Персональний сайт - 8) широтно-імпульсні перетворювачі
8) Широтно-імпульсні перетворювачі. Принцип роботи, переваги і недоліки.
ШИП - широтно-імпульсний перетворювач, що генерує ШІМ-сигнал по заданому значенню керуючого напруги. Основна перевага ШИП - високий ККД його підсилювачів потужності, який досягається за рахунок використання їх виключно в ключовому режимі. Це значно зменшує виділення потужності на силовому перетворювачі (СП).
8.1.Процесси в транзисторних широтно-імпульсних перетворювачах
Зміна величини напруги споживача за допомогою імпульсного модулювання вхідної напруги називають їм-пульсної регулюванням. Сутність його полягає в періодічес-ком дозуванні потоку енергії, що передається від джерела живлення споживача і назад. Регулювання напруги на навантаженні можна здійснювати шляхом зміни параметрів ви-хідних імпульсів: їх тривалості τu і періоду проходження Т. Звідси можна отримати кілька способів імпульсного регулюються-вання, а саме:
1) широтно-імпульсний, при якому τu = var, T = const;
2) частотно-імпульсний, при якому τu = const, T = var;
3) широтно-частотний, при якому τu = var, T = var.
Найчастіше застосовується широтно-імпульсна регулирова-ня, при використанні якого гідності імпульсних мето-дів управління проявляються в найбільшою мірою.
Вихідні каскади широтно-імпульсних перетворювачів простіше виконувати на повністю керованих вентилях: транзис-торах і двухопераціонних тиристорах, відмикання і замикання яких проводиться за допомогою керуючих імпульсів.
При вихідної потужності до декількох десятків кіло-ват в якості ключів доцільно застосовувати транзистори.
Основними достоїнствами транзисторних імпульсних преоб-разователей в порівнянні з тиристорн є висока частота комутації, що дозволяє отримувати сприятливий спектр вихідної напруги і струму, і повна керованість, яка веде до відсутності вузлів примусової комутації. Ні-достатком є наявність комутаційних перенапруг на транзисторах. Тому транзисторні імпульсні перетворювачі і застосовують-ся в джерелах вторинного електроживлення для обчислювальних машин, в системах зв'язку, пристроях автоматики, а також в автоматизованих системах електроприводу малої і середньої потужності.
Класифікація широтно-імпульсних перетворювачів.
Широтно-імпульсні перетворювачі (ШИП) можна класси-ваних по ряду ознак.
Як зазначалося вище, ШИП можна розрізняти залежно від типу використовуваних в силовій частині напівпровідникових при-борів:
а) ШИП на повністю керованих вентилях;
б) ШИП на тиристорах.
Зазначені ШИП поділяють на нереверсивні і реверсивні.
Нереверсивні ШИП перетворять вхідна напруга в імпульсна постійної амплітуди і полярності, але різної тривалості.
Реверсивні ШИП перетворять вхідна напруга або в змінне різної по напівперіоди тривалості, або в їм-пульсної постійної амплітуди, різної тривалості та полярності-ності.
Нереверсивні ШИП в залежності від місця включення керуючих-мого вентиля і дроселя фільтра поділяють на три типи:
1) знижують ШИП, в яких управ-ється напівпровідниковий прилад і дросель фільтра включені послідовно з навантаженням;
2) підвищують ШИП, в яких дрос-сель включається послідовно, а керований вентиль - па-раллельно навантаженні;
3) інвертують ШИП, в яких керований вентиль включений послідовно, а дросель паралельно по відношенню до навантаження.
8.2 Широтно-імпульсні перетворювачі понижуючого типу.
Імпульсний перетворювач понижуючого типу, є перетворювачем постійної напруги. Напів-Водніково керовані ключі, що регулюють процес передачі електричної енергії від джерела живлення до навантаження, ха-рактерізует двома станами: "замкнуто" і "розімкнуте".
На рис. 6.1, а наведено широко поширений варіант імпульсного перетворювача напруги понижувального типу (ІПП-1) з діод-транзисторних перемикачем, схема заме-щення якого показана на ріс.6.1,6.
Роль регулюючого елемента виконує транзистор VT. У вихідний ланцюг перетворювача входить навантаження Zн активно-індуктивного характеру і згладжує фільтр, в загальному випадку містить дросель Lф і конденсатор Сф.
Діод VD, включений у зворотному напрямку щодо відповідності-но напруги вихідний ланцюга, є необхідним елементом схеми і призначений для створення в ній контуру протікання струму навантаження при розмиканні керуючого ключа.
На інтервалі включеного ключа SW1 (pіс.6.I, в) напруга живлення Ud підключається до згладжує фільтру і ви-вихідне напруга Uн = Ud.
