Силовые электронные устройства

5. Силовые электронные устройства

         Из всего многообразия устройств силовой электроники можно выделить силовые преобразующие устройства, к которым относят конверторы, выпрямители и инверторы.

5.1 Конверторы. Три основные (базовые) схемы конверторов

Конверторы – преобразователи постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Чаще всего конверторы используются с целью стабилизации напряжения на нагрузке (выходе конвертора). Поскольку в конверторах используется импульсный принцип работы регулирующего элемента, то такие конверторы называют импульсными стабилизаторами напряжения.

         Из всего многообразия схем силовых цепей конверторов принято выделять три основные или базовые схемы, а именно конверторы понижающего, повышающего и инвертирующего типов. Рассмотрим схемы силовых цепей вышеназванных конверторов и проходящие в них электромагнитные процессы.

5.1.1. Конвертор понижающего типа

         Схема силовой цепи конвертора понижающего типа приведена на рис.5.1. В ее состав входит электронный ключ , диод , дроссель , входной  и выходной  конденсаторы.

Рекомендуемые материалы

                                                                             

Рис.5.1

Рассмотрим процессы в силовой цепи конвертора при следующих допущениях:

1. Элементы силовых цепей (электронный ключ , диод , дроссель , входной  и выходной  конденсаторы) идеальны и потери энергии в них отсутствуют;

2. Напряжения на входе  и выходе  конвертора, период  и коэффициент заполнения  импульсов управления силовым ключом неизменны. Процессы в силовых цепях носят установившийся периодический характер. Это означает, что через период  работы значения токов и напряжения на элементах схемы повторяются.

3. Пульсацией напряжения на входе и выходе конвертора можно пренебречь.

На рис.5.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу конвертора.

Рис.5.2

         Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронного ключа K поступает импульс управления длительностью . При этом электронный ключ  открыт и существует ток в цепи: клемма 1 – электронный ключ  – дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод. Напряжение на дросселе L имеет полярность, указанную на рис.5.1 без скобок, и с учетом нулевого падения напряжения на электронном ключе  равно:

         ,                                                                        (5.1)

где  и  – напряжения на входе и выходе конвертора.

         На интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по закону:

         ,                                                                 (5.2)

где  – ток дросселя в момент времени , а  – переменная (время), изменяющаяся на интервале от  до . Согласно принятым допущениям напряжения на входе  и выходе  конвертора неизменны. Поэтому на интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.1) неизменно и (5.2) можно преобразовать к виду:

         .                         (5.3)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по линейному закону и дроссель запасает энергию, т.к. энергия накопленная в дросселе: .

         Пусть на интервале времени от  до  импульс управления отсутствует (временная диаграмма ). При этом электронный ключ  закрыт и дроссель отключен от клеммы 1 (от источника энергии). В дросселе L возникает ЭДС самоиндукции, обеспечивающая поддержание прежнего направления тока через дроссель. При этом полярность напряжения на дросселе соответствует указанной на рис.5.1 в скобках и дроссель отдает энергию, накопленную на интервале времени от  до . Ток дросселя проходит по цепи: дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод – диод VD. Источником энергии в этом контуре является дроссель. Поскольку  энергия накопленная в дросселе  расходуется, то ток дросселя убывает. На интервале времени от  до  диод  открывается и обеспечивает замыкание вышеуказанной цепи. Поэтому диод  называют замыкающим.

Напряжение на дросселе L, при условии нулевого падения напряжения на диоде :

         ,                                                                                          (5.4)

где  – напряжения на выходе конвертора.

         На интервале времени от  до  ток дросселя спадает по закону:

         ,                                                                 (5.5)

где  – ток дросселя в момент времени , а  – переменная (время), изменяющаяся на интервале от  до . На интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.4) неизменно и (5.5) можно преобразовать к виду:

         .                           (5.6)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя спадает по линейному закону.

         Заменив в выражениях (5.3) и (5.6) переменную , соответственно на  и  – граничные значения рассматриваемых интервалов, получим:

       и .   (5.7)

Поскольку в установившемся режиме работы  и  равны, то (5.7) преобразуется к виду:

         .                                                     (5.8)

Домножим левую и правую часть (5.8) на L и учитывая, что длительность импульса управления , а длительность паузы  , преобразуем (5.8) к виду:

         .                                                                 (5.9)

Из анализа временной диаграммы  видно, что накопление энергии  в дросселе происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: , а расходование энергии дросселя происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: . С учетом (5.9) получим равенство Вольт-секундных площадей, т.е. . Ток дросселя показан на временной диаграмме   (рис.5.2).

После дальнейших преобразований получим зависимость напряжения на выходе конвертора от напряжения на его входе и коэффициента заполнения  импульсов управления электронным ключом , которая называется регулировочной характеристикой:

         .                                                                      (5.10)

В графическом виде регулировочная характеристика приведена на рис.5.3,а. В случае, когда элементы силовых цепей конвертора не являются идеальными и в них существуют потери энергии, то регулировочная характеристика конвертора отличается от определяемой (5.9). В частности при учете потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , регулировочная характеристика принимает вид:

          ,                                                                              (5.11)

где ,  а  – сопротивление нагрузки. В графическом виде регулировочные характеристики, с учетом потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , приведены на рис.5.3,б.

Рис.5.3

         Применив первый закон Кирхгофа для верхнего правого узла схемы конвертора (рис.5.1) получим:

         ,                                                                                               (5.12)

где ,  и , соответственно текущие значения токов дросселя, конденсатора и нагрузки. Представим ток дросселя в виде суммы средней (постоянной) составляющей  и переменной составляющей :

         .                                                                                      (5.13)

Аналогично в виде сумм средних (постоянных)  и переменных составляющей представим токи конденсатора С   и нагрузки :

         ,                                                                                      (5.14)

         .                                                                                       (5.15)

При этом (5.12) с учетом (5.13) – (5.15) можно записать в виде:

         .                                                (5.16)

Поскольку рассматривается установившийся режим работы конвертора, то средняя (постоянная) составляющая тока конденсатора равна нулю (), т.к. в противном случае при наличии постоянной составляющей тока конденсатора будет происходить его заряд или разряд и напряжение на выходе конвертора будет от периода к периоду изменяться, а, следовательно, режим работы конвертора нельзя будет считать установившимся. Принятое допущение о пренебрежимо малой пульсации напряжения на выходе конвертора позволяет считать равной нулю переменную составляющую тока нагрузки (). С учетом вышеизложенного выражения (5.14) и (5.15) примут вид:  и , а выражение (5.16):

         .                                              (5.17)

Приравняв переменные и постоянные (средние) составляющие токов в (5.17) получим:

         ,                                                                                     (5.18)

         .                                                                                      (5.19)

Ток конденсатора С показан на временной диаграмме  (рис.5.2). Положительные значения ток конденсатора С принимает на интервале времени от  до . При этом происходит заряд конденсатора С. Отрицательные значения ток конденсатора С принимает на интервале времени от  до . При этом происходит разряд конденсатора С. Интервалы заряда и разряда конденсатора С не совпадают с интервалами проводящего и не проводящего состояния силового ключа K, т.е. с интервалами накопления и расходования энергии дросселя. Рассмотрим это более подробно.

В момент времени  появляется импульс управления, переводящий силовой ключ K в проводящее состояние. При этом ток дросселя  начинает возрастать по линейному закону, но до момента времени  остается меньше среднего тока дросселя, равного току нагрузки:

.                                                                                        (5.20)

Преобразовав (5.17) и учитывая (5.20) получим:

         .                                                                                      (5.21)

Таким образом до момента времени  ток конденсатора С меньше нуля и происходит разряд конденсатора.

 После момента времени  ток дросселя  становится больше среднего тока дросселя, равного току нагрузки:

,                                                                                        (5.22)

а выражение (5.20) принимает вид:

         ,                                                                                      (5.23)

т.е. ток конденсатора С становится больше нуля и начинается заряд конденсатора. 

