Лекция. Лекция 15 Источники вторичного питания. Лекция 15 Источники вторичного питания 15. 1 Электронные выпрямители, сглаживающие фильтры

• Название: Лекция 15 Источники вторичного питания 15. 1 Электронные выпрямители, сглаживающие фильтры
• Анкор: Лекция
• Дата: 26.03.2023
• Размер: 3.28 Mb.
• Имя файла: Лекция 15 Источники вторичного питания.docx
• Тип: Лекция; #1016275

Лекция 15

Источники вторичного питания

15.1 Электронные выпрямители, сглаживающие фильтры

и стабилизаторы
Для получения электрической энергии нужного вида приходится преобразовывать электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямление) либо энергию постоянного тока – в энергию переменного тока (инвертирование). Выпрямление осуществляется с помощью устройств, называемых выпрямителями, а инвертирование производится инверторами. Выпрямители и инверторы являются вторичными источниками электропитания. Они состоят из функциональных узлов, выполняющих одну или несколько функций: выпрямление, инвертирование, стабилизацию, регулирование значений электрических характеристик.

Современные микроэлектронные устройства предъявляют следующие требования к качеству потребляемой электрической энергии:

- высокая стабильность питающего (первичного) напряжения;

- требуемая форма (обычно синусоидальная) переменного напряжения;

- высокая стабильность частоты и угла сдвига фаз переменного питающего напряжения;

- минимально возможный уровень пульсации питающего постоянного напряжения.

15.1.1 Классификация выпрямителей

Самым распространенными источниками вторичного электропитания (ИВЭ) являются источники, которые преобразуют электрическую энергию сети переменного тока частотой 50 Гц. Такие ИВЭ включают в себя выпрямитель и стабилизатор.

Выпрямители бывают неуправляемыми и управляемыми. С помощью неуправляемых выпрямителей на выходе ИВЭ получают постоянное напряжение неизменного значения. Управляемые выпрямители применяют тогда, когда необходимо изменять значение выпрямленного тока или напряжения.

В зависимости от числа фаз первичного источника питания (сети переменного тока) различают однофазные и трехфазные выпрямители. Выпрямители малой и средней мощности, как правило, являются однофазными, а выпрямители большой мощности – трехфазными.

По форме выпрямления напряжения выпрямители разделяют на однополупериодные и двухполупериодные. У выпрямителя бывают четыре основных вида нагрузки: активная, активно – индуктивная, активно – ёмкостная, и с противо – Э.Д.С. (когда он питает двигатель постоянного тока или зарядное устройство).
15.1.2 Основные энергетические характеристики выпрямителя
Ими являются:

1. 
   Среднее значение выпрямленного тока и напряжения I_н.ср. и U_н.ср..
   
2. 
   Мощность нагрузочного устройства P_н.ср.= I_н.ср. · U_н.ср.
   
3. 
   Амплитуда основного выпрямленного напряжения .
   
4. 
   Действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора .
   
5. 
   Типовая мощность трансформатора .
   
6. 
   Коэффициент полезного действия , где Р_ТР - потери в трансформаторе, Р_д – потери в диодах.
   

Рисунок 15.1 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

однополупериодного выпрямителя
Для однополупериодного выпрямителя

.

Прямой ток диода

.

- коэффициент пульсации р ≈1,57.

Предельный электрический режим выпрямительного диода характеризует следующие величины: Максимальное обратное напряжение U_обр.max; максимальный прямой ток I_np.max, соответствующий I_выпр.max; максимальная частота диодов , так как в случае превышения этой частоты диоды теряют свои вентильные свойства.

15.1.3 Однофазные и трёхфазные выпрямители

Для выпрямления однофазного тока широко применяют однополупериодные выпрямители и два вида двухполупериодных выпрямителя.



Тр. – трансформатор; ВГ – вентильная группа; СФ - сглаживающий фильтр;

Ст. – стабилизатор
Рисунок 15.2 - Структурная схема однофазного выпрямительного устройства
Для надёжной работы диодов в выпрямителях необходимы два условия:



Если амплитудное значение выпрямленного напряжения превышает U_обр.max, то можно включить последовательно два и больше однотипных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться обратно пропорционально сопротивлению диодов. Параллельно этим диодам включаются шунтирующие резисторы сопротивлением для выравнивания обратных напряжений.

Выпускаются полупроводниковые столбы. Это группа последовательно соединенных диодов, которые помещены в один корпус. Такие столбы выдерживают .

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее распространение получила мостовая схема.



