С увеличением рабочей частоты F раб растет КПД, т. к

СКГМИ
КУРС ЛЕКЦИЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
доц. Кабышев А.М.
2011
Структура системы электропитания.
Источники и потребители электроэнергии.
Передача электроэнергии.
Электроэнергия обладает неоспоримыми преимуществами перед
другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные
расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между
потребителями. Скорость передачи электроэнергии от источника к
потребителю чрезвычайно высокая, причем эта скорость не зависит от
мощности потребителя. Данные свойства позволяют накапливать исходное
топливо или исходную энергию у источника и создавать очень
разветвленную сеть потребителей. Электроэнергию с помощью достаточно
простых средств и устройств можно превратить в другие виды энергии:
механическую, тепловую, световую (энергию света) и т. п.
Преимущество переменного тока в том, что напряжение и силу тока
можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать)
почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих
электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно большая
необходимость в трансформации напряжения и тока возникает при передаче
электроэнергии на большие расстояния.
Электрический ток вырабатывается в электрогенераторах – устройствах,
преобразующих энергию какого-либо вида в электроэнергию. К
электрогенераторам относятся:
- гальванические элементы,
- электростатические машины,
- термобатареи,
- солнечные батареи и т. д.
Преобладающую роль сейчас играют электромеханические индукционные
генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия
превращается в электрическую. Их действие основано на явлении
электромагнитной индукции. Ротор генератора представляет собой
электромагнит, ток к которому подводится по скользящим контактным
кольцам. В маломощных генераторах магнитное поле создается
вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки
вообще не нужны. Статор и ротор изготавливают из специальной
электротехнической стали. Зазор между ними минимален. Основная ЭДС
возникает в неподвижных обмотках статора вследствие изменения
магнитного потока при вращении ротора. Такие генераторы имеют
сравнительно простое устройство и позволяют получить большие токи при
достаточно высоком напряжении.
ГЭС
ГРЭС, ТЭС
АЭС
Автономные
генераторы
Потенциальная Потенц. энергия
энергия воды
пара, угля, газа,
мазута, горючих
Кинетическая сланцев
энергия воды
Кинетич. энергия
Кинетическая пара, топлива
энергия
турбины
Кинетич. энергия
турбины
Потенц. энергия
ядерного топлива
Кинетич. энергия
ядерного топлива
Кинетич. энергия
турбины (энергия
маховика,
двигателя
внутреннего
сгорания)
35кВ
Генератор
Т
11кВ
Т
110кВ
35кВ
Потенц. энергия
диз. топлива,
бензина
Потенц. энергия
диз. топлива,
бензина
Кинетич.
энергия турбины
6кВ
Т
35кВ
6кВ
6кВ
220В
Т
380В
Потери энергии в полупроводниках пропорциональны квадрату силы тока:
Q  I 2  R T ,
где
l
,
S
105
R  2 1.7 10 8 
 34Ом  .
10
R 
4
Пусть на проводах падает напряжение 3.5кВ и течет ток 100А. При этом
передается мощность 350кВт. Типовая мощность станций в стране
составляет 10МВт (110кВ * 100А).
В реальных условиях напряжение в 1.5-3 раза больше и сечение проводов в
1.5-3 раза больше, поэтому реальные потери не превышают 3%.
Для безопасности потребителя необходимо, чтобы все блоки питания (БП)
имели, помимо заземления, гальваническую развязку от питающей сети.
Такую гальваническую развязку, как правило, обеспечивает трансформатор.
Первичная и вторичная обмотки трансформатора создают между собой
проходную емкость Спр. Чем мощнее трансформатор, тем больше проходная
емкость и проходное напряжение, импульс напряжения выше. Величина
проходной емкости уменьшается с уменьшением размеров трансформатора и
числа витков; ее необходимо уменьшать, т. к. она опасна для жизни и
устройство может выйти из строя от импульсной помехи.
Обычно осуществляют переход (преобразование) на повышенную
частоту: 50Гц преобразуются в 10-20кГц в силовых БП и в 50-100кГц – в
маломощных БП.
Спр~
1
F раб
.
С увеличением рабочей частоты Fраб растет КПД, т. к. уменьшаются Wвит,
Спар, Lрасс и Rобм, но увеличиваются потери на переключение силовых
транзисторов.
Такие ВИЭП дороже, но у них меньше проходная емкость и есть
возможность управлять Uвых, уменьшать габариты трансформатора,
увеличивать КПД, получать стабилизированные ИЭП.
Однотактный трансформатор, работает одну часть периода.
Двухтактный трансформатор, работает весь период.
Переходные процессы в однотактном преобразователе:
Транзистор включается и выключается не мгновенно (от 0.1 до 1мкс). Чем
меньше время переключения  t = t2 – t1 (t2>t1), тем меньше P и Атр:
t2
Aтр   Pтр t dt .
t1
Это достигается выбором транзисторного ключа и системой управления.
Типовые параметры: Umax  300В, Imax=30А, tпер=0.1мкс, U/t=3*109В/с.
Если Спр=10пФ, то
Iк=CпрUвых/t =10-11109=10-2(А). Ток неуправляем. Использование частот
выше 100кГц не рекомендуется, т. к. при этом возникает проблема ВЧ помех.
Классификация. Основные термины.
Энергетическая электроника – область техники о преобразователях
электрической энергии большой мощности.
Преобразователем электрической энергии является устройство,
предназначенное для изменения параметров электрической энергии. В
зависимости от характера преобразований электрической энергии выделяют
4 категории преобразователей:
1. AC-AC -преобразователи переменного напряжения: преобразователи
частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы.
2. AC-DC -выпрямители: преобразователи переменного напряжения в
постоянное.
3. DC-AC –инверторы: преобразователи постоянного напряжения в
переменное.
4. DC-DC –преобразователи постоянного напряжения: преобразование
постоянного напряжения в постоянное с другими параметрами.
.
Классификация ВИЭП.
Одним из основных практических применений преобразователей
являются ВИЭП – вторичные источники электропитания – и их системы.
ВИЭП подключаются к источникам первичного электропитания,
преобразуют их переменное или постоянное напряжение в ряд выходных
напряжений заданной формы, номинала, диапазона измерения. Они
обеспечивают работу потребителей в заданных режимах. Для выполнения
этих задач в состав ВИЭП (или их систем) входит ряд дополнительных
устройств:
- Блоки коммутации и блоки защиты. Обязательно присутствуют тумблер
«сеть» и кнопка «пуск» внутри реле для автоматического выключения,
автоматические пускатели.
- Блоки управления. К ним относятся и внутренние СУ с ОС, и блок
управления, обеспечивающий алгоритм поведения ВИЭП в более общей
системе.
- Блоки контроля. Осуществляется внутренний контроль в цепях ОС и
внешний – для операторов.
1.
2.
3.
4.
-
ВИЭП классифицируются по следующим основным признакам:
По выходной мощности:
микромощные, < 1 Вт,
маломощные, 1-10 Вт,
средней мощности, 10-100 Вт,
повышенной мощности, 100-1000 Вт,
большой мощности, >1 кВт.
По номинальному значению:
с низким выходным напряжением, <100В,
со средним выходным напряжением, 100-1000В,
с высоким выходным напряжением, > 1кВ.
По допустимому отклонению номинала выходного напряжения:
низкой точности, >5%,
средней точности, 1-5%,
высокой точности, 0.1-1%,
прецизионные,<0.1%.
По пульсации (ВИЭП с выходом на постоянные токи):
малой пульсации выпрямленного выходного напряжения, <0.1%,
средней пульсации, 0.1-1%,
большой пульсации, >1%.
5. По виду входной электроэнергии:
- работающие от сети переменного напряжения (одно- или многофазные),
- работающие от сети постоянного напряжения,
- работающие от комбинированной входной сети.
Различают также сетевые и автономные ВИЭП.
6. По степени постоянства выходного напряжения:
- нестабилизирующие ВИЭП,
- стабилизирующие ВИЭП.
7. По числу выходов питающих напряжений:
- одноканальные ВИЭП,
- многоканальные ВИЭП.
8. По способу стабилизации напряжения:
- с непрерывным регулированием,
- с импульсным регулированием.
9. По методу стабилизации напряжения:
- Параметрические стабилизаторы. Стабилизируют за счет использования
нелинейных элементов. В устройстве ВИЭП отсутствует обратная связь.
- Компенсационные стабилизаторы. Стабилизируют за счет воздействия
изменения выходного напряжения (тока) на его регулирующее устройство
(элемент) через цепь обратной связи. Регулирующий элемент в этих
ВИЭП может включаться как параллельно, так и последовательно с
нагрузкой.
Структурные схемы
преобразователей электроэнергии.
1. Сетевые ВИЭП.
1. Трансформатор не изменяет частоты питающей сети.
Бывает понижающего или повышающего типа в зависимости от
коэффициента трансформации (k=W2/W1).
2. Нерегулируемые выпрямители. Предназначены для питания нагрузки
постоянного тока Rн от промышленных или специальных сетей
переменного тока.
Недостатки нерегулируемых выпрямителей в том, что Uн ~ Uп и Uн = f(Rн).
Однако они применяются довольно часто ввиду простоты и доступности
комплектующих.
Специальные лампы накаливания. Централизованные ВИЭП, от которых
питаются несколько более сложных, но более стабильных ВИЭП,
простейшие зарядные устройства.
Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя используют
реактивные фильтры:
1) емкостные – фильтры С-типа,
2) Г-образные – фильтры LC-типа,
3) П-образные – фильтры CLC-типа,
4) многозвенные фильтры (применяются редко),
5) активные ПП фильтры (применяются все чаще).
3. Регулируемый выпрямитель (РВ).
В РВ совмещены функции преобразования переменного напряжения в
постоянное с функциями регулирования или стабилизации. Их работа
основана на изменении формы выходного напряжения. Например, Uвых
изменяют за счет изменения угла открывания силовых тиристоров под
действием маломощного сигнала управления.
РН – регулятор переменного напряжения со стабилизацией. Бывает
транзисторного или дроссельного типа.
4. Стабилизирующие выпрямители включают дополнительные
стабилизирующие устройства на входе или на выходе выпрямителя.
С – непрерывный или импульсный стабилизатор напряжения.
Стабилизатор находится на стороне постоянного тока. Непрерывные
стабилизаторы, включенные на выходе нерегулируемого выпрямителя, кроме
функции стабилизации выходного напряжения В (В+Ф) обеспечивают также
эффективное сглаживание пульсаций этого напряжения.
5. ВИЭП с бестрансформаторным входом.
В последнее время в связи со снижением удельной энергоемкости
радиоаппаратуры и необходимостью резкого уменьшения веса и габаритов
ВИЭП возросло практическое применение ВИЭП с бестрансформаторным
входом.
Здесь переменное входное напряжение (например, однофазное в 220В, 50Гц
или трехфазное в 380В, 50Гц) преобразуется бестрансформаторным
выпрямителем в сравнительно высокое напряжение постоянного тока:
220В – в 311В (среднее) – в 340В (с учетом возможной нестабильности),
380В – в 537В (среднее) – в 590В (с учетом возможной нестабильности).
На выходе фильтра включают импульсный стабилизатор напряжения
постоянного тока, который, во-первых, понижает напряжение до 100-150В, а
во-вторых, осуществляет стабилизацию выходного напряжения источника
питания. ОС можно брать и с выхода ИC, но в этом случае будет Uн(Rн). Для
дальнейшего уменьшения габаритов и массы ВИЭП выходное напряжение
инвертора имеет прямоугольную форму (но нужно сглаживать) и ИС и И
работают при повышенных частотах преобразования в 10-50кГц. ВЧ
инверторный трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию цепи от
питающей сети. На ВЧ параметры С-фильтра тоже малы.
Подобная схема, где функции ИC и И совмещены в регулируемом
инверторе:
6. Наряду с потребителями энергии постоянного тока (сетевыми ВИЭП
постоянного тока) существуют:
- анодные и сеточные цепи электронных ламп,
- ПП приборы и ИС, реле и электромеханические переключатели,
- цепи управления магнитных усилителей,
- аккумуляторы.
РЭА использует также электроэнергию переменного тока в следующих
элементах:
- цепи накала электронных ламп, трубок,
- магнитные усилители,
- цепи сигнализации и блокировки,
- вибраторы,
- электродвигатели, соленоиды и др. электромеханические устройства.
Значительная часть этих потребителей требует стабильных по значению и
частоте переменных напряжений, причем частота м. б. значительно выше
частоты первичной сети (например, бортовая сеть в 400Гц). Последнее
связано с необходимостью уменьшения габаритов и массы
электромеханических устройств, радиоэлектронных систем за счет
значительного увеличения частоты.
Сетевые ВИЭП переменного тока.
Сетевые ВИЭП переменного тока основаны на промежуточном
преобразовании переменного тока в постоянный с последующим
инвертированием.
Трансформатор нестабилизирован, Uн~Uп, Uн=f(Rн):
Простые методы стабилизации:
Сетевые ВИЭП переменного тока
повышенной мощности.
Наиболее остро проблема стоимости, веса и габаритов стоит для мощных
преобразователей. Для них наиболее эффективен переход на повышенные
рабочие частоты.
При проектироваании таких преобразоваателей начинают обращать
внимание на тот факт, что для каждого типа нагрузок (имеющих конкретное
применение) после первичного преобразования напряжение можно
разделить на две составляющие: постоянную и пульсирующую
(переменную). Каждую из составляющих квазипостоянного промежуточного
напряжения можно регулировать или инвертировать раздельно по двум
каналам. На выходе ВИЭП напряжения двух каналов можно сглаживать и
подавлять в Rн. В таких схемах удается значительно уменьшить массу и
габариты сглаживающих фильтров, а в ряде случаев – улучшить показатели
всего ВИЭП.
Использование вольтодобавочных устройств на входе инвертора.
В – силовые диоды,
РВ – малые тиристоры. Они дешевле силовых тиристоров.
Оба инвертора работают синхронно-синфазно. Стабилизация Uн
осуществляется регулируемым выпрямителем на входе инвертора И2.
Оба инвертора работают синхронно (f1=f2) и подключены к общему В-Ф с
регулируемым сдвигом Uвых во времени. Синхронизацию ведомого U2 c U1 и
стабилизацию Uн осуществляет фазосдвигающее устройство.
2. Автономные ВИЭП.