В момент времени  заканчивается импульс управления, переводящий силовой ключ K в проводящее состояние. При этом ток дросселя  начинает убывать по линейному закону, но до момента времени  остается больше среднего тока дросселя, равного току нагрузки. При этом выполняются выражения (5.22) и (5.23). Поэтому заряд конденсатора С продолжается. После момента времени  ток дросселя  становится меньше среднего тока дросселя, равного току нагрузки. При этом выполняются выражения (5.20) и (5.20) и начинается разряд конденсатора С.

В установившемся режиме работы конвертора Ампер-секундная площадь , обеспечивающая заряд конденсатора С, равна Ампер-секундной площади , обеспечивающей разряд конденсатора С.

Определим переменную составляющую напряжения  на конденсаторе С без учета падения напряжения на его внутреннем активном сопротивлении , т.е на идеальном конденсаторе. Для чего из временной диаграммы  (рис.5.2), приравняв момент времени  к нулю и перенеся начало координат, получим временную диаграмму , приведенную на рис.5.4.

Рис.5.4

На этой диаграмме на интервале времени от  до  ток  конденсатора изменяется идентично току конденсатора на этом же интервале времени на диаграмме, приведенной на рис.5.2. На интервале времени от  до  ток  конденсатора (рис.5.4) определяется:

,                                                                                         (5.23)

где коэффициент  , определяющий угол наклона линии тока, взят из выражения (5.3), описывающего ток дросселя  на интервале времени от  до  (рис.5.2). Поскольку переменные составляющие токов дросселя и конденсатора, согласно (5.18), равны, то равны и коэффициенты, определяющие углы наклона линий, описывающих изменения токов.

Напряжение на идеальном конденсаторе определяется выражением:

.                                                                    (5.24)

где  – переменная (время), изменяющаяся на интервале от  до

Поскольку определяется только переменная составляющая напряжения , то напряжение  – есть некоторая константа, входящая в (5.24) и обеспечивающая равенство нулю среднего напряжения  на конденсаторе С. С учетом вышеизложенного и выражения (5.23) преобразуем (5.24) к виду:

.             (5.25)

Таким образом переменная составляющая напряжения  имеет вид квадратичной параболы (рис.5.4), вершина которой смещена по оси ординат на некоторую величину , которая обеспечивает равенство нулю среднего значения напряжения  на конденсаторе С.

Выполнив аналогичные преобразования для интервала времени от  до , получим переменную составляющую напряжения, которая также имеет вид квадратичной параболы с вершиной в момент времени , и сопряженной с ранее полученной параболой для интервала времени от  до  (рис.5.4).

Напряжение на идеальном конденсаторе С является суммой переменной  составляющей и средней  составляющей (рис.5.2):

.                                                                   (5.26)

         В случае, когда можно пренебречь падением напряжения на внутреннем активном сопротивлении  конденсатора С, т.е. можно считать конденсатор идеальным, напряжение на выходе конвертора равно напряжению на конденсаторе:  . При учете падения напряжения на внутреннем активном сопротивлении  конденсатора С, напряжение на выходе конвертора  равно сумме напряжений на конденсаторе С и внутреннем активном сопротивлении  (рис.5.2):

         .                                                                     (5.27)

         Поскольку средний ток конденсатора С равен нулю, то и падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении  равно нулю. Поэтому средние напряжения на выходе конвертора и конденсатора С равны

          .                                                                                  (5.28)

         Конденсатор  необходим для исключения выбросов напряжения на входе конвертора (клемма 1) на интервале перехода силового ключа K в непроводящее состояние. Выброс напряжения (при отсутствии в схеме ) объясняется появлением ЭДС самоиндукции на индуктивности проводов, соединяющих первичный источник энергии и конвертор.

5.1.2. Конвертор повышающего типа

         Схема силовой цепи конвертора повышающего типа приведена на рис.5.5. В ее состав входит электронный ключ , диод , дроссель , входной  и выходной  конденсаторы.

Рис.5.5

Рассмотрим процессы в силовой цепи конвертора при допущениях, принятых для схемы понижающего конвертора. На рис.5.6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу конвертора.

Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронного ключа K поступает импульс управления длительностью . При этом электронный ключ  открыт и существует ток в цепи: клемма 1 – дроссель L – электронный ключ  – общий провод. Диод  закрыт, поскольку на его катоде положительное напряжение, по величине равное , а его анод через открытый электронный ключ  подключен к общему проводу.

Напряжение на дросселе L имеет полярность, указанную на рис.5.5 без скобок, и с учетом нулевого падения напряжения на электронном ключе  равно:

         ,                                                                                              (5.29)

где  – напряжения на входе конвертора. На интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по закону:

         ,                                                                 (5.30)

где  – ток дросселя в момент времени . Согласно принятым допущениям напряжения на входе  конвертора неизменно. Поэтому на интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.29) неизменно и (5.30) можно преобразовать к виду:

         .                                   (5.31)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по линейному закону и дроссель запасает энергию, т.к. энергия накопленная в дросселе: .

        

Пусть на интервале времени от  до  импульс управления отсутствует (временная диаграмма ). При этом электронный ключ  закрыт и дроссель отключен от общего провода. Ток дросселя замыкается по цепи: клемма 1 – дроссель L– диод VD – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод. Источником энергии в этом контуре является дроссель. Поскольку  энергия накопленная в дросселе  расходуется, то ток дросселя убывает. Напряжение на дросселе L, при условии нулевого падения напряжения на диоде :

         ,                                                                                    (5.32)

где  – напряжение на выходе конвертора. Поскольку рассматривается конвертор повышающего типа, то в установившемся режиме работы напряжение  на выходе конвертора больше напряжения  на входе. Поэтому  и полярность напряжения на дросселе соответствует указанной на рис.5.6 в скобках. В дросселе L возникает ЭДС самоиндукции, обеспечивающая поддержание прежнего направления тока через дроссель, и дроссель отдает энергию, накопленную на интервале времени от  до .

         Если по какой либо причине (короткое замыкание на выходе конвертора, интервал времени непосредственно после подключения первичного источника (пуск) и т.п.) напряжение на выходе конвертора  будет меньше входного, то напряжение  и полярность напряжения на дросселе L на интервале времени от  до  останется прежней, т.е. указанной на рис.5.5 без скобок. При этом продолжится рост тока дросселя и он будет накапливать энергию. Однако такой режим не является установившимся и он не рассматривается.

В рассматриваемом установившемся режиме на интервале времени от  до  ток дросселя спадает по закону:

         ,                                                                 (5.33)

где  – ток дросселя в момент времени . На интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.32) неизменно и (5.33) можно преобразовать к виду:

         .                      (5.34)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя спадает по линейному закону.

Из анализа временной диаграммы  и с учетом вышеизложенного видно, что накопление энергии в дросселе происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: , а расходование энергии дросселя происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: . Поскольку в установившемся режиме Вольт-секундные площади равны, то приравняв  и , и выполнив действия, аналогичные действиям при определении передаточной характеристики конвертора понижающего типа, получим регулировочную характеристику повышающего конвертора:

.                                                                                   (5.35)

В графическом виде регулировочная характеристика приведена на рис.5.7,а. В случае, когда элементы силовых цепей конвертора не являются идеальными и в них существуют потери энергии, то регулировочная характеристика конвертора отличается от определяемой (5.35). В частности при учете потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , регулировочная характеристика принимает вид:

         ,                                                             (5.36)

где ,  а  – сопротивление нагрузки. В графическом виде регулировочные характеристики, с учетом потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , приведены на рис.5.7,б.

Рис.5.7

Определим ток  конденсатора С. Применив первый закон Кирхгофа для верхнего правого узла схемы (рис.5.5) получим:

         ,                                                                                           (5.37)

где  и  – токи диода и нагрузки, соответственно. Поскольку на интервале времени от  до  диод  закрыт, то конденсатор С разряжается через резистор  нагрузки током:

         .                                                                            (5.38)

На интервале времени от  до  диод  открыт и его ток равен току дросселя, определяемому (5.34). Конденсатор С заряжается током:

         .                                                                (5.39)

Ток конденсатора  показан на соответствующей временной диаграмме (рис.5.6)

Разряд конденсатора С происходит в результате воздействия Ампер-секундной площади , а заряд – под воздействием воздействия Ампер-секундной площади .