Рисунок 15.3 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

мостового выпрямителя



Коэффициент пульсаций р≈0,67. Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, как и у однополупериодного выпрямителя

Промышленностью выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор R_Н. В каждый из полупериодов напряжение U_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя.

При этом ток в резисторе R_н имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод.



Рисунок 15.4 - Схема (а) и динамические Рисунок 15.5 - Схема (а) и динамические

диаграммы напряжений и токов (б) диаграммы напряжений и токов (б)

выпрямителя с выводом средней трёхфазного выпрямителя с нейтральным

точки вторичной обмотки выводом

трансформатора
Характеристики выпрямителя с выводом средней точки те же, что и у мостового выпрямителя, за исключением напряжения U_обр.max .

При коэффициент пульсаций р ≈0,67.

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существуют два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

Здесь диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток более положительный, чем двух других.



Коэффициент пульсации р ≈ 0,25.

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, в которых I_н.ср ≈ сотни А, а U_н.ср ≈ десятки кВ.

Трехфазный мостовой выпрямитель (предложен в 1923 году А.Н.Ларионовым) по всем показателям превосходит рассмотренный трехфазный выпрямитель.

Рисунок 15.6 - Схема (а) и динамические диаграммы (б) напряжений и токов

трёхфазного мостового выпрямителя
Диоды VD₁, VD₃, VD₅ образуют положительный полюс на нагрузочном резисторе R_Н, а общая точка диодов VD_2, VD_4, VD₆ – отрицательный полюс на нем. Коэффициент пульсации р = 0,057;

Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению близкому к U_н.ср. КПД выпрямителя А.Н. Ларионова больше, чем КПД выпрямителя с нейтральным выводом, так как в мостовом выпрямителе, нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.
15.2 Сглаживающие фильтры
Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации напряжения питания для усилительных каскадов автоматических систем регулирования не должен превышать 10^-2 10^-3; а для входных каскадов электронных измерительных приборов – 10^-4 10^-5.

Сглаживающие фильтры (СФ) включают между вентильной группой и стабилизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством R_н.

Основными элементами СФ являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного тока сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, а сопротивление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на 2 -3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Эффективность СФ характеризуется коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе:



Ёмкостные фильтры включают параллельно нагрузочному резистору R_н. В момент времени, когда U₂>U_C, конденсатор разряжается, заполняя паузу.

Рисунок 15.7 - Схема ёмкостного фильтра с мостовым выпрямителем (в) и

динамическая диаграмма напряжения и тока (г)
Индуктивный фильтр (ИФ) включают последовательно с нагрузочным резистором R_н, а коэффициент пульсации, равный , уменьшается благодаря увеличению длительности импульса. ИФ обычно применяют в трёхфазных выпрямителях средней и большой мощности, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочное устройство с большими токами.

Г – образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Они могут быть LC – типа и RC – типа:



Рисунок 15.8 - Схемы Г – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтра (б)
Эти фильтры обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций, что объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора.

Коэффициент сглаживания L_Ф и С_Ф задаются при расчетах. При

П – образные фильтры являются многозвенными фильтрами, содержащими ёмкостные фильтры и Г – образные фильтры.



Рисунок 15.9 - Схемы П – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтр (б)
Их коэффициент пульсаций равен приближённо произведению коэффициентов сглаживания составных фильтров (ёмкостного и Г – образного).

Электронные фильтры. В электронных фильтрах вместо дросселей включают транзисторы. Эти фильтры снижают пульсации в 3 -5 раз, так как сопротивление промежутка коллектор – эмиттер постоянному току на два – три порядка меньше сопротивления этого же промежутка переменному току.



Рисунок 15.10 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в коллекторную цепь



Рисунок 15.11 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в эмиттерную цепь

Здесь фильтр построен на эмиттерном повторителе, что позволяет получить низкое выходное сопротивление выпрямителя на нагрузке, т.е. этот фильтр малочувствителен к изменению тока нагрузки.


Рисунок 15.12 - Схемы параллельного транзисторного фильтра на одном транзисторе (а),

на составном транзисторе (б) и на операционном усилителе (в)

Применение ИМС (операционных усилителей) еще больше закрывают составной транзистор, то есть еще больше уменьшают выходную проводимость (в составном транзисторе несколько транзисторов включают в коллекторную цепь друг друга последовательно).

Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нём



1 – U_н.х. – это U при I_Н=0; 2 – ёмкостной фильтр; 3 – Г – образный RC – фильтр
Рисунок 15.13 - Внешние характеристики выпрямителя
15.3 Стабилизаторы напряжения и тока
Этим устройством называют электрический прибор, автоматически обеспечивающий поддержание напряжения (тока) нагрузки с заданной точностью. Электронные приборы могут нормально работать при вариации питающего напряжения 0,1 – 3,0%, а иногда и того меньше.

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

1. 
   По роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока.
   
2. 
   По способу стабилизации – параметрические и компенсационные стабилизаторы.
   

Широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяются на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. Стабилизация достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Качество работы стабилизатора оценивают следующими коэффициентами:

1. 
   Коэффициент стабилизации по напряжению: .
   
2. 
   Коэффициент стабилизации по току: .
   
3. 
   К.П.Д. стабилизатора , где Р_Н – мощность нагрузки; Р_П – мощность потерь.
   

Параметрические стабилизаторы напряжения и тока. Схема такого устройства имеет вид:



Рисунок 15. 14 - Схема параметрического стабилизатора напряжения

на стабилитроне (а) и вольт - амперные характеристики R_б при ∆U_вх

параметрического стабилизатора (б)
С помощью такого простейшего стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон VD, можно обеспечить стабилизацию напряжения от единиц до нескольких сотен вольт при токах от единиц мА до одного ампера. Если необходимо стабилизировать U<3В, то вместо стабилитрона используют стабисторы.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне примерно равен 30 - 50. Его К.П.Д. не превышает 0,3; а диапазон стабилизируемого напряжения узок и не регулируется.

В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент включается последовательно с нагрузкой.



Рисунок 15.14 - Схема (а) и объяснение принципа действия (б) параметрического

стабилизатора тока
В качестве нелинейного элемента используют биполярные и полевые транзисторы. Рабочая точка на вольт-амперной характеристике параметрического стабилизатора тока выбирается таким образом, чтобы при изменении питающего напряжения нагрузочный ток практически не изменялся. Коэффициент стабилизации тока в таком стабилизаторе составляет несколько десятков.



Рисунок 15.15 - Схема параметрического стабилизатора тока на полевом транзисторе
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения и тока являются АСР с отрицательной обратной связью, но их достоинства достигнуты усложнением схем. К > 1000, η = 0,5 – 0,6. Аналогично параметрическому стабилизатору, компенсационный стабилизатор включают между сглаживающим фильтром и нагрузочным резистором.



Рисунок 15.16 - Схемы компенсационного стабилизатора напряжения на биполярных

транзисторах (а) и операционном усилителе (б)



Рисунок 15.17 - Схема компенсационного стабилизатора тока на биполярных

транзисторах
Компенсационные стабилизаторы непрерывного действия выпускаются в виде ИМС и применяются в качестве индивидуальных стабилизаторов отдельных блоков. В то же время общие источники ВП выполняют нестабилизированными.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСПН) имеют η = 0,80 – 0, 85, меньше габариты и массу. Это достигается использованием транзистора в режиме ключа, что позволяет получить прямоугольные импульсы, которые затем сглаживаются фильтром. Мощность потерь на транзисторе стремится к нулю и получают высокий К.П.Д. Изменение длительности импульсов или частоты их следования позволяет поддерживать U_вых = const.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения по способу управления регулирующим элементом разделяют на релейные (двухпозиционные) и с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ). Частоты переключений регулирующего транзистора равны 2 – 50 кГц.


Рисунок 15.18 - Принципиальная электрическая схема релейного импульсного

стабилизатора постоянного напряжения
15.4 Управляемые выпрямители
Часто от выпрямителей требуется не только преобразовать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществить либо в цепи переменного тока (регулируемые трансформаторы, реостаты, имеющие низкий КПД); либо в цепи выпрямленного тока, что более экономично и удобно. Управляемыми выпрямителями называют выпрямители, у которых управление выпрямленным током (напряжением) происходит в процессе выпрямления.

Основными элементами современных управляемых выпрямителей являются транзисторы и тиристоры. Ниже на рисунке 15.19 представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению моментом открытия (включения) тиристора. Это осуществляется путём сдвига фаз между анодным напряжением тиристора и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления и обозначают α, а способ управления называют фазовым.

Рисунок 15.19 - Схема (а) и диаграммы изменения во времени напряжений и тока (б)

однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя
Управление значением угла α осуществляют с помощью фазовращающей R₂С – цепи, которая позволяет изменить угол управления от 0 до 180 ⁰. При этом значение выпрямленного напряжения может изменяться от наибольшего его значения до нуля (для α = 0 – 90 ⁰ значение выпрямленного напряжения изменяется от наибольшего значения до его половины). Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных однополярных импульсов.