Зворотний діод VD закритий і через навантаження протікає струм Iн від джерела живлення. Струм буде досягати максималь-ного значення в момент розмикання ключа SW1 (рис.6.1, г).
Рис.6.1. Імпульсний перетворювач понижуючого типу з діод-транзисторних перемикачем.
Далі, напруга на дроселі змінює полярність, струм через навантаження починає зменшуватися і протікати по контуру через зворотний діод, UH = 0.
Після замикання ключа SW2. можливі різні режими роботи схеми, що визначаються характером зміни струму.
В кінці інтервалу прикладення напруги струм iH може бути позитивним або рівним нулю. Перший випадок отримав назву режиму безперервного-ного струму, його тимчасові діаграми приведені на рис. 6.2. Ука-занний режим виникає, якщо в кінці інтервалу дискретності зберігається частина енергії, накопиченої реактивними елемента-ми: дроселем Lф і індуктивністю навантаження LH.
Рис.6.2. Тимчасові діаграми напруги і струмів понижуючого перетворювача в режимі безперервно-го струму
Якщо ж запасається енергія дорівнює нулю, то виникає вто-рій випадок, званий режимом переривчастого струму (ріc.6.3).
Рис.6.3. Тимчасові діаграми напруги ж струмів по-ніжа перетворювача в режимі безперервного струму
Характер зміни струму в навантаженні в значній степу-ні визначає вид кількісних, співвідношень, що описують схеми імпульсних перетворювачів напруги.
Слід зазначити, що режим безперервного струму при по-щення потужності навантаження і широкому діапазоні її зміни в порівнянні з режимом переривчастого струму забезпечує преоб-разователей певні позитивні властивості.
Середнє значення напруги на навантаженні одно:
де γ = τі / T коефіцієнт заповнення імпульсів; τі - тривалість імпульсів; Т - період комутації; Ud - на-напруга джерела.
Таким чином, змінюючи величину коефіцієнта заповнення-ня, можна отримувати на виході широтно-імпульсного перетворювача різні значення середньої напруги на навантаженні, яке для перетворювачів понижувального типу менше напруги джерела живлення.
Миттєві значення струму навантаження під час імпульсу і паузи можуть бути отримані різними способами, наприклад, з рішення диференціальних рівнянь, що описують електро-магнітні процеси в перетворювачі.
У режимі безперервного струму зазначені рівняння мають вигляд за умови, що внутрішній опір джерела пі-танія і активний опір дроселя прагнуть до нуля
де L - сумарна індуктивність фільтра і навантаження; RH-активності опір ланцюга навантаження.
Рішення для струму навантаження має вигляд:
постійна часу ланцюга навантаження.
Максимальне і мінімальне значення струму навантаження (струму через транзистор і зворотний діод) можна знайти з висловлю-ня (5.1) для моментів t = 0 і t = tи:
Амплітуда пульсацій струму навантаження
З виразу (2.2) випливає, що амплітуда максимальна при γ = 0,5.
Середнє значення струму навантаження
визначається середнім значенням напруги і опором навантаження.
У режимі переривчастого струму амплітуда розмаху пульсацій струму залежить від його максимального значення:
8.3 Імпульсний перетворювач постійної напруги підвищувального типу.
На рис.6.4, а наведена найпростіша силова схема пови-вирішального імпульсного перетворювача постійної напруги з паралельним включенням транзистора і навантаження і послідовно-них по відношенню до них включенням дроселя Iф, Схема заміщення такого перетворювача показана на рис.6.4, б.
При відкритому стані транзистора VT дросель Lф під-укладений до джерела електричної енергії, діод VD закритий, на-вантаження від джерела відключена і конденсатор підтримує уро-вень вихідної напруги.
На зазначеному інтервалі часу струм iL через дросель збільшується до максимального значення (рис.6.4, в). При за-піранії транзистора, тобто при розмиканні ключа SW1 і замиканні SW2 (рис.6.4, г), енергія, накопичена в дроселі на першому інтервалі, надходить на вихід схеми в RC-ланцюг. При цьому струм дроселя Lф зменшується за лінійним законом, до-Стіг в кінці інтервалу свого мінімального значення. Якщо перетворювач працює в режимі безперервного струму (рис.6.5), то максимальне і мінімальне значення струму дроселя, тран-зістора і діода визначаються наступними виразами:
Рис.6.4. Імпульсний перетворювач напруги підвищувального типу
Рис.6.5. Тимчасові діаграми струмів і напруг підвищуючого перетворювача в режимі безперервного струму
Амплітуда пульсацій струму дроселя
Середнє значення струму навантаження буде визначатися то-ком дроселя на другій ділянці періоду комутації
де Те = Lф / Rе; t0 - момент замикання транзистора
Якщо прийняти припущення, що пульсації вхідного і вихід-ного струмів, а також напруги харчування відсутні, можна отримати з виразу (2.3) рівняння зовнішньої характеристи-ки:
де RВH - внутрішній опір джерела літанія; Е - ЕРС джерела.