Напряжение на конденсаторе С определяется аналогично определению напряжения на конденсаторе С у конвертора понижающего типа путем интегрирования тока конденсатора.

Определим переменную составляющую напряжения  на конденсаторе С без учета падения напряжения на его внутреннем активном сопротивлении , т.е на идеальном конденсаторе. Для чего из временной диаграммы  (рис.5.6), приравняв момент времени  к нулю и перенеся начало координат, получим временную диаграмму , приведенную на рис.5.8.

Рис.5.8

На этой диаграмме на интервале времени от  до  ток  конденсатора изменяется идентично току конденсатора на этом же интервале времени на диаграмме, приведенной на рис.5.6. Напряжение на идеальном конденсаторе определяется выражением:

.                                                                    (5.40)

Поскольку определяется только переменная составляющая напряжения , то напряжение  – есть некоторая константа, входящая в (5.40) и обеспечивающая равенство нулю среднего напряжения  на конденсаторе С.

Рассмотрим интервал от  до . На этом интервале времени ток  конденсатора определяется (5.38) и равен: .

С учетом вышеизложенного и выражения (5.38) преобразуем (5.40) к виду:

.            (5.41)

Таким образом на интервале от  до  переменная составляющая напряжения  имеет вид прямой линии (рис.5.4), проходящей через точку .

Рассмотрим интервал времени от  до . На этом интервале времени ток  конденсатора  (рис.5.8) имеет вид прямой спадающей линии, проходящей через точку .  Заменим эту линию суммой двух линий Л1 и Л2 (рис.5.8). Линия Л1 описывается выражением:

.                                                                                       (5.42)

Линия Л2 описывается выражением:

,                                                                                          (5.43)

где коэффициент  определяет угол наклона линии Л2. Поскольку на рассматриваемом интервале времени углы наклона линий описывающих токи дросселя и конденсатора равны (см. выражение (5.39) и рис.5.6), то с учетом выражения (5.34):

         .                                                                            (5.44)

Определим переменную составляющую напряжения  с учетом (5.42) и (5.43):

.    (5.45)

Таким образом на интервале времени от  до  (см. рис.5.8) переменная составляющая напряжения  является суммой возрастающей прямой линии (линия Л3) и спадающей ветви квадратичной параболы (линия Л4) с вершиной имеющей абсциссу . Спад ветви квадратичной параболы объясняется тем, что коэффициент .

Напряжение на идеальном конденсаторе С является суммой переменной  составляющей и средней  составляющей (рис.5.6):

.                                                                   (5.46)

         В случае, когда можно пренебречь падением напряжения на внутреннем активном сопротивлении  конденсатора С, т.е. можно считать конденсатор идеальным, напряжение на выходе конвертора равно напряжению на конденсаторе:  . При учете падения напряжения на внутреннем активном сопротивлении  конденсатора С, напряжение на выходе конвертора  равно сумме напряжений на конденсаторе С и внутреннем активном сопротивлении  (рис.5.6):

         .                                                                     (5.47)

         Поскольку средний ток конденсатора С равен нулю, то и падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении  равно нулю. Поэтому средние напряжения на выходе конвертора и конденсатора С равны

          .                                                                                  (5.48)

         Конденсатор  не является обязательным элементом силовой цепи повышающего конвертора, поскольку при отсутствии его в схеме  индуктивность проводов, соединяющих первичный источник энергии и конвертор, суммируется с индуктивностью дросселя L конвертора, не оказывая влияния на процесс коммутации электронного ключа K. Однако конденсатор  как правило используют в схеме, поскольку он исключает пульсацию тока первичного источника энергии, которая может быть нежелательной как для самого источника, так и для электронных устройств, расположенных вблизи конвертора, поскольку пульсация тока в проводах соединяющих первичный источник энергии и конвертор вызывает пульсацию электромагнитного поля, влияющую на работу электронных устройств.

5.1.3. Конвертор инвертирующего типа

         Схема силовой цепи конвертора инвертирующего типа приведена на рис.5.9. В ее состав входит электронный ключ , диод , дроссель , входной  и выходной  конденсаторы.

Рассмотрим процессы в силовой цепи конвертора при допущениях, принятых для схемы понижающего конвертора. Временные диаграммы, поясняющие работу конвертора, аналогичны временным диаграммам, поясняющим работу конвертора повышающего типа (рис.5.6) и отличаются от них тем, что временные диаграммы  и  расположены в отрицательной полуплоскости и инверсны (включая и ) диаграммам на рис.5.6.

         Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронного ключа K поступает импульс управления длительностью . При этом электронный ключ  открыт и существует ток в цепи: клемма 1– электронный ключ  – дроссель L  – общий провод. Диод  закрыт, поскольку на его аноде отрицательное напряжение, по величине равное , а его катод через открытый электронный ключ  подключен к клемме 1, напряжение на которой равно .

Напряжение на дросселе L имеет полярность, указанную на рис.5.9 без скобок, и с учетом нулевого падения напряжения на электронном ключе  равно:

         ,                                                                                              (5.49)

где  – напряжения на входе конвертора. На интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по закону:

         ,                                                                 (5.50)

где  – ток дросселя в момент времени . Согласно принятым допущениям напряжения на входе  конвертора неизменно. Поэтому на интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.49) неизменно и (5.50) можно преобразовать к виду:

         .                                   (5.51)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя возрастает по линейному закону и дроссель запасает энергию, т.к. энергия накопленная в дросселе: .

Пусть на интервале времени от  до  импульс управления отсутствует (временная диаграмма ). При этом электронный ключ  закрыт и дроссель отключен от клеммы 1. Ток дросселя не изменяет своего направления и замыкается по цепи: дроссель L – общий провод– параллельно включенные конденсатор С и резистор – диод VD. Источником энергии в этом контуре (цепи) является дроссель. Поскольку  энергия накопленная в дросселе  расходуется, то ток дросселя убывает. Напряжение на дросселе L, при условии нулевого падения напряжения на диоде :

         ,                                                                                         (5.52)

где  – напряжение на выходе конвертора. Поскольку рассматривается конвертор инвертирующего типа, то в установившемся режиме работы напряжение  на выходе конвертора имеет полярность, противоположную полярности напряжения  на входе. Поэтому полярность напряжения на дросселе соответствует указанной на рис.5.9 в скобках. В дросселе L возникает ЭДС самоиндукции, обеспечивающая поддержание прежнего направления тока через дроссель, и дроссель отдает энергию, накопленную на интервале времени от  до .

В рассматриваемом установившемся режиме на интервале времени от  до  ток дросселя спадает по закону:

         ,                                                                 (5.53)

где  – ток дросселя в момент времени . На интервале времени от  до , напряжение на дросселе , определяемое (5.52) неизменно и (5.53) можно преобразовать к виду:

         .                             (5.54)

Таким образом на интервале времени от  до  ток дросселя спадает по линейному закону.

Из анализа временной диаграммы  и с учетом вышеизложенного видно, что накопление энергии в дросселе происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: , а расходование энергии дросселя происходит при воздействии на него Вольт-секундной площади: . Поскольку в установившемся режиме Вольт-секундные площади равны, то приравняв  и , и выполнив действия, аналогичные действиям при определении передаточной характеристики конвертора понижающего типа, получим регулировочную характеристику повышающего конвертора:

.                                                                               (5.55)

В графическом виде регулировочная характеристика приведена на рис.5.10,а. В случае, когда элементы силовых цепей конвертора не являются идеальными и в них существуют потери энергии, то регулировочная характеристика конвертора отличается от определяемой (5.55). В частности при учете потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , регулировочная характеристика принимает вид:

         ,                                                             (5.56)

где ,  а  – сопротивление нагрузки. В графическом виде регулировочные характеристики, с учетом потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , приведены на рис.5.10,б.

