Конверторы. ИЭРТС++_т.5_л.23_Конверторы. Михайловская военная артиллерийская академия
 Скачать 1.42 Mb.
|
|
МИХАЙЛОВСКАЯ ВОЕННАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ 5 кафедра боевого применения подразделений артиллерийской разведки  Санкт-Петербург 2019 МИХАЙЛОВСКАЯ ВОЕННАЯ АРТИЛЛЕРИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ 5 кафедра боевого применения подразделений артиллерийской разведки УТВЕРЖДАЮ Начальник 5 кафедры полковник М.Сафронов « 22 » июля 2020 г. Разрешаю использование в 20__-20__ учебном году Начальник 5 кафедры полковник М.Сафронов «___» _____________ 20__ г. Кандидат технических наук, доцент Рудианов Г.В. КОНВЕРТОРЫ Текст лекции (тема № 3, занятие № 16) Обсуждено и одобрено на заседании предметно-методической комиссии « 21 » мая 2020 г., протокол № 10 Санкт-Петербург 2020 Текст лекции Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить назначение и классификацию статических конверторов. 2. Изучить устройство и принцип действия статических конверторов. 3. Воспитывать активную познавательную деятельность обучаемых, развивать их творческие способности, общую инженерную культуру и культуру речи. В ходе изучения материала занятия частично формируются компетенции: владение методами решения задач анализа и расчета характеристик радиотехнических цепей, аналоговых и цифровых узлов современной электроники (ОПК-7); способность разрабатывать электрические схемы специальных радиотехнических систем и устройств с использованием компьютерных средств проектирования, проводить расчеты и технико-экономическое обоснование принимаемых решений (ПК-8); способностью выполнять моделирование объектов и процессов в целях анализа и оптимизации их параметров с использованием имеющихся средств исследований (ПК-12). Введение Преобразователи напряжения широко применяются в системах электропитания для стабилизации выходного напряжения электропитающих установок (ЭПУ) во всех режимах их работы. На базе ПН строятся современные выпрямительные (выпрямители с бестрансформаторным входом — ВБВ) и инверторные устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Например, блоки питания электронных сигнально-вызывных устройств декадно-шаговых и координатных АТС также представляют собой преобразователи напряжения. Преобразователи современных цифровых систем передачи и обработки информации, преобразующие выходное напряжение ЭПУ в напряжения, необходимые для работы аппаратуры, тоже представляют собой преобразователи напряжения. В настоящее время наиболее широкое распространение получили преобразователи: однофазные, трехфазные, трехфазно-однофазные и статические. 1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОНВЕРТОРОВ Преобразователем напряжения (по зарубежной терминологии DC/DC converter) называют устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию постоянного тока другого уровня напряжения или имеющую гальваническую развязку выходного напряжения от источника энергии. С помощью конверторов можно регулировать величину постоянного напряжения в ВИП, а также изменять его полярность. Преобразователи напряжения могут применяться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией постоянного тока. ПН широко применяются в системах электропитания для стабилизации выходного напряжения электропитающих установок во всех режимах их работы. Широкое применение преобразователей напряжения объясняется, прежде всего, их высокими энергетическими и удельными объемно-массовыми показателями, поскольку транзисторы в этих устройствах работают в режиме переключения на высокой частоте. Повышение частоты преобразования электрической энергии позволяет существенно уменьшить массу и габариты устройств в целом и улучшить их динамические характеристики. Во всех вышеупомянутых примерах применения преобразователей напряжения, преобразование электрической энергии осуществляется на частотах 20-300 кГц. Преобразователи обеспечивают электрической энергией вторичные источники РЭС, которые запитывают такие устройства, для которых или род тока, или напряжение, или допустимые отклонения частот или напряжений являются иными, чем для остальной аппаратуры. Например, требуют высокой точности стабилизации частоты или напряжений постоянного тока, во много раз больше напряжения первичного источника. Конверторы подразделяют на электромашинные и статические. Электромашинные конверторы − это устройства, представляющие собой электромотор и