Широтно-імпульсні перетворювачі постійного струму
1. Широтно-імпульсні перетворювачі постійного струму
1.1. Призначення, принцип дії і класифікація широтно-імпульсних перетворювачів постійного струму
Зміна величини напруги споживача за допомогою широтно-імпульсних перетворювачів (ШИП) називають імпульсним регулюванням.
За допомогою ШИП джерело постійної або змінної напруги періодично підключається до навантаження. В результаті на виході ШИП формуються імпульси напруги.
Як переривника при імпульсному управлінні використовується тиристор, що з'єднує і роз'єднує навантаження з мережею живлення і перетворює постійну напругу мережі в імпульсну напругу навантаження. Цей процес проілюстрований на рис. 1.1, де пунктиром окреслено переривник, в якості якого використаний тиристор. На інтервалі tВКЛ. коли тиристор знаходиться в провідному стані, висновки мережі з'єднані з висновками навантаження. На інтервалі T-tВКЛ тиристор закритий, і висновки навантаження закорочені через зворотний діод VD0. по якому протікає струм навантаження. В результаті на навантаженні створюється імпульсна напруга Uн. середнє значення якого може бути визначено за формулою
де tВКЛ - тривалість відкритого стану переривника; T - період імпульсів; g = tВКЛ / Т - шпаруватість імпульсів.
Мал. 1.1. Принцип дії перетворювача з широтно-імпульсним керуванням
Таким чином, регулювання напруги на навантаженні можна здійснити шляхом зміни параметрів вихідних імпульсів tи і T. де tи - тривалість вихідних імпульсів; Т - період проходження вихідних імпульсів. Найбільшого поширення набули широтно-імпульсний (tи = var, T = const). частотно-імпульсний (tи = const, T = var) і час-імпульсний (tи = var, T = var) способи регулювання. При цьому регулюється відносне час провідності керованого вентиля, що призводить до плавного зміни середнього або діючого значення напруги на нагрузке.ШІП постійної напруги можна класифікувати по ряду ознак.
Залежно від типу застосовуваних в силовій частині напівпровідникових приладів розрізняють: а) ШИП на повністю керованих вентилях [транзисторах і замикаються (двухопераціонних)].
Нереверсивні ШИП перетворять плавно змінюється вхідний
напруга в імпульсна постійної амплітуди і полярності, але різної тривалості.
Реверсивні ШИП перетворять плавно змінюється вхідна напруга або в змінне, різною за напівперіод тривалості, або в імпульсна постійної амплітуди, різної тривалості та полярності.
Як реверсивних зазвичай використовують мостові перетворювачі. Нереверсивні ШИП можуть здійснювати повну або часткову модуляцію напруги мережі живлення.
Нереверсивні ШИП з повною модуляцією в залежності від місця включення керованого вентиля і дроселя фільтра поділяють на три типи. У ШИП першого типу керований вентиль і дросель фільтра включені послідовно з навантаженням (послідовний ШИП). Характерною особливістю послідовних ШИП - є неможливість отримання напруги на виході вище напруги джерела живлення. Паралельні ШИП - другого типу з послідовним включенням дроселя і паралельним включенням керованого вентиля по відношенню до навантаження і третього типу з послідовним включенням керованого вентиля і паралельним включенням дроселя по відношенню до навантаження - дозволяють отримати напруга на виході вище напруги джерела живлення.
Вихідні каскади ШИП найбільш просто виконувати на повністю керованих вентилях - транзисторах і замикаються (двухопераціонних) тиристорах, відмикання і замикання яких проводиться за допомогою керуючих імпульсів.
При вихідної потужності більш декількох кіловат в якості ключів доцільно застосовувати тиристори.
Імпульсні перетворювачі мають наступні переваги:
1) високий к. П. Д. Так як втрати потужності на регулюючому елементі перетворювача незначні в порівнянні з втратами потужності при безперервному регулюванні;
2) малу чутливість до змін температури навколишнього середовища, оскільки регулюючим чинником є час провідності керованого вентиля, а не внутрішній опір регулюючого елемента, як при безперервному регулюванні;
3) малі габарити і масу; постійну готовність до роботи. Однак імпульсним перетворювачів притаманні і недоліки: 1) імпульсний режим роботи регулюючого елемента призводить до необхідності встановлювати вихідні і часто вхідні фільтри, що викликає інерційність процесу регулювання в замкнутих системах;
2) високі швидкості включення і виключення струму в силовому ланцюзі ШИП призводять до виникнення радіоперешкод.
1.2.Сіловие схеми ШИП постійного струму
1.2.1. Силові схеми нереверсивними ШИП
На рис. 1.2, а) зображена нереверсивна схема ШИП з тиристорним ключем. Функцію власне ключа виконує тиристор VS1, а тиристор VS2 служить для управління процесом комутації VS1. Працює тиристорний комутатор наступним чином. Нехай попередньо конденсатор З заряджений через VS2 з позитивним зарядом на верхній обкладці. При подачі керуючого імпульсу на VS1 на двигуні М з'являється імпульс напруги UП і через VS1 протікає струм навантаження. Одночасно по контуру, в який входять конденсатор С. тиристор VS1, діод VD2 і реактор LК. відбувається процес перезарядження конденсатора, який закінчується через напівперіод власних коливань контуру з позитивним зарядом на нижній обкладці. Діод VD2 замикає конденсатор від подальшої перезарядки. Сигналом на закривання VS1 є керуючий імпульс, що подається на VS2. Через відкриті тиристори VS2 і VS1 розряджається конденсатор і своїм струмом замикає VS1. Після замикання VS1, ток протікає через VS2, дозаряджати конденсатор до початкового рівня з позитивним зарядом на верхній обкладці.