Рис.5.10

Ток  и напряжение  на конденсаторе С, а также напряжение  на выходе конвертора определяются аналогично их определению при анализе процессов в повышающем конверторе.

         Конденсатор  является обязательным элементом силовой цепи инвертирующего конвертора и выполняет ту же функцию, что и в конверторе понижающего типа.

5.2 Преобразователи напряжения

        

         Преобразователи напряжения, выполненные с использованием полупроводниковых приборов отличаются большим разнообразием. Обобщенная структурная схема преобразователей приведена на рис.5.11. В ее состав входят: коммутатор (Ком.), выполненный с использованием электронных ключей (K) и диодов (VD), трансформатор (TV), выпрямитель (В) и фильтр (Ф), выполненный с использованием дросселя и конденсатора (LC-фильтр) или только конденсатора (C-фильтр). Коммутатор выполняет преобразование постоянного напряжения , поступающего на вход преобразователя в переменное напряжение некоторой частоты и амплитуды. Это переменное напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора TV, который обеспечивает изменение уровня напряжения (повышение или понижение). Выпрямитель В обеспечивает преобразование переменного напряжения в постоянное пульсирующее, а фильтр Ф сглаживает пульсации этого напряжения. Таким образом на выходе преобразователя, выполненного в соответствие со структурной схемой (рис.5.11), формируется постоянное напряжение , уровень которого отличается от входного напряжения. Следовательно такой преобразователь напряжения можно считать конвертором напряжения.

Рис.5.11

          Если из обобщенной структурной схемы преобразователя (рис.5.11) исключить выпрямитель и фильтр, то такой преобразователь будет осуществлять преобразование постоянного входного напряжения в переменное напряжение некоторой частоты и амплитуды. Такие преобразователи называются инверторами и будут рассмотрены в соответствующем разделе.

         В зависимости от устройства коммутатора и трансформатора, а также режима их работы различают двухтактные и однотактные преобразователи.

Если коммутатор содержит два поочередно коммутируемых электронных ключа и трансформатор с двумя первичными обмотками или коммутатор содержит две пары поочередно коммутируемых электронных ключей и трансформатор с одной первичной обмоткой, то такой преобразователь называют двухтактным. Исходя из того, что коммутация (включение и выключение) ключа является одним тактом работы схемы, видно, что в преобразователе, имеющем коммутатор с двумя (двумя парами) поочередно коммутируемыми электронными ключами период работы схемы включает поочередные коммутации первого и второго ключей, т.е. два такта.

 Если коммутатор содержит один (одну пару) электронный ключ, то такой преобразователь называют однотактным, поскольку в течение периода работы преобразователя происходит одна коммутация ключа – один такт.

         Двухтактные и однотактные преобразователи сложнее, чем рассмотренные выше понижающие, повышающие или инвертирующие конверторы и в сравнении с ними имеют более низкий КПД. Поэтому двухтактные и однотактные преобразователи применяются вместо конверторов, если требуется гальваническая развязка между входной и выходной цепями, которая обеспечивается за счет трансформатора. Кроме того двухтактные и однотактные преобразователи имеют больший КПД, в сравнении с конверторами, если выходное напряжение отличается от входного более чем в 4÷5 раз.

 

5.2.1. Двухтактный преобразователь напряжения

         Схема силовой цепи двухтактного преобразователя напряжения приведена на рис.5.12. В состав преобразователя входят: коммутатор, содержащий электронные ключи  –  и диоды  – , трансформатор TV, выпрямитель, содержащий диоды  – , фильтр, содержащий дроссель L, конденсатор С. Кроме того в состав преобразователя входит замыкающий диод  и конденсатор входного фильтра .

Рис.5.12

         Рассмотрим работу двухтактного преобразователя напряжения при использовании допущений, принятых при анализе конвертора понижающего типа.

Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя, приведены на рис.5.13. Пусть на интервале времени от  до  на управляющие входы электронных ключей  и  поступают импульсы управления длительностью . При этом электронные ключи  и  открыты и существует ток в цепи: клемма 1 – электронный ключ  – обмотка  трансформатора TV – электронный ключ  – клемма 2. Напряжение  на первичной обмотке  трансформатора TV имеет полярность, указанную на рис.5.12 без скобок. Поскольку полярность напряжения на одноименных выводах (отмечены на рис.5.12 точками) первичной и вторичной (вторичных) обмоток трансформатора одинакова, то полярность напряжения на вторичной обмотке  трансформатора TV также имеет полярность, указанную на рис.5.12 без скобок.

Рис.5.13

На рис.5.14,а и рис.5.14,б приведены, соответственно, схема замещения и линия намагничивания сердечника трансформатора TV преобразователя. На схеме замещения (рис.5.14,а) отражены:  и  – активное сопротивление и индуктивность первичной обмотки трансформатора,  и  – приведенные к первичной цепи активное сопротивление и индуктивность первичной обмотки трансформатора, где  – коэффициент трансформации, а  и  –  числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно и  и  – активное сопротивление учитывающее потери энергии в сердечнике трансформатора и индуктивность намагничивания.

На интервале времени от  до  рабочая точка (см. рис.5.14,б) перемещается вдоль линии намагничивания от точки 1 до точки 2, а индукция изменяется от остаточной  до близкой к максимальной . Напряжение на вторичной обмотке  определяется:

.                                                                                  (5.57)

Согласно принятым допущениям электронные ключи и диоды являются идеальными элементами и имеют нулевое сопротивление в проводящем состоянии. Поэтому напряжение на первичной обмотке трансформатора и выражение (5.57) можно записать в виде:

         .                                                                (5.58)

На интервале времени от  до  ток вторичной обмотки  трансформатора TV проходит по цепи: обмотка – диод  – дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод – диод . С учетом (5.58) и нулевого падения напряжения на диодах  и , напряжение на входе -фильтра:

.                                                                          (5.59)

Таким образом на интервале времени от  до  напряжение на дросселе:

         ,                                                                        (5.60)

где  и  – напряжения на входе и выходе преобразователя.

         На интервале времени от  до  импульсы управления отсутствуют (временные диаграммы  –  ). При этом все электронные ключи  закрыты. В индуктивности рассеяния первичной обмотки  трансформатора TV возникает ЭДС самоиндукции, обеспечивающая поддержание прежнего направления тока через обмотку (см. схему замещения трансформатора TV, приведенную на рис.5.14,а). При этом полярность напряжения на первичной обмотке из-за возникновения ЭДС самоиндукции изменяется на указанную на  рис.5.12 в скобках и энергия, накопленная на интервале времени  от  до , возвращается (рекуперируется) в первичный источник. При этом возникает ток в контуре: обмотка  трансформатора TV – диод VD₁ –  клемма 1 –первичный источник – клемма 2 – диод VD₂. Источником энергии в этом контуре является индуктивность рассеяния  первичной обмотки трансформатора. Ток в указанном выше контуре появляется сразу после момента коммутации  и существует кратковременно. На временных диаграмма (рис.5.13) он не показан.

         На интервале времени от  до  диоды  –  закрыты.  Ток дросселя проходит по цепи: дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод – диод . Источником энергии в этом контуре является дроссель. Поскольку  энергия накопленная в дросселе  расходуется, то ток дросселя убывает. На интервале времени от  до  диод  открывается и обеспечивает замыкание вышеуказанной цепи. Процессы в -фильтре и диоде  аналогичны процессам в понижающем конверторе а напряжение на дросселе:

         ,                                                                                          (5.61)

где  – напряжения на входе и выходе преобразователя.