Автономные ВИЭП используют энергию автономного источника
постоянного тока. К ним относятся:
- аккумуляторные батареи,
- солнечные элементы и батареи,
- термоэлектрические преобразователи,
- термоэмиссионные преобразователи,
- топливные элементы,
- ядерные источники и т.п.
Использование таких источников позволяет выполнять РЭА переносной,
устанавливать ее на различных подвижных автономных объектах, на
объектах, удаленных от промышленных энергетических сетей.
Наиболее важными требованиями к автономным ВИЭП являются:
- Масса и габариты. Они должны быть минимальными для снижения затрат
по перемещению и доставке автономной РЭА.
- КПД должен быть минимальным, т. к. мощность источника ограничена.
При низком КПД ВИЭП и РЭА источник должен быть большей емкости,
стоимости, размера и массы. Источник необходимо чаще менять,
увеличиваются эксплуатационные затраты.
- Надежность должна быть максимальной. Из-за удаленности объекта от
промышленных центров возникают сложности с проведением ремонтнопрофилактических и восстановительных работ.
Характерной особенностью автономных первичных источников является
высокая нестабильность напряжения, достигающая 20-30% при, например,
изменении степени освещенности солнечной батареи, разряде
аккумуляторной батареи или ее работе в режиме периодического глубокого
заряда – разряда.
С другой стороны, допустимая в большинстве практически важных случаев
суммарная нестабильность питающих напряжений не должна превышать 35%, а в ряде случаев - 0.1-1%.
Структурные схемы ВИЭП.
1. Простейший одноканальный ВИЭП.
Основной узел – ПП инвертор, преобразующий напряжение постоянного
тока в переменное напряжение прямоугольной, ступенчатой формы заданной
амплитуды и частоты. Силовой трансформатор такого инвертора
обеспечивает электрическую изоляцию выходных цепей друг от друга и от
первичного источника питания.
Основные недостатки:
- низкая стабильность Uн, хуже, чем у Uп,
- однополярное Uн, тогда как требуются несколько питающих напряжений
разной полярности и величины, заземленных или не соединенных с шиной
питания.
2. Многоканальные ВИЭП со стабилизацией питающего напряжения.
В а) включен непрерывный стабилизатор. Его достоинства: нет фильтров на
входе и выходе, нет радиопомех, он миниатюризован, высокая
помехозащищенность. Основной недостаток непрерывного стабилизатора –
его низкий КПД, который не выше c<Uп.min/Uп.max. Поэтому при
Uп.min/Uп.max<0.7 схема а) находит практическое применение при небольшой
выходной мощности ВИЭП (Pн<10Вт).
Схема б) с импульсным стабилизатором характеризуется меньшими
потерями и большими КПД. Преимущества ИС возрастают при расширении
пределов изменения напряжения питания. Однако есть и недостатки: на
входе и выходе должны быть фильтры. Входной фильтр защищает ИС от
внешних помех (ИС часто пробиваются) и уменьшает помехи ИС во
внешнюю цепь. Выходной фильтр предназначен для сглаживания
импульсного UИС и получения U.
Значительно худшие по сравнению с непрерывными динамические
свойства ИС обуславливают появление сравнительно сильных изменений
выходного UИС в моменты коммутации его нагрузки. Такие схемы
используются при Pн=10-100Вт.
В схемах в) и г) выходная мощность стабилизирующего устройства
значительно ниже общей мощности ВИЭП. Выходное напряжение
стабилизирующего устройства суммируется на выходе И с Uп т. о., чтобы их
сумма оставалась постоянной и равной Uп.max при всех режимах работы и
условиях эксплуатации. Снижение мощности стабилизирующей цепи
уменьшает Фвх и ФС и снижает массу и габариты ВИЭП. Такие ВИЭП
используют при Pн>100Вт –в) и г).
3. Многоканальные ВИЭП с индивидуальной оконечной стабилизацией.
Простейшая индивидуальная стабилизация изображена на рисунке а). В
схеме а) в каждую выходную цепь транзисторного инвертора включен свой
регулирующий выпрямитель со сглаживающим LC-фильтром и схемой
управления.
В схеме б) выпрямитель выполняется нерегулируемым, а роль
стабилизирующего устройства играет маломощный стабилизатор
переменного напряжения, выходное напряжение которого суммируется на
входе выпрямителя с переменным напряжением, снимаемым с основного
выхода транзисторного инвертора.
Сигнал ОС изменяет ширину импульсов на выходе т. о., чтобы напряжение
выпрямителя было неизменным при всех режимах. В отличие от схемы а),
где регулируемый выпрямитель рассчитан на малую мощность Рн, выходная
мощность РВ в в) значительно меньше, что ведет к уменьшению массы и
габаритов фильтра. Схема сложная. Все каналы стабилизировать дорого,
особенно если их много. Поэтому целесообразны функциональные схемы с
центральной стабилизацией, включая только дополнительные стабилизаторы
в отдельных каналах.
Стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором напряжения (СН) называется устройство,
поддерживающее неизменным напряжение (ток) на нагрузке при изменении
значений питающего напряжения, нагрузки, температуры окружающей
среды и др. факторов.
По принципу действия стабилизаторы подразделяют на
параметрические и компенсационные.
По способу включения – на: непрерывные и импульсные.
По способу включения регулирующего элемента и Rн различают
последовательные и параллельные стабилизаторы.
1. Параметрические СН – устройства, в которых стабилизация Uн
осуществляется в результате перераспределения напряжения между
линейным и нелинейным элементами. В качестве нелинейных элементов
применяют кремниевые стабилитроны и транзисторы при U от единиц до
сотен вольт и Iн от единиц до сотен миллиампер. Газоразрядные
стабилитроны, как правило, применяют для стабилизации высоких
напряжений (кВ) и малых токах нагрузки (доли мА).
Параметрические СН применяют при Pн13Вт. В составе нет обратной
связи. Они относятся к устройствам непрерывного действия и в большинстве
случаев являются параллельными стабилизаторами. Понижают напряжение
(Uн<Uп).
2. Компенсационные СН являются системами автоматического
регулирования, содержат цепь обратной связи, по которой сигнал с выхода
стабилизатора воздействует на его цепь управления. В качестве
регулирующего элемента, как правило, используют силовые транзисторы.
Компенсационные стабилизаторы – понижающего типа (Uн<Uп), имеют
малый КПД (<80%). Однако они не создают помех. P – до 20Вт.
1.
Импульсные СН. В отличие от непрерывных, импульсные СН
обладают значительно меньшими потерями в силовом регулирующем
элементе и значительно более высоким КПД. Возможность работы на
больших частотах 250кГц и больших мощностях 5200Вт и более (500Вт)
дает преимущества в весогабаритных характеристиках, т. к. на ВЧ
высокочастотные трансформаторы, конденсаторы и дроссели меньше.
Преимущества, импульсных СН особенно ощутимы, при больших
номинальных мощностях и широких пределах изменения Uп. ИСН могут
быть как понижающего, так и повышающего типа. Недостаток – уровень ВЧ
помех выше.
Качество работы стабилизатора оценивается следующими основными
параметрами:
1. Коэффициент стабилизации:
U п U н
K ст 