Оптимальной формой управляющего сигнала для тиристора является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в необходимых пределах.

На рисунке 15.20 изображена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).




Рисунок 15.20 - Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

с импульсно-фазовым управлением
Сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению производится вручную с помощью мостового фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя поступает на вход усилителей-ограничителей, причём, отрицательные полуволны этого напряжения срезаются VD1, VD2. Усиленное напряжение дифференцируется цепочками С₁R₁, С₂R₂; а диоды VD3, VD4 делают их однополярными (положительными).

Трёхфазные управляемые выпрямители – это выпрямители средней и большой мощности. Работу такого выпрямителя иллюстрирует схема выпрямителя с нулевым выводом. Изменение угла управления в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению средних значений выпрямленных напряжений и тока.




Рисунок 15.21 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом
На рисунке 15.22 приведена схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров.


Рисунок 15.22 - Схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя
Тиристоры VS1 – VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4 – VS6 - в анодную группу. Так же как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один – из анодной группы, другой – из катодной группы. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180 ⁰ управляющий сигнал, поступающий на тиристор анодной группы. В отличие от трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом режим «прерывистого» тока возникает при

α > π/3.
15.5 Общие сведения об инверторах и конверторах
Первичные источники вырабатывают электрическую энергию постоянного тока одного напряжения. Для функционирования устройств электроники необходимо напряжение постоянного и переменного тока разного значения. Для его получения используют преобразователи постоянного напряжения, которые формируют либо требуемое переменное напряжение, либо постоянное напряжение заданного значения, либо несколько постоянных напряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе есть переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называют конверторами.

Основными элементами инверторов и конверторов являются транзисторы и тиристоры, работающие в вентильном режиме «открыто-закрыто», которые периодически прерывают ток или изменяют его направление. Благодаря этому КПД инверторов и конверторов может достигать 99 %.
15.5.1 Инверторы
Инверторы классифицируют по ряду признаков:

- по типу коммутирующих устройств (тиристорные и транзисторные);

- по принципу коммутации (ведомые питающей сетью и автономные инверторы);

- по роду преобразуемой величины (инверторы тока и инверторы напряжения).

Тиристорные инверторы – это инверторы большой мощности; транзисторные инверторы выполняют на малую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рисунке 15.23 представлена схема такого инвертора, являющегося однофазным двухполупериодным инвертором с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управления α < 90 ⁰(рисунок15.23 б). При α = 90 ⁰ среднее значение напряжения равно нулю.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i₁ и напряжение u₁ находились в противофазе. Это возможно, если тиристоры поочерёдно будут открываться при отрицательной полярности напряжений u_2a и

u_2b, т.е. происходит поочерёдное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е. Однако, если очередной тиристор открывать точно при угле управления

α =180 ⁰ , то в такой ситуации второй тиристор не успевает закрыться (ему необходимо для этого определённое время) и создаёт короткое замыкание по цепи вторичной обмотки трансформатора, электрическое сопротивление которой очень мало.

Это явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Для устранения срыва инвертирования делают угол управления α меньше 180 ⁰ на угол, называемый углом опережения открытия тиристора. Закрытие и открытие тиристоров происходит под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Отсюда и термин инвертор, ведомый сетью.



Рисунок 15.23 - Схема однофазного двухполупериодного инвертора, ведомого сетью,

работающего выпрямителем (а); и графики изменения изменения

напряжении во времени при фиксированных углах управления α.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Наиболее экономичным является применение так называемых реверсивных преобразователей. В этом случае тиристоры инвертора включают в две трёхфазные группы обмоток I и II, которые соединены «зигзагом». Выходы преобразователей соединяют с зажимами машины постоянного тока встречно, т.е. нейтральную точку О₁ группы обмоток I подключают к зажиму «-« машины, а нейтральную точку О₂ группы обмоток II - к зажиму «+». При таком соединении группа обмоток I работает в выпрямительном режиме, а группа обмоток II – в инверторном режиме, который обеспечивает генераторное торможение двигателя. Для изменения направления вращения двигателя (реверс) изменяют функции групп обмоток: I группа обмоток работает как инвертор, а II группа – как выпрямитель.