         Из проведенного выше анализа следует, что в рассматриваемой схеме процессы в -фильтре, диоде  и нагрузке аналогичны процессам в -фильтре, диоде  и нагрузке понижающего конвертора и отличаются только тем, что на интервале времени от  до  на вход -фильтра преобразователя воздействует напряжение , а на вход -фильтра конвертора – напряжение . Поэтому заменив в выражении (5.10), определяющем регулировочную характеристику понижающего конвертора  на , получим регулировочную характеристику двухтактного преобразователя:

         .                                                        (5.62)

         При учете потерь энергии на внутреннем активном сопротивлении дросселя , регулировочная характеристика принимает вид:

          .                                                                        (5.63)

         Временные диаграммы тока  дросселя  и тока  конденсатора  преобразователя совпадают с временными диаграммами токов дросселя и  конденсатора понижающего конвертора и приведены на соответствующих временных диаграммах (рис.5.13). Временные диаграммы напряжения  на конденсаторе С и напряжения  на выходе преобразователя также совпадают с временными диаграммами напряжения  на конденсаторе С и напряжения  на выходе понижающего конвертора, но на  временных диаграммах (рис.5.13) не показаны.  

 

5.2.2. Однотактный преобразователь напряжения

         Схема силовой цепи однотактного преобразователя напряжения приведена на рис.5.15. В состав преобразователя входят: коммутатор, содержащий электронный ключ  и диод , трансформатор TV, выпрямитель, содержащий диод , фильтр, содержащий дроссель L и конденсатор С. Кроме того в состав преобразователя входит замыкающий диод  и конденсатор входного фильтра .

Рис.5.15

Рассмотрим работу однотактного преобразователя напряжения при использовании допущений, принятых при анализе конвертора понижающего типа.

Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя, приведены аналогичны приведенным на рис.5.13. Отличие состоит в том что период T работы однотактного преобразователя напряжения соответствует временному интервалу времени от  до .  Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронного ключа  поступает импульс управления длительностью . При этом электронный ключ  открыт и существует ток в цепи: клемма 1  – обмотка  трансформатора TV – электронный ключ  – клемма 2. Напряжение  на первичной обмотке  трансформатора TV имеет полярность, указанную на рис.5.16 без скобок. Поскольку полярность напряжения на одноименных выводах обмоток (отмечены на рис.5.16 точками) трансформатора одинакова, то полярность напряжения на вторичной обмотке  и обмотке размагничивания  трансформатора TV также имеет полярность, указанную на рис.5.16 без скобок.

Под воздействием напряжения на обмотке  диод  открыт, а диод  закрыт и ток проходит по цепи: обмотка  трансформатора TV – диод – дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод. Напряжение  на входе -фильтра определяется выражением (5.59). Процессы изменения токов и напряжений на элементах -фильтра и нагрузке соответствуют процессам в двухтактном преобразователе. Под воздействием напряжения на обмотке  диод  закрыт. Рабочая точка перемещается по частному циклу линии намагничивания (рис.5.14,б) от точки 3 к точке 2, а индукция изменяется от остаточной  до близкой к максимальной .

На интервале времени от  до  импульс управления отсутствует. При этом электронные ключ закрыты. В индуктивностях рассеяния и намагничивания трансформатора TV возникает ЭДС самоиндукции, обеспечивающая поддержание прежнего направления тока через обмотку  (см. схему замещения трансформатора TV, приведенную на рис.5.14,а). При этом полярность напряжения на всех обмотках трансформатора из-за возникновения ЭДС самоиндукции изменяется на указанную на рис.5.16 в скобках. Диод  закрывается, а диод  открывантся и энергия, накопленная в индуктивности намагничивания (магнитном поле) на интервале времени от  до , возвращается (рекуперируется) в первичный источник. При этом возникает ток в контуре: обмотка  трансформатора TV–  клемма 1 –первичный источник – клемма 2– общий провод – диод VD₁. Источником энергии в этом контуре является обмотка  трансформатора. Ток в указанном выше контуре появляется сразу после момента коммутации  и существует кратковременно. На временных диаграмма (рис.5.13) он не показан. При этом рабочая точка перемещается по частному циклу линии намагничивания трансформатора (рис.5.14,б) от точки 2 к точке 3.

         На интервале времени от  до  диод  закрыт, ток дросселя проходит по цепи: дроссель L – параллельно включенные конденсатор С и резистор  – общий провод – диод . Источником энергии в этом контуре является дроссель. Поскольку энергия накопленная в дросселе  расходуется, то ток дросселя убывает. На интервале времени от  до  диод  открывается и обеспечивает замыкание вышеуказанной цепи. Процессы в -фильтре и диоде  аналогичны процессам в понижающем конверторе и двухтактном преобразователе, а напряжение на дросселе определяется (5.61).

         Из проведенного выше анализа следует, что в рассматриваемой схеме напряжение на дросселе на интервалах времени от  до  и от  до  определяется выражениями (5.60) и (5.61), полученными для двухтактного преобразователя. Поэтому регулировочные характеристики однотактного преобразователя совпадают с регулировочными характеристиками двухтактного преобразователя и определяются (5.62) и (5.63).

         Временные диаграммы тока  дросселя  и тока  конденсатора  преобразователя, напряжения  на конденсаторе С и напряжения  на выходе преобразователя совпадают с временными диаграммами токов дросселя и конденсатора понижающего конвертора.

5.3 Устройства управления импульсными стабилизаторами напряжения.

Конверторы – преобразователи постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, как правило применяются для стабилизации напряжения на нагрузке. Поэтому в состав такого импульсного стабилизатора напряжения (ИСН), кроме силовой цепи конвертора, входит устройство управления, которое изменяет коэффициент заполнения импульсов управления электронным ключом силовой цепи конвертора, обеспечивая требуемое стабильное напряжение на нагрузке (выходе ИСН).

5.3.1. Основные электрические параметры ИСН

         Импульсные стабилизаторы напряжения характеризуются рядом электрических, эксплуатационных и массогабаритных параметров. Рассмотрим основные электрические параметры ИСН, которые обеспечиваются устройством управления ИСН или влияют на его структуру и параметры входящих в него элементов. Электрические параметры ИСН подразделяются на статические, измеряемые при медленном изменении времени возмущающих (приводящих к нестабильности выходного напряжения) факторов (входного напряжения, тока нагрузки, температуры и т.п.) и динамические, измеряемые при быстром изменении во времени возмущающих факторов, например при ступенчатом изменении тока нагрузки.

         К основным статическим параметрам ИСН относятся:

1.      Номинальное выходное напряжение ИСН:  

           (В);

2.      Верхний и нижний допустимые пределы его изменения:

 и    (В);

3.      Верхний и нижний допустимые пределы изменения входного напряжения:

 и    (В);

4.      Максимальный и минимальный допустимые токи нагрузки:

         и    (А);

5.      Коэффициент нестабильности по напряжению   (%), который определяется при заданных приращении входного напряжения  и постоянных токе нагрузки  и температуре :

         ;

6.      Коэффициент нестабильности по напряжению   (%), который определяется при заданных приращении выходного тока  и постоянных входном напряжении  и температуре :

         ;

7.      Коэффициент нестабильности по температуре  (%), который определяется при заданных приращении температуры  и постоянных входном напряжении  и токе нагрузки ;

         ;

8.      Допустимая амплитуда переменной составляющей (пульсации) напряжения на выходе ИСН:

           (В);

        

К основным динамическим параметрам ИСН относятся:

1.      Длительность переходного процесса, которая определяется как время с момента появления ступенчатого возмущающего воздействия с заданным уровнем ( или ) до момента возврата выходного напряжения к стабильному значению:

              (с);

2.      Амплитуда отклонения выходного напряжения вызванная возмущающего воздействием с заданным уровнем ( или ):

            (В).

5.3.2. Способы формирования сигнала управления электронным ключом

         Импульсные стабилизаторы напряжения с позиции теории систем с автоматическим управлением следует отнести к системам стабилизации. В ИСН применяются три известных принципа регулирования (стабилизации):

- регулирование по отклонению выходной величины;

- регулирование по возмущению;

- комбинированное регулирование (по отклонению и возмущению).

         Наиболее часто применяется регулирование по отклонению выходной величины, поскольку оно, как правило, позволяет обеспечить требуемую стабильность выходного напряжения при всех возмущающих воздействиях. Отклонение выходной величины – выходного напряжения  от задающего воздействия  называют сигналом рассогласования по напряжению:

         ,                                                                                (5.64)

где  – опорное напряжение (задающее воздействие).

