, соответственно, сумме токов IС6+IC1. По кривой тока IL7 индуктивности 7 на графике 3 видно, что с момента времени t1 ток индуктивности 7 линейно спадает по мере расходования накопленной в ней энергии и достигает нуля в момент времени t2. Средний ток заряда конденсатора 3, с учетом его линейного характера, на интервале t1-t2 равен 10А (19.97/2~10). Если бы конденсатор 3 заряжался только током индуктивности 1 как в прототипе, равном в данном примере 8.2 А, то уровень энергии, передаваемой от источника питания через конденсатор 3 в нагрузку, был бы заметно меньше. Использование двух источников тока позволяет увеличить энергию, накапливаемую в конденсаторе 3 для передачи ее в контур нагрузки. Это дает возможность повысить уровень напряжения на выходе преобразователя по сравнению с прототипом.
На интервале времени t1-t2 выключенного состояния ключа 8 происходит понижение напряжения на конденсаторе 6 за счет его разряда на конденсатор 3 через индуктивность 7, что видно по кривой UC6 на графике 1. С момента t2 до момента t3 в индуктивности 7 проходит ток противоположного знака по контуру: конденсатор С6 - конденсатор С5 - индуктивность 2 - конденсатор 3 - индуктивность 7 - конденсатор 6. Величина его устанавливается на уровне тока нагрузки Iн, равного среднему значению тока IL2 индуктивности 2 (замеры 2 и 3 на графике 2). Этот ток повышает напряжение на конденсаторе 6 и снижает напряжение на конденсаторе 3.
На графике 1 по кривой UC3 напряжения на конденсаторе 3 видно изменение уровня переменной составляющей напряжения на конденсаторе в соответствие с направлением и уровнем тока IC3 (график 4). Среднее значение напряжения на конденсаторе 3 равно напряжению UC5 на нагрузке плюс среднее напряжение на конденсаторе С 6. Так, в данном расчете, на графике 1 значение UC5=61.4B (замер 4), среднее значение на конденсаторе UC6-11.9B, а среднее значение UC3=73.6B (замер 2), т.е. UC3~UC5+UC6 (при данной точности замеров).
Увеличение напряжения на конденсаторе 6 на интервале времени t2-t3 происходит за счет токов в контурах, в которых отсутствуют полупроводниковые элементы, что снижает общие потери в преобразователе. При этом, чем дольше ключ 8 находится в выключенном положении, тем дольше конденсатор 6 будет заряжаться без дополнительных потерь в полупроводниковых элементах, что позволяет повысить к.п.д. преобразователя.
Поддержание достаточно высокого напряжения на нагрузке (кривая UC5 на графике 1) особенно важно при работе с большой скважностью рабочего импульса тока от источника питания с повышенным внутренним сопротивлением. Повышение напряжения UC5 в таких режимах может быть достигнуто за счет уменьшения величины индуктивности 7. Действительно, энергия, накапливаемая в индуктивности пропорциональна произведению I 2 L. Уменьшение величины индуктивности ведет к увеличению тока пропорционально квадрату кратности изменения величины индуктивности и, в итоге, к увеличению энергии, накопленной в индуктивности. Следовательно, сокращая время замкнутого состояния ключа, можно, тем не менее, получить необходимое высокое выходное напряжение преобразователя. Так решается задача повышения к.п.д. системы питания с обеспечением нагрузки напряжением необходимого уровня, в том числе от источника с повышенным внутренним сопротивлением.
Наличие в структурной схеме предлагаемой полезной модели конденсатора 6 позволяет существенно снизить уровень пульсации входного тока. Так, в диапазоне регулирования от значения коэффициента скважности Кскв=1.13 до Кскв=3 и изменения величины сопротивления нагрузки от 40 Ом до 400 Ом значение коэффициент пульсации Кп у преобразователя прототипа изменяется от Кп=0.001 (наилучшее значение при Кскв=1.13) до Кп=1.25 (наихудшее значение при Кскв=3), а у предлагаемой модели преобразователя - от Кп=0.0007 до Кп=0.02, соответственно. С увеличением скважности преимущество предлагаемого преобразователя увеличивается, что видно из значений приведенных коэффициентов Кп.
На фиг.3 представлены нагрузочные характеристики предлагаемой полезной модели - кривая U1, и прототипа - кривая U2. Кривые изменения уровня выходного напряжения преобразователей постоянного тока (ППТ) с изменением величины нагрузочного сопротивления построены для фиксированного значения коэффициента скважности Кскв. Данные для построения характеристик получены по результатам расчета моделей с помощью программы Micro-Cap 9 при одинаковых параметрах силовых элементов и одинаковых режимах работы. Сравнивая ход кривых, можно отметить, что выходное напряжение ППТ по схеме предлагаемой модели выше выходного напряжения модели прототипа в широком диапазоне изменения величины сопротивления нагрузки.