При збільшенні опору навантаження струм IL зменшує-ся швидше і може наступити режим переривчастих струмів Дросс-ля (рис.6.6).
Рис.6.6. Тимчасові діаграми струмів і напруг підвищуючого перетворювача в режимі преривіс-того струму.
Якщо в режимі безперервного струму за рахунок збільшення ін-дуктівності розмах пульсацій можна зробити як завгодно ма-лим, то в режимі переривчастого 'струму
8.4 Инвертирующий широтно-імпульсний перетворювач.
У инвертирующем ШИП (рис. 6,7, а, б) дросель фільтра включений паралельно, а потужний транзистор - послідовно по відношенню до навантаження.
При відкритому стані силового транзистора VT діод VD закритий під дією сум напруг джерела живлення і навантаження, доданих до неї в зворотному напрямку, слідом-ствие чого, навантаження від джерела електроенергії відключена (рис.6,7, .в). При цьому паралельно джерелу подклініть дрос-сель Lф, в якому відбувається накопичення енергії.
У момент закривання транзистора VT енергія, накопичений-ва в дроселі, надходить в конденсатор Сф і навантаження через що відкрився діод (рис.2.7, г), а полярність вихідної напруги перетворювача буде протилежної полярності пі-тане напруги. Тимчасові діаграми струмів і напруги для режиму безперервного струму дроселя наведені на рис.6.8.
Для режиму безперервного струму враховуємо, що при відкритому-тому стані транзистора до дроселя докладено напруга харчуванні Ud. а при закритому - UH.
Максимальне і мінімальне значення струму дроселя, тран-зістора і діода:
Рис.6.7. Инвертирующий перетворювач постійної напруги
Рис.6.9. Тимчасові діаграми струмів і напруг ін-вертірующем перетворювача в режимі переривчастого струму.
Кордон між режимами безперервного і переривчастого то-ков може бути визначена нерівністю:
де γVT відносна тривалість відкритого со-стояння транзистора VT.
При виконанні зазначеного нерівності має місце ре-жим безперервного струму.
Инвертирующий ШИП, як і підвищує перетворювач, дозволяє отримувати вихідну напругу вище напруги ис-точніка харчування.
У вітчизняній літературі зустрічаються і інші назва-ня ШИП з послідовним включенням ключа і паралельним включенням дроселя. Наприклад, такі перетворювачі називають реверсують.
Необхідно відзначити, що підвищує і інвертується пре-просвітників характеризуються гіршим використанням елементів фільтра, значно більшими габаритами і масою, великим внутрішнім опором, гіршим використанням по току ре-гулірующего транзистора і діода в порівнянні із знижуючим перетворювачем.
8.5 Реверсивний широтно-імпульсний перетворювач
У наведених схемах перетворювачів напруга на ви-ході має один знак. Для отримання змінної напруги застосовуються реверсивні перетворювачі. Найбільш поширеною-ненной з них є схема, побудована на основі знижую-ного перетворювача. Для пояснення її роботи спочатку рас-дивимося модифікацію схеми понижуючого перетворювача, по-здаватися на ріс.6.10, а. При включенні транзисторів утворює-ся такий же контур (рис.2.10, б), як в зменшуючому преобразо-Ватель, і на ділянці
0 Якщо до моменту чергового включення транзисторів струм не встигає зменшуватися до нуля, то він має безперервний харак-тер, як показано на ріс.2.II, а. Такий режим іменується не-переривчастим, в цьому режимі включені або транзистори, або ді-оди. Якщо струм зменшиться до нуля раніше моменту включення транзисторів, то відбувається вимикання діодів і в кривих то-ка і напруги з'являється ділянку з нульовим значенням (рис.6.11, б), де всі вентилі вимкнені. Такий режим імену-ється переривчастим. Середнє значення напруги на навантаженні UH одно:
Ріс.6.10. ШИП понижуючого типу з форсованим спадом струму:
а - схема перетворювача; б -контур протікання струму при замкнутих тірісто-рах;
в - контур для протікання струму при замк-нутих діодах.
Ріс.6.II. Тимчасові діаграми процесів в схемі перетворювача:
а - при безперервному струмі на-Грузьке; 6 - при переривчастому струмі навантаження.