В случае, когда к ИСН предъявляются повышенные требования к стабильности выходного напряжения в статических и динамических режимах работы, применяют комбинированное регулирование по отклонению и по возмущению. Например, при значительных изменениях входного напряжения применяют комбинированное регулирование по отклонению и по возмущению со стороны входного питающего напряжения. Уменьшение отклонения выходного напряжения в этом случае объясняется тем, что регулирование коэффициента заполнения импульсов управления электронным ключом начинается сразу после изменения питающего напряжения, т.е. еще до появления отклонения выходного напряжения.

Регулирование только по возмущению применяется редко, т.к. как правило не позволяет обеспечить требуемую стабильность выходного напряжения.   

         В ИСН в основном применяются три способа формирования импульсного сигнала управления электронным ключом конвертора. Это:

- релейный способ управления (РСУ);

- широтно-импульсная модуляция (ШИМ);

- частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

         Рассмотрим способы формирования импульсного сигнала управления электронным ключом конвертора при использовании в ИСН принципа регулирования по отклонению выходной величины.

         При РСУ формирование переднего и заднего фронтов импульса управления происходит в моменты равенства выходного напряжения или сигнала рассогласования по напряжению порогам срабатывания и отпускания релейного элемента в качестве которого применяется триггер Шмитта. Устройство управления ИСН, в котором используется РСУ, отличается простотой исполнения. Существенным недостатком РСУ является изменение частоты переключения электронного ключа конвертора, что приводит либо к росту амплитуды пульсации выходного напряжения, либо к снижению КПД стабилизатора при высокой частоте переключения из-за потерь энергии на интервалах переключения электронного ключа, т.е. из-за так называемых динамических потерь.

         При ШИМ период следования импульсов управления электронным ключом остается неизменным, а их коэффициент заполнения определяется величиной сигнала рассогласования по напряжению. Устройство управления ИСН, в котором используется ШИМ, несколько сложнее устройства управления, обеспечивающего РСУ. Однако при ШИМ обеспечивается стабильная частота переключения электронного ключа конвертора, которая позволяет обеспечить допустимую амплитуды пульсации выходного напряжения и приемлемый КПД стабилизатора. Поэтому устройства управления ИСН с ШИМ находят наибольшее распространение.

         При ЧИМ длительность импульсов управления электронным ключом остается неизменной, а их период их следования изменяется, что пиводит к изменению коэффициента заполнения и позволяет стабилизировать выходное напряжение. Устройство управления ИСН, в котором используется ЧИМ, отличается большой сложностью, а изменение периода следования импульсов управления (частоты переключения электронного ключа) приводит к тем же нежелательным последствиям, что и при РСУ. Поэтому ЧИМ применяется в ИСН очень редко.

5.3.3. ИСН с релейным управлением

         Функциональная схема простейшего ИСН с РСУ приведена на рис.5.17. В ее состав входит силовая цепь конвертора понижающего типа, делитель напряжения (Д), выполненный на резисторах  и , коммутатор (Kм), триггер Шмитта (ТШ), усилитель мощности (УМ).

Делитель напряжения имеет коэффициент передачи (см. раздел 2):

         .                                                                                   (5.65)

Триггер Шмита имеет существенно несимметричную передаточную характеристику, приведенную на рис.5.18. Усилитель мощности обеспечивает усиление выходного сигнала ТШ до уровня, обеспечивающего коммутацию электронного ключа K.

Рис.5.18

Рассмотрим работу ИСН при нахождении переключателя коммутатора Kм в положении 1. Временные диаграммы, поясняющие работу ИСН, приведены на рис.5.19. Пусть в момент времени  напряжение  на выходе ТШ имеет высокий уровень, т.е. “1”. При этом сигнал управления  на выходе УМ также имеет высокий уровень и электронный ключ K включен. Ток  дросселя L больше своего среднего значения. Следовательно напряжение  на выходе ИСН возрастает и в момент времени  становится равным порогу срабатывания  триггера Шмитта. Поэтому в момент времени  ТШ переключается и на его выходе появляется низкий уровень напряжения, т.е. “0”. При этом сигнал управления  на выходе УМ также принимает низкий уровень и электронный ключ K выключается. Ток  дросселя L начинает спадать, но до момента времени  остается больше своего среднего значения и поэтому до момента времени  напряжение на выходе ИСН продолжает возрастать.

Рис.5.19

В момент времени  спадающий ток  дросселя L становится равным свому среднему значению, т.е. току  нагрузки. Следовательно после  момента времени  ток  дросселя становится меньше своего среднего значения и напряжение на выходе ИСН начинает убывать. В момент времени  напряжение  на выходе ИСН становится равным порогу отпускания  триггера Шмитта. Поэтому в момент времени  ТШ переключается и на его выходе появляется высокий уровень напряжения, т.е. “1”. При этом сигнал управления  на выходе УМ также принимает высокий уровень и электронный ключ K включается. Ток  дросселя L начинает возрастать и в момент времени  достигает порога срабатывания ТШ. Далее процессы в схеме повторяются и соответствуют рассмотренным выше.

Таким образом выходное напряжение  ИСН совершает колебания с некоторой частотой и амплитудой относительно некоторого среднего уровня напряжения:

 .                                                                   (5.66)

Частота и амплитуда колебаний зависит от уровней входного  и выходного  напряжений ИСН, индуктивности L дросселя, емкости С конденсатора фильтра и тока нагрузки. Например, при снижении тока  нагрузки в момент времени  происходит уменьшение тока, разряжающего конденсатор С, и, следовательно, время снижения выходного напряжения  до уровня отпускания  триггера Шмита увеличивается. Высокий уровень напряжения на выходе ТШ появляется только в момент времени (пунктирные линии  и  на рис.5.18). При этом изменяет период работы ИСН и амплитуда колебаний выходного напряжения.

Если переключатель коммутатора Kм перевести в положение 2, то входной сигнал ТШ:

,                                                                                  (5.67)

где  – коэффициент передачи делителя, определяемый (5.64). При этом входной сигнал ТШ будет изменяться аналогично выходному напряжению ИСН при нахождении переключателя коммутатора Kм в положении 1, т.е. входной сигнал ТШ будет стабилизироваться на уровне:

         ,                                                                                       (5.68)

где  – среднее напряжение, определяемое (5.66). Подставив (5.68) в (5.67) и выполнив преобразования, получим:

         .                                                              (5.69)

Поскольку , то , т.е. напряжение на выходе ИСН с делителем выходного напряжения больше, чем напряжение на выходе ИСН без делителя. Следовательно делитель напряжения позволяет обеспечить стабилизацию выходного напряжения ИСН, в случае, когда оно превышает возможные допустимые значения напряжений срабатывания и отпускания триггера Шмитта. Если вместо одного из резисторов делителя Д использовать потенциометр, то появляется возможность изменять коэффициент передачи делителя, а значит производить настройку уровня выходного напряжения.

         Основной недостаток ИСН с РСУ (рис.5.17) состоит в том, что в нем используется ТШ с существенно несимметричной передаточной характеристикой (рис.5.18). Например, для получения выходного напряжения  В, и амплитуды пульсации выходного напряжения  В,

пороги срабатывания  и отпускания  триггера Шмита, в соответствие с (5.66), ориентировочно составят:  В и  В. Требуемая точность и стабильность поддержания заданного уровня напряжения на выходе ИСН полностью зависит от точности и стабильности поддержания порогов срабатывания  и отпускания  триггера Шмитта. Такой прецизионный триггер Шмита с существенно несимметричной передаточной характеристикой технически сложно осуществить. Поэтому применение находят более простые технические решения, в частности такие, где используется усилитель сигнала рассогласования по напряжению.

5.3.4. ИСН с релейным управлением и усилителем сигнала рассогласования

         Функциональная схема ИСН с РСУ и усилителем сигнала рассогласования по напряжению приведена на рис.5.20. В ее состав входит силовая цепь конвертора понижающего типа, триггер Шмитта, усилитель мощности, сумматор (С), источник опорного напряжения (ИОН), и усилитель сигнала рассогласования (УСР).