Для обеспечения надёжной работы реверсивного преобразователя нельзя допускать увеличения напряжения генератора постоянного тока и уменьшения напряжения сети переменного тока. В противном случае, увеличится время коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыканию через обмотки трансформатора. Таким образом, в реверсивном преобразователе необходимы регуляторы напряжения питающей сети и напряжения генератора постоянного тока.


Рисунок 15.24 - Схема реверсивного преобразователя для электропривода

постоянного тока
Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо:

1. 
   Получить переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД – генераторы, термо- и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта постоянного тока, аккумуляторы и т.д.;
   
2. 
   преобразовать переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты, например, в частотных преобразователях для асинхронных и синхронных двигателей;
   
3. 
   получить переменный ток высокой частоты для электротермических установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают и закаливают изделия, производят сушку зерна и зерновых продуктов и т.д.
   

Автономные инверторы классифицируют как автономные инверторы тока (АИТ),

автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). В АИТ источник питания работает в режиме источника тока, в АИН источник питания работает в режиме источника напряжения, а в АИР источник питания работает в режиме резонанса токов или напряжений.

Для устойчивой работы АИТ используют «отсекающие» диоды, схема такого инвертора представлена ниже. Диоды используют для недопущения работы инвертора в режиме холостого хода. Они включены между конденсатором С_К и первичной обмоткой трансформатора и исключают возможность разряда конденсатора через трансформатор.



Рисунок 15.25 - Схема автономного инвертора тока с «отсекающими» диодами
Для улучшения формы выходного переменного напряжения применяют мостовые инверторы. Схема однофазного мостового инвертора показана ниже.


Рисунок 15.26 - Принципиальная схема однофазного автономного инвертора напряжения

Тиристоры в этой схеме включаются попарно через активно-индуктивную нагрузку Z_Н. При переключении тиристоров ток через нагрузку плавно уменьшается до нуля какое-то время и лишь затем ток меняет своё направление на обратное. В этот период времени работавшие тиристоры уже закрыты, а другая пара тиристоров уже открыта и существующий ток нагрузки для них имеет противоположное направление, что может привести к повреждению тиристоров. Включённые параллельно тиристорам в обратном направлении диоды как раз и предназначены для того, чтобы пропустить этот обратный ток нагрузки. Поэтому диоды называют обратными.

15.5.2 Конверторы
Конвертором называют преобразователь постоянного тока одного напряжения в постоянный ток, имеющий другое значение напряжения.

В основном применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;

2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением бывают малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена ниже.


Рисунок 15.27 - Структурная схема преобразователя постоянного

напряжения с самовозбуждением
Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до нужного значения. После выпрямления в выпрямителе В оно подаётся на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Z_Н.

В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы с общим эмиттером, включаемым по двухтактной схеме.


Рисунок 15.28 - Релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы

с трансформаторной положительной обратной связью
Для обеспечения прямоугольной формы генерируемых колебаний материал магнитопровода трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. Частота переменного тока на выходе релаксационного генератора может достигать значений близких к 50 кГц. Поэтому силовые диоды для выпрямителя необходимо выбирать с учётом частоты переменного тока. В противном случае при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами диоды теряют свои выпрямительные свойства и возможна потеря работоспособности конвертора.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение путём изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно-импульсную (ШИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ) модуляцию при регулировании. ШИМ – это изменение длительности импульсов, а ЧИМ – изменение частоты импульсов.



Рисунок 15.29 - Схема (а) и динамические диаграммы тока нагрузки (б)

импульсного однотактного преобразователя постоянного напряжения
В качестве ключа используется тиристор. Между нагрузкой Z_Н и тиристором включён сглаживающий LC-фильтр. Диод необходим для пропускания тока нагрузки при выключенном тиристоре. Принцип действия данного ИППН таков: когда тиристор открыт, всё напряжение U₀ поступает на сглаживающий фильтр и далее на нагрузку Z_Н; при этом диод VD не пропускает ток; когда тиристор закрыт, ток через нагрузку проходит за счёт энергии накопленной в конденсаторе С_Ф и в катушке L_Ф.

Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется мощность больше, то используют многотактные ИППН, которые содержат несколько параллельно включённых однотактных ИППН. Для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n (n – количество однотактных ИППН). Поэтому тиристоры работают поочерёдно или с некоторым перекрытием.

В качестве примера ИППН ниже приведена схема импульсного источника питания, реализованная на микросхеме VIPerX7.


Рисунок 15.30 - Принципиальная электрическая схема ИППН с обратной связью

на основе VIPerX7