.
U п U н
Коэффициент стабилизации равен отношению нормированных
квазистатических приращений входного и выходного напряжений при
изменении входного напряжения.
2. Внутреннее сопротивление СН:
rст 
При U н  0.1В , I н  1А rст 
U н
.
I н
0.1
 0.1Ом  . Внутреннее сопротивление
1
СН необходимо уменьшать.
3. Коэффициент сглаживания пульсаций напряжения:
~
Uп Uн
Rп 
~ .
Uп Uн
Rп характеризует фильтрующие свойства СН. Как правило, Rп<Кст (для
КРЕН142).
4. Температурный коэффициент напряжения:
U н T 

.
U н  T
Температурный коэффициент напряжения характеризует изменение
стабилизированного напряжения с изменением температуры окружающей
среды на 10С.
5. КПД:
P
 н.
Pп
КПД – отношение средней мощности, потребляемой нагрузкой, к средней
мощности, потребляемой от сети.
Параметрические стабилизаторы.
Рассмотрим простейший СН на основе стабилитрона.
U cт
rдиф 
I cт
rдиф=150Ом.
Для выбора элементарной базы необходимо учесть два условия,
соответствующие худшим случаям:
I Rогр 
U п min  U cт min
 I cт min  I н max
Rогр
при U п min
I Rогр 
U п max  U cт max
 I cт max  I н min
Rогр
при U п max
Решив систему уравнений, выбираем тип стабилитрона и Rогр.
Рассмотрим пример:
Uп=812В, Uн=4.85.2В, Iн.min=10мА, Iн.max=99мА.
Выберем стабилитрон с Iст.min=1мА, Iст.max=40мА. Тогда:
8  4.8
 32Ом ,
1  99
12  5.2
Rогр 
 136Ом .
40  10
Rогр 
Задача не решается с данным стабилитроном. Для того, чтобы система
решалась, необходимо, чтобы выполнялось условие:
U п. min  U ст. min
U
 U ст. max
 Rогр  п. max
.
I ст. min  I н. max
I ст. max  I н. min
Для приведенных параметров необходимо использовать стабилитрон с
Iст.max250мА.
Pн.min=5В10мА=510-2Вт
Pвх.min=12В(0.25+0,01)А3Вт =1.7%
Pн.max=5В100мА=0.5Вт
Pвх.max=12В(0.25+0,1)А4Вт
=12.5%
При rдиф=2Ом рабочий режим изменяется: U=2Ом(0.25-0,05)А=0.4В.
Uн=50.2В.
Недостаток – низкий КПД, требуется мощный низковольтный стабилитрон.
Как правило, отношение Uп/Uн рекомендуется выбирать примерно равным
1.53, при этом коэффициент сглаживания равен 1030. Т. к. кремниевые
стабилитроны практически безынерционны, то коэффициент сглаживания
пульсаций U по значению примерно равен значениям коэффициентов
стабилизации.
При Uст>6В ТКН>0, при Uст<5В ТКН<0. ТКН Uпр. диодов<0, т. к. с ростом
температуры UБЭ уменьшается:
UБЭ(T)= UБЭ(T0)-(T-T0),
=23мВ/0К.
При T=500K  UБЭ=0.15В.
Поэтому для уменьшения ТКН можно подобрать диоды и составить
стабилизирующие цепочки с малым .
Такой способ снижения ТКН реализован в специальных
термокомпенсированных стабилитронах типа Д818А-Д818Е, КС196АКС196Г. Например, для Д818Е при изменении температуры от –50 до +500С
Uст изменяется всего на 0.1%.
К основному недостатку данного способа термокомпенсации относится
повышенное значение динамического сопротивления (в 3 раза), что
уменьшает коэффициент стабилизации.
Иногда используют многокаскадные схемы стабилизации, но их КПД
очень низок.
Мощность нагрузки может быть повышена за счет эмиттерного
повторителя, питаемого от стабилитрона.
IБ=Iн/(B+1), т. е. VT1 является усилителем тока.
При В=99 и Imax=99мА IБ=I*н.max=1мА.
Rогр 
U п. min  U ст
85
 3
 1500Ом  .
*
I cт. min  I н. max 10  10 3
С другой стороны, Iп.min может быть =0,
Rогр 
U п. max  U ст
12  5