Триггер Шмита, входящий в схему, имеет симметричную передаточную характеристику, приведенную на рис.5.21, и к стабильности его порогов срабатывания и отпускания не предъявляются повышенные требования. Поскольку стабильность выходного напряжения определяется стабильностью напряжения  на выходе ИОН.

Рис.5.21

Рассмотрим процессы в ИСН на конкретном примере, используя те же значения уровня выходного напряжения  В, и амплитуды пульсации выходного напряжения  В, которые использовались в ранее рассмотренной схеме. Временные диаграммы, поясняющие процессы в устройстве управления ИСН приведены на рис.5.22.

 Рис.5.22.

При использовании ИОН с выходным напряжением  В, сигнал рассогласования, определяемый (5.64) как , будет иметь вид, приведенный на соответствующей диаграмме (рис.5.22). При использовании в качестве УСР усилителя с коэффициентом усиления  и триггера Шмитта с порогами срабатывания  В и отпускания  В, получим, что входной сигнал ТШ:  , будет колебаться в диапазоне от 2 В до  В (см. рис.5.22), пересекая уровни напряжения, соответствующие порогам срабатывания  В и отпускания  ТШ в моменты времени ,, и т.д., соответствующие моментам переключения ТШ. Таким образом все элементы устройства управления работают согласованно. Некоторая нестабильность порогов срабатывания и отпускания (ТШ), при условии что передаточная характеристика остается симметричной, не повлияет на уровень стабилизируемого напряжения, повлияет только на амплитуду пульсации выходного напряжения. Стабильность уровня стабилизируемого напряжения зависит только от стабильности напряжения  на выходе ИОН, которая обеспечивается использованием прецизионного стабилитрона в составе ИОН.

         При необходимости изменения или настройки уровня выходного напряжения ИСН в нем также может применяться делитель напряжения.

5.3.5. ИСН с широтно-импульсной модуляцией

Функциональная схема ИСН с широтно-импульсной модуляцией приведена на рис.5.23. Она по составу отличается от ИСН с релейным управлением и УСР только тем, что в ней триггер Шмитта заменен на широтно-импульсный модулятор, состоящий из компаратора (K), генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и задающего генератора (ЗГ).

        

Рис.5.23

Рассмотрим процессы в ИСН с ШИМ. Временные диаграммы, поясняющие процессы в ИСН с ШИМ приведены на рис.5.24

Пусть до момента времени  входное напряжение ИСН неизменно и равно . При этом ИСН работает в установившемся режиме. На управляющий вход электронного ключа K поступают импульсы управления, коэффициент заполнения которых:

,                                                                                  (5.70)

где  – установившаяся длительность импульсов управления при входном напряжении  ИСН . Напряжение  на выходе ИСН отличается от опорного напряжения  на некоторую величину , определяемую аналогично (5.64):

,                                                                                        (5.71)

где  – напряжение на выходе ИСН до момента времени . Входной сигнал ШИМ, при котором обеспечивается коэффициент заполнения , определяется:

         ,                                                                                          (5.72)

где  – коэффициент усиления УСР.

         Пусть в момент времени  входное напряжение ИСН ступенчато изменяется и принимает значение . Поскольку сразу после момента времени  коэффициент заполнения  существенно не изменяется, то с учетом регулировочной характеристики силовой цепи конвертора понижающего типа (), напряжение на выходе начинает увеличиваться. При этом увеличивается сигнал рассогласования, а коэффициент заполнения  уменьшается. В момент времени  переходный процесс заканчивается и наступает новый установившийся режим при котором коэффициент заполнения импульсов управления:

,                                                                                  (5.73)

где  – установившаяся длительность импульсов управления при входном напряжении ИСН . Напряжение  на выходе ИСН отличается от опорного напряжения  на некоторую величину

.                                                                                        (5.74)

Входной сигнал ШИМ, при котором обеспечивается коэффициент заполнения ,  определяется:

         ,                                                                                          (5.75)

где  – коэффициент усиления УСР.

         Таким образом стабилизация выходного напряжения при новом входном напряжении  потребовала приращения входного сигнала ШИМ:

         ,                                   (5.76)

и, соответственно, приращения сигнала рассогласования . Вычитая из (5.74) выражение (5.71), получим:

         ,                                                                      (5.77)

т.е. приращения сигнала рассогласования и выходного напряжения ИСН равны. Из анализа (5.76) видно, что при неизменном приращении входного напряжения ШИМ, необходимом для перехода от коэффициента заполнения  к , уменьшение приращения сигнала рассогласования , а следовательно и выходного напряжения можно обеспечить за счет увеличения коэффициента усиления УСР – .

         Однако при больших коэффициентах усиления  ИСН может стать неустойчивым. Для обеспечения устойчивости ИСН осуществляется частотная коррекция усилительных свойств УСР.

5.5 Инверторы

Инверторы – преобразователи постоянного напряжения (тока) одного уровня в переменное напряжение (ток) того же или другого уровня с фиксированной или изменяющейся частотой.

Инверторы подразделяют на:

-инверторы напряжения;

-инверторы тока;

-резонансные инверторы.

5.5.1. Однофазный инвертор напряжения

         Схема силовой цепи однофазного инвертора напряжения приведена на рис.5.40. В ее состав входят четыре электронных ключа  – , четыре диода – , входной конденсатор . Нагрузка инвертора подключается к выходным клеммам а₁ – а₂. Нагрузка инвертора может быть активной (рис.5.41,а), активно-индуктивной (рис.5.41,б). Для изменения уровня напряжения на нагрузке она может подключаться к выходным клеммам инвертора через трансформатор TV (рис.5.41,в). 

Рис.5.40

Рис.5.41

Рассмотрим процессы в силовой цепи инвертора при следующих допущениях:

1. Элементы силовых цепей (электронные ключи  – , диоды – , входной конденсатор . идеальны и потери энергии в них отсутствуют;

2. Напряжение на входе  инвертора, период  и коэффициент заполнения  импульсов управления  и  силовыми ключами неизменны. Процессы в силовых цепях носят установившийся периодический характер. Это означает, что через период  работы значения токов и напряжения на элементах схемы повторяются;

3. Пульсацией напряжения на входе инвертора можно пренебречь;

4. Электронные ключи  –  имеют одностороннюю проводимость.

Рассмотрим работу инвертора при активной нагрузке. На рис.5.42 приведены временные диаграммы, поясняющие работу инвертора при активной нагрузке.

Рис.5.42

         Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронных ключей  и  поступает импульс управления  длительностью , где  – период работы инвертора. При этом электронные ключи  и  открыты (открыты для прохождения тока) и существует ток в цепи: клемма 1 – электронный ключ  – клемма а₂ – нагрузка Н () – клемма а₁ – электронный ключ  – общий провод (клемма 2). Напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис.5.41,а без скобок, и с учетом нулевого падения напряжения на электронных ключах  и  равно:

         ,                                                                                            (5.101)

где  – напряжения на входе инвертора.

         На интервале времени от  до  на управляющих входах электронных ключей  и  импульс управления  отсутствует и ключи закрыты (находятся в непроводящем состоянии). На управляющие входы электронных ключей  и  поступает импульс управления  (см. рис.5.42) длительностью . При этом электронные ключи  и  открыты и существует ток в цепи: клемма 1 – электронный ключ  – клемма а₁ – нагрузка Н ()– клемма а₂ – электронный ключ  – общий провод (клемма 2). Напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис.5.41,а в скобках, и с учетом нулевого падения напряжения на электронных ключах  и  равно:

         ,                                                                                            (5.102)

где  – напряжения на входе инвертора.

         При активной нагрузке инвертора диоды –  не выполняют каких либо функций. Изменение амплитуды напряжения на нагрузке достигается за счет соответствующего изменения входного напряжения инвертора, а изменение частоты выходного напряжения  достигается за счет изменения частоты следования импульсов управления  и  силовыми ключами.

         Ток  нагрузки, при ее активном характере, по форме совпадает с напряжением  на нагрузке и по величине равен:

         , где  – сопротивление нагрузки.