На фиг.4 представлены характеристики зависимости к.п.д. блока электропитания (БЭ), включающего источник электропитания (ИЭ) и ППТ, в зависимости от коэффициента скважности рабочего импульса. Характеристики построены при различных значениях внутреннего сопротивления (Rи) ИЭ для БЭ с ППТ предлагаемой модели и прототипа.
На фиг.4 кривые к.п.д. БЭ обозначены: при использовании предлагаемой модели ППТ - 1 при Rи=0.3 Ом; 2 при Rи=0.001 Ом; при использовании модели ППТ прототипа - 3 при Rи=0.001 Ом; 4 при Rи=0.3 Ом.
Анализ полученных результатов данного расчета показывает общую тенденцию повышения к.п.д. БЭ на участке повышения коэффициента скважности (Кскв) до его значения, равного 1.3. При малом Rи на участке режимов до значения Кскв=~1.7 к.п.д. БЭ с предлагаемой моделью ППТ несколько выше, чем к.п.д. БЭ с моделью ППТ прототипа. При увеличении Кскв это преимущество становится значительнее. При повышенном значении Rи наблюдается аналогичная картина.
На фиг.5 представлены сравнительные регулировочные характеристики ПИТ предлагаемой полезной модели (кривая U1) и прототипа (кривая U2). Анализ представленных кривых показывает, что при одинаковой величине сопротивления нагрузки (в данном примере Rн=400 м) и одинаковом уровне входного напряжения (Uвх=12В), напряжение на выходе ППТ предлагаемой полезной модели существенно выше, чем выходное напряжение у прототипа, во всем диапазоне регулирования. При этом преобразователь при увеличении коэффициента скважности обеспечивает ограничение тока перегрузки или аварии на уровне, необходимом для селективного срабатывания защиты у аварийного потребителя, без повреждения источника питания, как и в случае использования модели прототипа. Так, если отключить импульсы, управляющие ключом, в нагрузку полностью прекратится передача энергии от источника питания, что следует из структурной схемы преобразователя.
Использование: в электротехнике, для преобразования переменного напряжения электросети 220 B в напряжение для питания маломощных потребителей в единицы или доли Ватта. Сущность: тиристорный преобразователь состоит из мостового диодного выпрямителя, подключенного к источнику переменного напряжения через конденсатор, к выходу диодного моста подключены включенные последовательно первичная обмотка трансформатора и тиристор со схемой управления. Выходное напряжение может плавно регулироваться от нуле до номинала путем изменения угла включения тиристора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для получения от сети 220 В напряжение необходимой величины для питания маломощных потребителей (около 1 Вт). Обычные трансформаторы на 50 Гц в этом случае должны иметь много витков в первичной обмотке (до 10000) из очень тонкого провода (до 0,02 мм). Изготовление таких трансформаторов технически сложно и требует дефицитных материалов. Поэтому широко применяются полупроводниковые преобразователи, которые сначала выпрямляют сетевое напряжение, а затем преобразуют его в переменное повышенной частоты. В этом случае обмотки трансформатора имеют мало витков, а его сердечник может быть меньше по сечению. Известны также схемы преобразователей с тиристорами вместо транзисторов. Тиристор открывается в определенный момент синусоиды и через трансформатор проходит высокочастотный импульс, который и создает напряжение на вторичной обмотке. Такой преобразователь описан, например, в книге Б. С.Иванова "Электроника в самоделках", Москва, ДОСААФ, 1981 г. стр. 225 и 226. Недостатком схемы Иванова является малый КПД из-за того, что через открытый тиристор продолжает протекать ток до окончания полуволны синусоиды и закрывания тиристора. Цикл работы схемы повторяется с частотой сетевого напряжения. Для ограничения тока через открытый тиристор служит специальный резистор, который нагревается и рассеивает значительную мощность. Целью настоящего изобретения является уменьшение тока через открытый тиристор при сохранении резкого перепада напряжения в момент открывания тиристора. Схема позволяет регулировать в некоторых пределах выходное напряжение с помощью переменного резистора в цепи управляющего электрода тиристора. Небольшое усложнение предлагаемой схемы значительно расширяет диапазон регулирования путем более устойчивого запуска тиристора в момент включения преобразователя. Указанная выше цель достигается включением преобразователя в сеть через конденсатор и диодный мост, который позволяет подать на тиристор двухполупериодное выпрямленное напряжение. Устойчивый запуск тиристора в момент включения достигается присоединением к управляющему электроду тиристора цепочки из диода и конденсатора. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 изображена осциллограмма напряжения в точке "А"; на фиг. 3 изображена схема преобразователя с устойчивым запуском. Предлагаемый преобразователь состоит (фиг. 1) из трансформатора 1, тиристора 2, переменного резистора 3, постоянного резистора 4, диодного моста 5 и конденсатора 6. Сеть 220В подключена к диодному мосту 5 через конденсатор 6. Первичная обмотка трансформатора 1 одним концом подключается к положительному выводу диодного моста, а другим через тиристор 2 к отрицательному выводу. Управляющий электрод тиристора через резисторы 4 и 5 подключен к положительному выводу моста. Работает схема следующим образом: переменное сетевое напряжение через конденсатор 6 поступает на диодный мост 5. Двухполупериодное выпрямленное напряжение подается на трансформатор и тиристор. Как показано на фиг. 2, в момент времени T= 0 начинается возрастание напряжения в точке "А". Но ток через тиристор остается равным нулю. В момент времени T1 в соответствии с величиной резисторов 3 и 4 открывается тиристор и через трансформатор течет ток определенной величины, но в следующий момент напряжение на выходе диодного моста резко падает из-за того, что появляется ток через трансформатор и тиристор. Так как трансформатор импульсный, то его сопротивление мало. Сопротивление тиристора в открытом состоянии также мало. Поэтому подключившаяся к диодному мосту цепь трансформатор тиристор сильно подсаживает напряжение диодного моста. На входе моста напряжение также подсаживается, а на конденсаторе 6 резко увеличивается. В результате через обмотку трансформатора каждый полупериод протекает короткий импульс тока и преобразуется в импульс на вторичной обмотке. В отличие от схемы Иванова, в оставшееся время после импульса до конца полупериода, ток через тиристор сильно уменьшается и тем уменьшает потери и увеличивает КПД преобразователя. Включение конденсатора последовательно с нагрузкой в цепи переменного тока известно. Но работа такого конденсатора в предлагаемом преобразователе принципиально другая. Различие в том, что в известных схемах после диодного моста пульсирующее переменное напряжение сглаживается на конденсаторах фильтра и через последовательный конденсатор течет синусоидальный ток, а не импульсный, как в предлагаемом преобразователе. Конденсатор 6 служит для пропускания короткого импульса тока в момент включения тиристора и резкого уменьшения тока в оставшуюся часть полупериода. Для ограничения тока через управляющий электрод тиристора при регулировании момента включения переменным резистором 3 служит резистор 4. Как показали испытания предлагаемого преобразователя, он работает на возрастающей половине каждого полупериода от 0 до 90 градусов, что объясняется дальнейшим падением управляющего тока. Если тиристор не открылся при 90 градусах, то на спаде синусоиды в последующие 90 градусов он тем более не откроется. В области, приближающейся к вершине полупериода, тиристор не всегда открывается, хотя при меньшем угле отсечки запускается устойчиво. Для гарантированного включения преобразователя в работу служит показанная на фиг. 3 цепочка из диода 7 и конденсатора 8. В момент подключения преобразователя к сети тиристор запускается через эту цепочку, но конденсатор 8 быстро заряжается, ток через него уменьшается и работа тиристора определяется в дальнейшем величиной резисторов 3 и 4. Изготовленная модель преобразователя с повышающим трансформатором для маломощного источника высокого напряжения позволяет плавно менять выходное напряжение от нуля до 10 киловольт. При этом на осциллограмме не заметно неустойчивости или дребезга при срабатывании тиристора.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Преобразователь переменного напряжения, в котором к источнику переменного напряжения подключены последовательно включенные первичная обмотка трансформатора и тиристор, к управляющему электроду которого подключена схема управления фазой его переключения, выход вторичной обмотки трансформатора является выходом преобразователя, отличающийся тем, что он подключен к дополнительно введенному мостовому диодному выпрямителю, подключенному к источнику через конденсатор. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между одним из выводов диодного моста и управляющим диодом тиристора включен конденсатор.В автономной переносной и передвижной радиоаппаратуре, потребляющей сравнительно небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются работающие независимо от внешней сети источники постоянного тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Иногда для функционирования радиоаппаратуры возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.
В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются MOS FET и IGBT транзисторы и тиристоры. Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора, соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение U вых, которое может существенно отличаться от напряжения на входе U BX ,, т.е. конвертор - это своеобразный трансформатор постоянного напряжения.