 175Ом  .
*
I cт. max  I н. min 40 10 3
Т. о., система решаема для маломощных стабилитронов,
50(Ом)<Rн<∞,
175Rогр1500 (Ом).
Выбираем Rогр=1кОм.
Pн(Iн=99мА)=5В0,1А=0.5Вт.
 12  5В

PU п  12 В   3
 99 мА  1.27 10 3 Вт  ,
 10 (Ом )

=0.5/1.27=0.39.
КПД в три раза выше.
Недостаток схемы – в повышенном ТКН, т. к. UБЭ(T)= UБЭ(T0)-(T-T0),
=23мВ/0K.
Термочувствительность схемы снижают следующим образом:
Uн=UБ-UБЭ=Uст+UД(T)-UБЭ(T), т. е. UнUст.
Uст м. б. термоскомпенсированным.
Рассмотренные схемы имеют еще один недостаток: они не могут
полностью подавить пульсации.
Рассмотрим эквивалентную схему:
При наличии переменной составляющей входного напряжения на
стабилитроне в точке А также появляются пульсации.
Пусть Uп=10В2В, rдиф.ст=50(Ом), Rогр=1кОм. Rн*=50(Ом)100=5кОм –
сопротивление Rн, приведенное к стабилитрону, Rн*= Rн(В+1).
~
U п  rдиф // Rн* 
~
UА 
,
Rогр  rдиф // Rн* 
т. к. есть обычный резистивный делитель.
Rн*>>rдиф, поэтому (rдиф//Rн*) rдиф.
rдиф<<Rогр, поэтому Rогр+(rдиф//Rн*)Rогр.
~
~ U п  rдиф 2 В  50(Ом )
UA 

 0.1В .
Rогр
103 (Ом )
Т. о., коэффициент сглаживания пульсаций стабилитрона:
~
U п U н 2 В 5В
k пульс 
~ 

 10 .
U п U н 10 В 0.1В
Желательно уменьшать rдиф или увеличивать Rогр для снижения пульсаций на
стабилитроне.
Одним из путей снижения пульсаций стабилитрона без ухудшения его
других характеристик является использование вместо Rогр стабилизатора
тока на основе ПТ или БТ, т. к. rдиф.GI велико.
Диапазон используемых токов стабилизации стабилитронов ограничен.
Поэтому для дальнейшего повышения нагрузочной способности СН на
выходе используют транзисторы по схеме Дарлингтона, В=В1В2.
Импульсные стабилизаторы напряжения
постоянного тока.
Такие устройства включают ключевой элемент, схему управления,
которая в процессе регулирования изменяет параметры управляющих
импульсов на входе ключевого элемента, и накопители энергии – дроссели и
конденсаторы, выполняющие роль сглаживающих фильтров
(демодуляторов). В отличие от стабилизаторов непрерывного действия, в
ИСН рабочая точка транзистора большую часть периода находится в области
насыщения или отсечки, а зону активного режима проходит только в
моменты переключений. Причем средние за период коммутации мощности,
рассеиваемой на регулирующем транзисторе, намного меньше, чем при его
работе в непрерывном режиме. Поэтому КПД ИСН выше, чем у НСН,
особенно при широких пределах изменения Uп. Например, при 23В<Uп<
2  23B =34В и Uн=20В ИСН=85%, НСН=55%.
Повышенные частоты преобразования в ИСН позволяют значительно
уменьшить весогабаритные характеристики трансформаторов и фильтров.
К недостаткам ИСН относятся:
- более сложная схема управления;
- повышенный уровень пульсаций ΔUн, радиопомех, шумов;
- худшие динамические характеристики.
В зависимости от способа стабилизации выходного напряжения различают
три вида схем:
1) ЧИМ – схемы с частотно-импульсной модуляцией. Длительность
импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра постоянна, а
интервалы между ними изменяются пропорционально выходному
напряжению.
2) РСР – релейные системы регулирования. В них формирование импульсов
происходит в моменты пересечения напряжением Uн двух горизонтальных
уровней: нижнего при формировании фронта и верхнего при формировании
среза. Поскольку форма изменения Uн в зависимости от Uп и Iн может быть
различной, то и частота в данной системе может изменяться в широких
пределах. Т. о., здесь изменяются и длительность импульса, и частота.
3) ШИМ – схемы с широтно-импульсной модуляцией. В них длительность
импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра U1 при постоянной
частоте их следования f обратно пропорциональна значению напряжения на
нагрузке.
Сопоставление преимуществ и недостатков ЧИМ, РСР и ШИМ.
ЧИМ имеют сложные схемотехнические решения регулирования f в
широких пределах, особенно при больших изменениях Uп и Uн. Не может
быть синхронизирован с другими устройствами. Применяется редко.
РСР характеризуется сравнительно большой пульсацией Uн, что
обязательно следует из принципа их работы. В ЧИМ и ШИМ можно сделать
ΔUн=0. Основное преимущество РСР состоит в простой схеме управления.
Однако возникают трудности при синхронизации с другими блоками, т. к. f=
ШИМ имеет более сложную схему управления по сравнению с РСР, т. к.
обычно содержит дополнительный задающий генератор. Преимущества
ШИМ:
- обеспечивает высокий КПД и оптимальные частоты преобразования
независимо от напряжения первичного источника питания и тока
нагрузки;
- частота пульсаций на Rн неизменна, что имеет существенное значение для
ряда потребителей;
- реализуется возможность одновременной синхронизации частот
преобразования любого числа ИСН, что исключает опасность
возникновения биений частот. Кроме того, при работе ИСН на
нерегулируемый преобразователь (например, усилитель мощности)
возможна синхронизация частот обоих устройств.
Однотактный ИСН с последовательным
включением РЭ, Lф и Rн.
VD2 – закорачивающий диод;
rI – токосъемный резистор для защиты от КЗ;
VT1 – РЭ.
Данная блок-схема имеет общий характер (м. б. ШИМ, ЧИМ, РСР) и
наиболее часто применяется на практике. Рассмотрим работу этой схемы.
На вход регулирующего транзистора VT1 подается импульсный сигнал от
схемы управления. Изменение скважности таких импульсов происходит под
действием сигнала, поступающего от схемы ОС, вход которой подключен к
выходу ИСН. Дроссель Lф и конденсатор Сф преобразуют однополярные
прямоуголные импульсы переменной скважности, поступающие с
коллектора VT1, в напряжение постоянного тока. Диод VD2 обеспечивает
электрическую цепь для протекания тока в дросселе, когда VT1 закрыт.
Пусть на базу РЭ подаются прямоугольные импульсы напряжения, т. е.
СУ является ИГН.
В момент времени t1 базовый ток VT1 начинает уменьшаться. В течение
t2t1 VT1 остается в режиме насыщения, в его базовой и коллекторной
областях происходит рассасывание избыточных носителей заряда. После
того, как в момент t2 VT1 выходит из насыщения, ток в его коллекторной
цепи начинает убывать. За счет самоиндукции дросселя и запасенной в нем
энергии происходит переполюсовка напряжения на Lф и ток через
закорачивающий диод VD2 начинает быстро расти. При t=t3 Iк=0. В
интервале t3t4 происходит передача энергии, накопленной в СфLф, в
нагрузку. Ток дросселя линейно уменьшается, напряжение нагрузки
несколько убывает. В момент t=t4 в базу VT1 поступает импульс тока
положительной полярности. На входе работает GU и используются
импульсы управляющего напряжения прямоугольной формы. В
коллекторной цепи начинает нарастать ток при одновременном убывании
тока через VD2. VT1 работает здесь в режиме КЗ, т. к. диод VD2 еще открыт.
Пик Iн связан с рассасыванием заряда VD2.
В момент t5 процесс рассасывания избыточных носителей заряда в
базовой области диода VD2заканчивается, ток через диод резко падает, а
напряжение на нем скачком увеличивается до Uп. В интервале t5t6 ток
через дроссель возрастает по линейному закону вплоть до t6, т. е. до
момента, когда базовый ток управляющего транзистора начинает
уменьшаться.
Т. о., коммутационные токи существенно снижают КПД и надежность
схем.
Перегрузки регулирующих транзисторов в 510 раз превышают токи
нагрузки (например, для КТ201 и КТ908), Iки*=(510)Iн. Учитывая, что Iк
VT1 ни в одном из возможных режимов работы ИСН не должен превышать
своего предельно допустимого значения, выбор схемы и элементной базы
является важным этапом разработки. Необходимо:
- выбрать наиболее быстродействующие БТ и Д на данные токи;
- схемотехнически уменьшить коммутационные токи.
Схемы ИСН всегда рассчитываются, максимально адаптируются к
конкретному применению и оптимизируются.
В установившемся режиме при неизменном Uп, Uн прямо
пропорционально относительной длительности открытого состояния РЭ.
Uн=Uп,
где  - коэффициент заполнения. =tи/T= tиf, где tи – длительность интервала
t7-t5=’’T.
Амплитуда пульсаций тока в дросселе фильтра равна:
I Др 
U п    1   
.
2  Lф  f
IДр=I0ДрΔIДр;
U=LΔI/Δt.
Дроссель разряжается, когда VT1 выключен, что является первопричиной
пульсаций.
1 
 T  tи .
f
За время паузы
U н  Lф
За время импульса
I Др 
2  I Др
T  t4
.
U н  T  tи  U п    1   