генератор. Статические конверторы − это устройства, не имеющие вращающихся частей. Статические конверторы построены на электронные приборах. Недостатком электромашинных преобразователей является большие масса и габариты, а недостатком статических преобразователей – небольшая мощность. В настоящие время во вторичных источниках электропитания наиболее широко применяются статические полупроводниковые конверторы с малыми габаритами и массой, высокими КПД и эксплуатационной надежностью. Преобразователи напряжения на небольшую мощность (до 500 Вт) при питании от источников с низким напряжением преимущественно выполняются на транзисторах. Статические преобразователи на большие мощности, питающиеся от источников с повышенным напряжением, как правило, выполнять на тиристорах. Преобразователи частоты используются главным образом для регулируемого привода переменного тока. В отдельную группу можно выделить статические преобразователи нестабильной частоты в стабильную частоту 400 Гц. При первичной системе электропитания постоянного тока низкого напряжения находят применения преобразователи постоянного тока в переменный одно- и трехфазный ток и преобразователи постоянного тока низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. В системах электропитания переменного тока стабильной частоты питание вторичной системы в большинстве случаев обеспечивается преобразователями переменного тока в постоянный другого уровня напряжения. Для этого применяются выпрямительные установки и трансформаторно-выпрямительные блоки. Для преобразования переменного тока в переменный ток другого уровня напряжения применяются трансформаторы. 2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТАТИЧЕСКИХ КОНВЕРТОРОВ Основными элементами конвертора являются: дроссель – накопитель энергии, включенный между первичным источником энергии и нагрузкой; электронный переключатель (транзистор, тиристор, лампа и т.д.), периодически подключающий накопитель энергии к источнику энергии. Сначала, на интервале импульса энергия накапливается в дросселе, а затем, на интервале паузы, передаётся в нагрузку. Одновременно с помощью дросселя производится сглаживание выходного напряжения стабилизатора. Для лучшего сглаживания применяется конденсатор, включенный на выходе конвертора. В зависимости от построения силовой части конверторы можно разделить на три основных типа: понижающий с последовательным включением дросселя и транзисторного ключа; повышающий с параллельным включением транзисторного ключа; инвертирующий с параллельным включением дросселя. Понижающий конвертор обеспечивает регулирование высокого напряжения в диапазоне от нуля до значения, меньшего входного напряжения из-за потерь в элементах схемы. В схеме используется накопительный дроссель L1, включённый последовательно с нагрузкой Rн (рис. 1).  Рис. 1. Конвертор понижающего типа Для сглаживания пульсаций на нагрузке применён параллельный фильтровый конденсатор C1. На базу ключевого транзистора T1, являющегося управляющим элементом, поступают управляющие сигналы от схемы управления в зависимости от значения напряжения Uн на нагрузке. Включение в схему коммутирующего диода D1 обеспечивает непрерывность тока в дросселе при размыкании ключа T1. В открытом состоянии ключа T1 через него протекает ток в течение времени tи по цепи: источник тока – транзистор T1 – дроссель L1 – нагрузка Rн – источник тока, нарастая от минимального значения до максимального (рис. 2). Часть тока проходит через конденсатор С1, заряжая его. Во время паузы (tп) ключ закрыт.  Рис. 2. Токи и напряжения, действующие в конверторе понижающего типа Величина напряжения на нагрузке определяется коэффициентом заполнения:  ,где q – скважность Для обеспечения режима непрерывного тока в дросселе его индуктивность выбирается в соответствии с соотношением:  .В этом режиме ток дросселя всегда больше нуля. После запирания транзистора по сигналу, поступившему от схемы управления, катушка выступает в роли источника тока, передавая накопленную энергию на нагрузку по цепи: дроссель L1 – Rн – D1 – дроссель L1. Диод D1 отпирается и энергия, накопленная в дросселе и конденсаторе, начинает расходоваться в нагрузке до тех пор, пока ток дросселя не уменьшится до отпирания транзистора. Напряжение на дросселе в период накопления энергии равно U0 – Uн. В момент коммутации дросселя (когда транзистор закрывается) оно скачком принимает значение Uн. Напряжение на нагрузке для идеального преобразователя без потерь пропорционально коэффициенту заполнения:  .