При высоком значении питающего напряжения, а также при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.
По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой импульсные автогенераторы. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.
1. Преобразователи с самовозбуждением
Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они нашли применение как маломощные автономные источники, электропитания и как задающие генераторы мощных преобразователей, Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением
На вход преобразователя подается постоянное питающее напряжение U BX . В автогенераторе постоянное напряжение преобразуется в напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов.
Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя, после которого на выходе преобразователя (конвертора) получим требуемое по величине и напряжение постоянного тока U вых . При прямоугольной форме импульсов выпрямленное напряжение по форме близко к постоянному, вследствие чего упрощается сглаживающий фильтр выпрямителя.
2. Однотактный преобразователь напряжения.
В основе работы схемы (рис. 2), как и большинства преобразователей, лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме.
Рис. 2. Однотактный полупроводниковый преобразователь
напряжения с самовозбуждением
В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора ω к, в эмиттерно-базовую цепь - обмотка обратной связи ω б. Поскольку обмотки ω к и ω б размещаются на одном магнитопроводе, то существующая между ними магнитная связь и порядок подключения концов обмоток обеспечивают в итоге положительную обратную связь в автогенераторе.
При подключении источника постоянного тока U BX в цепи коллектора транзистора VT и в обмотке ω к начинает: протекать ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот поток, воздействуя на обмотку обратной связи ω б, наводит в ней ЭДС самоиндукции, причем обмотка ω б включается, относительно обмотки ω к таким образом, чтобы ЭДС, наведенная в ней, еще больше открыла транзистор (для р-п-р транзистора на базе относительно эмиттера создается дополнительное отрицательное напряжение). Когда магнитный поток достигнет насыщения, исчезнут ЭДС и токи в обмотках, появится противо-ЭДС, запирающая транзистор, и процесс начнется сначала. Необходимо отметить, что при открытом транзисторе VT вследствие небольшого значения его внутреннего сопротивления весьма небольшим будет падение напряжения на нем, даже при токе, равном току насыщения. Поэтому в этом случае практически все входное напряжение U BX приложено к первичной коллекторной обмотке трансформатора ω к.
В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора ω к потечет ток, импульсы которого будут иметь почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку трансформатора ω вых трансформируются импульсы той же формы, частоты следования и полярности; эти импульсы используются для получения выпрямленного напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Резистор R Р Б в базе транзистора ограничивает ток базы.
Преобразователи описанного типа целесообразно применять при высоком значении выходного напряжения U B Ы X и малых токах, в частности, для питания высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках. Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание магнитопровода, обусловленное тем, что ток по коллекторной (первичной) обмотке трансформатора течет только в одном направлении, Постоянное подмагничивание ухудшает условия передачи мощности из первичной обмотки трансформатора во вторичную, и поэтому однотактные автогенераторы используют при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.
Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 1.21).
Рис. 1.21. Однофазный однополупериодный выпрямитель:
а – принципиальная схема; б
В этой схеме входное напряжение и вх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц . Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а , к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b , к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и вх оказывается приложенным к нагрузке R нагр , в которой начинает протекать ток нагрузки i нагр . При активной нагрузке (как это показано на рис. 1.21, б ) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение и вх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение и вх , которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки R нагр будет однополярное пульсирующее напряжение и d , среднее значение которого составит
, (1.52)
где , – амплитуда напряжения сети и его действующее значение.
Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения
. (1.53)
Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 1.22 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т , вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а , b , с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R нагр . Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.
Рис. 1.22. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов
Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 1.22, б . Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.
Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а , б , в , г , д на рис. 1.22, б ). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку R нагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет
а коэффициент пульсаций
, (1.55)
где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.
Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 1.23), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.
Рис. 1.23. Трехфазный мостовой выпрямитель:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов
Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а , б , в , г , д на рис. 1.23, б ), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к , л , м , н на рис. 1.23, б ).
При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени - ток проводят диоды и , в интервале времени - – диоды и , в интервале - – диоды и , и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.
Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет
а коэффициент пульсаций
. (1.57)
Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 1.24).
При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а , б , в , г , д на рис. 1.24, б ), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол ). В этом случае (см. рис. 1.24, в ) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.
Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 1.24, б ) или увеличение (рис. 1.24, г ) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 1.22, б ).
Рис. 1.24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б , в , г – диаграммы напряжений
при различных углах управления
На рис. 1.25 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1 ) и трехфазной мостовой (кривая 2 ) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .
Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.
Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р , потребляемой преобразователем, к полной мощности S
. (1.58)
Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при до 0,3…0,45 при .