.
2  Lф
2  Lф  f
Амплитуда пульсаций выходного напряжения ΔUн определяется из
закона Кулона:
СU=It;
1
2  U н  С ф  2  I Др  0.5  T   ;
2
I Др

 U н  С ф .
4 f
Домножаем на 1/2, т. к. в процессе пульсации IДр линейно изменяется во
времени, т. е. имеет форму треугольника. Поэтому средний ток будет в два
раза меньше амплитуды пульсаций.
Берем (0.5T), т. к. ИСН оптимизирован и токи дросселя примерно равны.
При исключении постоянной составляющей Iн0 можно считать, что дроссель
0,5T подает энергию на Сф, а 0,5T отбирает энергию от Сф.
Отсюда
U    1   
U н  п
2 .
8  Lф  Сф  f
За исключением переходных коммутационных моментов амплитуда тока
коллектора VT1 равна амплитуде тока диода VD2 и равна амплитуде тока в
дросселе фильтра:
IКmax=IДmax=IДр.

U  
Rн
1    ;
I Др max  I КИ  I н  I Др  п 1 
Rн 
I Др min 
2  Lф  f


U п  
Rн
1    .
1 
Rн  2  Lф  f

При уменьшении Lф пульсации возрастают и может наступить режим
прерывистого тока в дросселе фильтра. При этом ухудшается внешняя
(нагрузочная) характеристика стабилизатора. Для обеспечения непрерывного
тока в дросселе его Lф должна удовлетворять следующему неравенству:
Если последнее выражение приравнять нулю, IДрmin=0, то получим
LфRн(1-)/2f.
Для уменьшения коммутационных перегрузок РЭ в его основную цепь
вводят дополнительные токоограничивающие элементы:
а) ИСН с дополнительным однообмоточным дросселем в коллекторной цепи.
Дополнительный дроссель уменьшает Iк/t при рассеивании избыточных
носителей в VD1. Rдоп обеспечивает полное открывание диода VDдоп ик
моменту очередного открывания транзистора. Цепочка для разряда Lдоп.
Lдоп<<Lф. IДдоп max<<IД VD1.
Эффективным средством уменьшения коммутационных токов в силовой
системе ИСН является также использование двухобмоточного дросселя.
б) ИСН с дополнительным двухобмоточным дросселем.
Т. к. нет рассеивания на Rдоп, то КПД выше. Запасенная энергия
возвращается в источник Uп.
в) Амплитуда коммутационного тока может быть уменьшена и за счет
снижения скорости изменения управляющего сигнала в базе VT1. Там
устанавливают малогабаритный ВЧ дроссель (~200мкГн), шунтированный
диодом. Амплитуда коммутационного тока уменьшается примерно в два
раза.
На работу ИСН существенное влияние оказывает характер нагрузки, а
именно скорость изменения ее за счет сопротивления.
Ток дросселя должен превышать прерывистый режим в несколько раз. В
противном случае при резком снижении Rн конденсатор фильтра Сф
разрядится на какое-то время полностью и выходное напряжение будет
равно нулю. Это фактически режим КЗ, несмотря на то, что Rн>0. Как было
показано выше, Lф должна быть не меньше определенного значения:
R  1   
Lф  н
.
2 f
Для оптимального Rн
1 
T
R T
R
 T  tи  . Поэтому Lф  н  н .
f
2
4
4 f
Пример:
Для Uн=12В, f=10кГц, Iн.ном=3А, ΔI=6А, Rн.ном=4(Ом):
Lф 
4
 10  4  Гн   100 мкГн . Пусть Сф разрядился полностью, тогда
4
4 10
Δt=1=LI/Uп=10-4Гн6А/12В=50мкс. Т. о., получается большая задержка.
Это основной недостаток ИСН – оно относительно долго реагируют на
резкое изменение величины нагрузки. Для повышения быстродействия ИСН
необходимо искать новые схемотехнические решения, оптимизировать
параметры фильтра, обеспечивать более мягкие условия нагрузки.
Как правило, в ВЧ ИСН в качестве дросселя используют катушки с
ферромагнитным сердечником. Это позволяет уменьшать габариты, число
витков, уменьшать среднюю длину витка, а значит, и rпр, и потери в проводе
rI2. КПД при этом увеличивается.
Через сердечник течет средний однополярный ток, т. е. сердечник может
войти в насыщение. Этого режима допускать нельзя, т. к. Lф при этом резко
уменьшается, резко возрастает сквозной ток, Uн резко увеличивается и
пульсации резко увеличиваются. Поэтому при выборе и расчете дросселя и
его сердечника необходимо не допустить режима насыщения сердечника.
Положение частичной петли гистерезиса выбирают в зоне максимума
магнитной проницаемости, но таким образом, чтобы обеспечить
непрерывный ток дросселя.
Обычно В20,25Тл. Перепад определяется перепадом тока через дроссель
IДр, В=ДH, где  - диэлектрическая магнитная проницаемость сердечника,
Д=В/H. С увеличением частоты магнитная проницаемость ферритов
уменьшается. Кроме того, силовые высокочастотные БТ не работают на
ВЧ>1МГц, т. е. имеется порог повышения быстродействия ИСН. С
увеличением частоты коммутационные потери VT1 возрастают, Д
уменьшается и число витков дросселя необходимо увеличивать. КПД
уменьшается как из-за БТ, так и за счет потерь в сердечнике. На сегодня
порог частоты составляет около 50100кГц.
Для увеличения диапазона токов в сердечнике вводят немагнитный зазор.
lм – средняя длина магнитопровода.
Введено понятие эквивалентного магнитосопротивления:
Rм=Rм.пр+Rм.з,
где Rм.пр – магнитосопротивление провода,
Rм.з – магнитосопротивление зазора.
Магнитный поток:
Ф=ВSм=Iw/Rм.
lм