Учитывая сопротивление транзистора, дросселя и диода, напряжение на нагрузке равно:  .Зависимость выходного напряжения конвертора от коэффициента заполнения называется регулировочной характеристикой (рис. 3):  Рис. 3. Регулировочная характеристика конвертора понижающего типа При уменьшении индуктивности дросселя относительно значения, определённого для непрерывного режима, в преобразователе происходит переход в режим прерывистого тока. При этом появляются большие пульсации токов дросселя и конденсатора. Повышающий конвертор применяется в тех случаях, когда требуется получить выходное напряжение, превышающее входное. В схеме преобразователя коммутирующий диод VD1 включён последовательно с нагрузкой (рис. 4). Принцип работы данного преобразователя заключается в следующем.  Рис. 4. Конвертор повышающего типа При замыкании ключа входное напряжение U0, приложенное к дросселю L1, вызывает плавное нарастание тока и накопление в нём энергии. Через промежуток времени, определяемый параметрами управляющего ключом сигнала широтноимпульсной модуляции, ключ размыкается. При этом к нагрузке прикладывается напряжение, равное суммеU0 и напряжения на дросселе L1 (в данном случае дроссель играет роль источника тока). В результате на нагрузке образуется напряжение Uн > U0. Диод D1 предотвращает разряд конденсатора С1 при включении транзистора. Варьируя скважность сигнала ШИМ, можно изменять значение накапливаемой в дросселе энергии и, следовательно, выходное напряжение преобразователя. Для повышающих конвекторов, как и для понижающих, выделяют два режима работы: непрерывного и прерывистого токов. В первом режиме ток катушки индуктивности всегда больше нуля, а во втором существует промежуток времени, в течение которого ток дросселя равен нулю (рис. 5).  Рис. 5. Временны́е диаграммы в конверторе повышающего типа Среднее напряжение на нагрузке зависит от коэффициента заполнения управляющих импульсов:  ,где τи – длительность импульсов; Тп – период повторения импульсов. Для идеального преобразователя без потерь регулировочная характеристика повышающего конвертора имеет вид:  . Рис. 6. Регулировочная характеристика повышающего конвертера Регулировочная характеристика реального преобразователя зависит от тока нагрузки. При большом токе появляется характерный максимум для значений коэффициентов заполнения γ, близких к единице, обусловленный потерями в преобразователе. При дальнейшем увеличении γ потери начинают значительно уменьшать энергию, передаваемую на нагрузку, и напряжение на нагрузке падает. Инвертирующий конвертор позволяет получить выходное напряжение обратного знака по сравнению со входным. При этом выходное напряжение может быть как большего, так и меньшего значения по сравнению с входным. Работает инвертирующий преобразователь следующим образом. Когда транзисторT1 (рис. 7) открыт, на дроссель L1 поступает всё напряжение с источника питания UL = U0 и под его действием в дросселе возрастает ток и накапливается энергия. Ток нагрузки Iн определяется разрядом конденсатора C1.  Рис. 7. Структурная схема инвертирующего конвертора С поступлением сигнала от схемы управления T1 закрывается (время паузы tп). В этом случае дроссель играет роль источника тока. Ток протекает по пути: дроссель – нагрузка диод ─ VD1 – дроссель. Энергия дросселя передаётся на нагрузку и определяет уровень выходного напряжения. Диод D1 обеспечивает непрерывность тока через нагрузку при закрытом транзисторе. Поскольку ток в дросселе после коммутации транзистора не изменяет своего направления, то полярность напряжения нагрузки будет обратна полярности источника питания, т.е. происходит инверсия полярности. На рис. 8 показаны временные диаграммы токов в дросселе инвертирующего преобразователя  Рис. 8. Временные диаграммы токов в дросселе инвертирующего конвертора Регулировочная характеристика преобразователя для режима непрерывного тока описывается уравнением  и приведена на рис. 9.  Рис. 9. Регулировочная характеристика инвертирующего конвертора Регулировочная характеристика зависит от тока нагрузки, определяемого значением Rн и сопротивления потерь. При большом токе нагрузки появляется характерный максимум на регулировочной характеристике для значений коэффициента заполнения γ, близких к единице, обусловленный потерями в преобразователе. Разработал доцент, ктн, доцент Рудианов Г.В. |