Рассмотрим работу инвертора при активно-индуктивной нагрузке. На рис.5.43 приведены временные диаграммы, поясняющие работу инвертора при активно-индуктивной нагрузке.

         Пусть на интервале времени от  до  на управляющий вход электронных ключей  и  поступает импульс управления  длительностью , где  – период работы инвертора. При этом электронные ключи  и  открыты. Продолжим рассмотрение процессов с момента времени . На интервале времени от  до   существует ток в цепи: клемма 1 – электронный ключ  – клемма а₂ – нагрузка Н () – клемма а₁ – электронный ключ  – общий провод (клемма 2). Напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис.5.41,б без скобок, и с учетом нулевого падения напряжения на электронных ключах  и  равно:

         ,                                                                                            (5.101)

где  – напряжения на входе инвертора.

         Поскольку рассматриваемая цепь содержит индуктивность , то ток в цепи нарастает по экспоненциальной зависимости:

         ,                                                                            (5.102)

где  – постоянная времени нагрузки.

         На интервале времени от  до  на управляющих входах электронных ключей  и  импульс управления  отсутствует и ключи закрыты (находятся в непроводящем состоянии). На управляющие входы электронных ключей  и  поступает импульс управления  (см. рис.5.43) длительностью  и электронные ключи  и  на интервале времени от  до  открыты.

         В момент времени , при закрывании электронных ключей  и , в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, полярность которой на рис. 5.41,б и на рис.5.40 указана в скобках. Эта ЭДС стремится поддержать прежнее направление тока в цепи нагрузки. Поскольку с учетом принятого допущения электронные ключи  –  имеют одностороннюю проводимость и не могут проводить ток в направлении клеммы 1, то в проводящее состояние переходят диоды  и , обеспечивая прохождение тока нагрузки по цепи: : нагрузка Н () – клемма а₁ – диод – клемма 1 – первичный источник энергии – клемма 2– диод – клемма а₂. Источником энергии в этом контуре является индуктивность нагрузки, т.к ток направлен от клеммы а₁, имеющей более высокий потенциал, к клемме а₂, имеющей более низкий потенциал. Первичный источник энергии является потребителем энергии, поскольку ток направлен к его полюсу, имеющему положительный потенциал. Рассматриваемое явление возврата части энергии, аккумулированной в индуктивности нагрузки в первичный источник, называется рекуперацией энергии.

         Поскольку индуктивность нагрузки отдает накопленную энергию, то ток нагрузки спадает по закону, аналогичному (5.102), и в момент времени  ток нагрузки становится равным нулю. Рекуперация энергии закончилась и диоды  и  переходят в закрытое состояние. На интервале времени от  до  ток дросселя замыкается по цепи: клемма 1 – электронный ключ  – клемма а₁ – нагрузка Н () – клемма а₂ – электронный ключ  – общий провод (клемма 2). Напряжение на нагрузке имеет полярность, указанную на рис.5.41,б в скобках, и с учетом нулевого падения напряжения на электронных ключах  и  равно:

         ,                                                                                            (5.103)

где  – напряжения на входе инвертора.

         Поскольку рассматриваемая цепь содержит индуктивность , то ток в цепи нарастает по экспоненциальной зависимости:

         ,                                                                        (5.104)

где  – постоянная времени нагрузки. Таким образом ток нагрузки изменил направление на противоположное и возрастает, т.е. индуктивность нагрузки накапливает энергию.

         В момент времени  изменяются уровни импульсов управления. Электронные ключи  и  закрываются, а   и  открываются. В силу односторонней проводимости электронных ключей  и  ток дросселя, не изменяющий своего направления на интервале времени от  до  замыкается через открывшиеся диоды  и , и энергия, накопленная в индуктивности нагрузки частично рекуперируется в первичный источник. Частичная рекуперация энергии объясняется тем, что ее часть теряется на активном сопротивлении нагрузки.

            В случае, если первичный источник энергии не обладает способностью аккумулировать энергию, например, при питании инвертора от выпрямителя, то рекуперируемая энергия аккумулируется входным конденсатором .

5.5.2. Трехфазный инвертор напряжения

         Схема силовой цепи трехфазного инвертора напряжения приведена на рис.5.44. В ее состав входят шесть электронных ключей  – , шесть диодов  – , входной конденсатор . Нагрузка инвертора подключается к выходным клеммам а₁ – а₂. Нагрузка инвертора подключается к выходным клеммам (фазам) А, В, С и может носить активный или активно-индуктивный характер. Сопротивления фаз нагрузки могут быть соеденены в треугольник или звезду. На рис.5.44 показан вариант соединения фаз нагрузки в звезду. Для изменения величины напряжения на фазах нагрузки возможно подключение нагрузки через трехфазный трансформатор.

Рассмотрим процессы в силовой цепи трехфазного инвертора при допущениях, использованных при рассмотрении процессов в однофазном инверторе. Возможны различные алгоритмы коммутации электронных ключей инвертора. Наиболее часто используется так называемое 180-градусное управление, при котором каждый из электронных ключей инвертора находится в проводящем состоянии половину периода, т.е 180 градусов, и одновременно в проводящем состоянии находятся три электронных ключа. Для рассмотрения процессов в инверторе используем угловые диаграммы, на которых по оси абсцисс откладывается угол, составляющий часть периода работы инвертора, равного 360 градусов. Угловые диаграммы для трехфазного инвертора и при 180-градусном управлении приведены на рис.5.45. Рассмотрен случай, когда нагрузка инвертора симметрична, т.е. сопротивления фаз нагрузки одинаковы по модулю и значению: .

Рис.5.45

         На интервале от  до  (интервал 1) управляющие сигналы ,  и  имеют высокий уровень. Поэтому электронные ключи ,  и  находятся в проводящем состоянии. Схема замещения инвертора и нагрузки на рассматриваемом интервале приведена на рис.5.46,а. Электронные ключи ,  и  на ней не показаны, поскольку, с учетом принятого допущения об идеальности электронных ключей, в проводящем состоянии они являются проводником. Токи через фазы нагрузки проходит от клеммы 1 к клемме 2 в направлениях, указанных стрелками на рис.5.46,а.

а.                                             б.                                                   в.

                                        Рис.5.46.

         Из анализа схемы замещения следует, что линейные напряжения:

В лекции "Расширение масштабов Второй мировой войны" также много полезной информации.

         ,           ,            ,                                      (5.105)

а фазные напряжения: 

         ,        ,          .                             (5.106)

Амплитуда ступеней фазного напряжения в   и  от напряжения  на входе инвертора объясняется тем, что при симметричной нагрузке сопротивление параллельно включенных фаз будет в два раза меньше, чем сопротивление одной фазы, а, следовательно, при общем токе падение напряжения на параллельно включенных сопротивлениях фаз будет в два реза меньше, чем на сопротивлении фазы. Например для интервала 1 падение напряжения на параллельно включенных фазах А и С составит  , т.е. половину от падения напряжения  на фазе В. В сумме падение напряжения составит: , т.е. равно входному напряжению.

На каждом последующем интервале ( ÷ , ÷  и т.д.) в результате смены сигналов управления (см. рис.5.45) происходит коммутация двух (включение одного и выключение другого) электронных ключей и для каждого интервала с учетом состояния электронных ключей может быть получена схема замещения. Например временным интервалам 2 и 3 (см. рис.5.45) соответствуют схемы замещения инвертора и нагрузки, приведенные на рис.5.46,б и 5.46,в. С учетом схем замещения линейные и фазные напряжения определяются аналогично линейным и фазным напряжениям на интервале 1. В графическом виде они показаны на рис.5.45.

Диоды  –  выполняют функции, аналогичные функциям диодов  –  в однофазном инверторе напряжения. При активно-индуктивной нагрузке они обеспечивают рекуперацию в первичный источник части энергии, накопленной в индуктивности. В случае, если первичный источник энергии не обладает способностью аккумулировать энергию, например, при питании инвертора от выпрямителя, то рекуперируемая энергия аккумулируется входным конденсатором .