Rм 

фер   0  S м  0  S м
 0  4   10 7 Гн / м
w2
L
Rн
 м   0  S м  w2
S  w2
 м  0 м
,
  d ср
lм
где lм – длина магнитопровода.
Т. о., для увеличения IL необходимо уменьшать w, или для уменьшения IL
необходимо увеличивать w. При этом индуктивность возрастает в 4 раза.
wmin= Lmin  R м .
L
I w
 В  Sм .
Rм.пр  Rм. з
При выборе предельной рабочей частоты необходимо помнить, что с
увеличением частоты в сердечниках возрастают динамические потери и
сердечники греются изнутри (магнитные домены поворачиваются). Кроме
Ф
того, сердечники дополнительно нагреваются и от Джоулевого тепла,
выделяющегося в обмотках. В справочниках имеются графики (T).
TК – точка Кюри, в ней =1.
При расчетах необходимо обеспечить нужную L и отсутствие режима
насыщения (Фmax при Imax). При этом Lрасс д. б. >0, Pпот~rI2. Расчет включает:
определение L, выбор сердечника - материал, выбор геометрии, определение
w и Фоптим провода, расчет потерь мощности на fраб, выбор силового ключа
(UКэнас, UВКЭ, вкл, выкл).
Практическая схема простейшего однотактного ИСН с РСР
понижающего типа.
VT1 – силовой ключ,
VT2 – управляющий транзистор,
VT3 – усилитель ошибки,
R1, VD1 – источник опорного напряжения,
VD2 – замыкающий диод,
R2 – шунт, чтобы ток утечки коллекторного p-n перехода не усиливался в
(В+1) раз,
R3 – ограничитель тока базы VT1,
R4 – шунт для VT2,
R5, R6 – делители выходного напряжения,
rI – токосъемный резистор, использован для защиты от перегрузки по току,
С1 –основной фильтр,
С2, Др1, Др2 – фильтр подавления помех,
С3 – конденсатор положительной обратной связи.
Работа схемы: VT2 открыт при открытом VT3, VT3 открыт при UБЭ< на
0,7В Uст, т. е. VT1 открыт при
U в ых  R6
 U ст  U р  n , дроссель накапливает
R5  R 6
энергию. С3 превращает схему в схему с двумя устойчивыми состояниями.
Схема переключается не плавно, а скачком, уменьшаются динамические
потери, VT1 и VT2 не греются.
Влияние вентильных преобразователей
на питающую сеть
Коэффициент мощности вентильных преобразователей.
Если мощности преобразователя и питающей сети соизмеримы, работа
преобразователя оказывает влияние на питающую сеть.
Любой сетевой преобразователь характеризуется коэффициентом мощности:
КМ = P/S, где P- активная мощность потребляемая преобразователем от сети,
S- кажущаяся или полная мощность( зависит от напряжения сети и
потребляемого тока). При больших значениях полной мощности необходимо
увеличивать сечение проводов и прочность изоляции, что увеличивает
установленную мощность оборудования (габариты, вес). Поэтому стремятся
получить P=S, т.е Км=1
При работе сети на активную нагрузку напряжение сети и потребляемый ток
синфазны, поэтому Км =1.
При работе сети на индуктивную нагрузку, возникает фазовый сдвиг между
током и напряжением (ф), из сети потребляется реактивная мощность.
Коэффициент мощности: Км=cos(ф).
Если нагрузка имеет емкостной характер, то в сеть генерируется реактивная
мощность.
При работе сети на неуправляемый выпрямитель с индуктивной нагрузкой,
искажается форма потребляемого тока, который при этом характеризуется
коэффициентом искажения (Ки), что приводит к снижению коэффициента
мощности (Км=Ки). Если сеть работает на управляемый выпрямитель с
емкостным характером нагрузки, кроме искажения тока возникает фазовый
сдвиг и коэффициент мощности при этом равен: Км=Киcos(ф).
Таким образом, коэффициент мощности зависит от режимов работы
преобразователя и характера нагрузки. Для повышения мощности
выпрямителей параллельно нагрузки включают диод, исключающий
передачу накопленной в нагрузке энергии в питающую сеть. Высокие
значения коэффициента мощности можно получить в преобразователях с
искусственной коммутацией вентилей, т.к можно обеспечить симметрию
потребляемого тока относительно питающего напряжения.
Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой
Энергетические показатели в сети
В электрических цепях с несинусоидальной формой тока можно
выделить следующие составляющие мощности .
 активную мощность
, определяемую синусоидальным
напряжением и синусоидальной составляющей тока, находящейся
в фазе с кривой напряжения;
 реактивную мощность
, определяемую синусоидальным
напряжением и синусоидальной составляющей тока, сдвинутой
относительно кривой напряжения;
 мощность искажения
, определяемую синусоидальным
напряжением и высшими гармониками тока;
 полную мощность
.
Понятие коэффициента мощности связано с цепями переменного
тока. В линейных цепях переменного тока, питаемых синусоидальным
напряжением, коэффициент мощности определяется как
, где угол сдвига фаз между синусоидальной кривой напряжения питания и
синусоидальной кривой тока. Причины, приводящие к тому, что
коэффициент мощности становится меньше единицы, обусловлены
явлением накопления энергии и искажением кривой тока по сравнению
с кривой напряжения питания.
В цепях, питаемых переменным синусоидальным напряжением, в
которых появляются периодические токи несинусоидальной формы,
выделяют две составляющие коэффициента
: коэффициент,
обусловленный сдвигом фаз между первой гармоникой тока и
напряжением (
), и коэффициент, обусловленный искажением
кривой тока по отношению к кривой напряжения ( ). Коэффициент
фазового сдвига определяется по выражению
,
коэффициент искажения - по выражению
,
где - действующее значение первой гармоники тока;
- действующее значение тока цепи;
,
где - действующее значение напряжения питания.
В общем виде коэффициент мощности можно найти из выражения
.
От значения коэффициента мощности приемников, подключенных к
питающей сети, зависит степень использования устройств,
вырабатывающих и передающих электроэнергию. Уменьшение
коэффициента мощности должно сопровождаться ограничением
активной мощности, потребляемой этим устройством, что ведет к
ухудшению использования питающей сети, трансформаторов,
распределительных аппаратов и генераторов электрической энергии.
. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности
однополупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла
нагрузки
Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности
двухполупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла
нагрузки
. Трехпульсный (нулевой) выпрямитель. Зависимости составляющих полной
мощности и коэффициента мощности трехфазного выпрямителя от угла
открытия и фазового угла нагрузки
Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности
трехфазного мостового выпрямителя от
и
Коэффициент сдвига при точном учете процесса коммутации
вычисляется следующим образом:
,
где угол коммутации равен
.
При линейной аппроксимации тока на интервалах коммутации
формула для коэффициента сдвига упрощается:
.
По найденным коэффициенту искажения и коэффициенту сдвига
определяется коэффициент мощности как произведение
.
Работа любого преобразователя сопровождается потерями
электрической энергии в различных элементах схемы на их активных
сопротивлениях. Величина этих потерь характеризуется коэффициентом
полезного действия, который зависит от режима работы
преобразователя.
Найдем зависимость коэффициента полезного действия от среднего
значения выпрямленного тока при постоянстве угла регулирования.
Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной
активной мощности на выходе вентильного преобразователя к активной
мощности на входе. Тогда при работе преобразователя в
выпрямительном режиме по определению
,
а при работе в инверторном режиме
,
где
- КПД;
– активная мощность в звене постоянного тока (в
пренебрежении пульсациями тока);
– суммарные потери активной мощности – в
трансформаторе (
), в вентилях (
), фильтре (
), на
вспомогательные нужды (
);
– активная мощность в первичной обмотке трансформатора.
Указанные активные мощности определяются следующим образом:
,
где
и
- мощность потерь в стали трансформатора и примерно
равная ей мощность потерь в режиме холостого хода;
и
- мощность потерь в меди трансформатора и примерно
равная ей приведенная с коэффициентом
мощность потерь в
режиме короткого замыкания:
,
где - число вентилей в преобразователе,
.
Так как все рассмотренные мощности зависят от выпрямленного
тока, то и КПД будет функцией тока нагрузки. В режиме номинального
тока при максимальном выпрямленном напряжении значения КПД
лежат в пределах 0,9...0,96.
Источники реактивной мощности.
Применяются для повышения коэффициента мощности. Делятся на
конденсаторные и тиристорно-конденсаторные. Включаются параллельно
входу преобразователя. На основе конденсаторных схем строят фильтрокомпенсирующие устройства. Пример:
Здесь, ВП- вентильный преобразователь. Изменяя величину угла управления
тиристорами можно изменять характер схемы, изменяя реактивную
мощность системы.
Стабилизаторы тока
Индуктивно-емкостные преобразователи
Индуктивно-емкостные преобразователи электрической энергии (ИЕП)
относятся к параметрическим источникам тока, их действие основано на
явлении резонанса напряжений между реактивными элементами схемы.
Область применения - электрохимические и электродуговые установки
большой мощности. Отличаются высокими энергетическими показателями.
Схема простейшего ИЕП показана на рисунке.
Здесь, L и С – реактивные элементы схемы, Rн – сопротивление нагрузки.
Если реактивные элементы схемы настроены в резонанс на частоту
питающей сети, то величина тока в цепи нагрузки не зависит от величины
нагрузки и определяется по формуле: Iн = U/X, где Х = Хс = Хl сопротивление реактивных элементов, U – действующее значение
напряжения питающей сети.
Рассмотренный преобразователь выполнен на основе Г-образной LCструктуры ИЕП. Существуют схемы ИЕП на основе Г- образной CLструктуры и Т- образных LCL , CLC- структур.
На основе ИЕП строятся выпрямители с параметрической стабилизацией
тока (ТПВ). Схема, однофазного, ТПВ показана на рисунке.
Регулирование тока нагрузки в таких преобразователях возможно тремя
способами: - регулирование за счет изменения напряжения питания
преобразователя (применяются тиристорные и трансформаторнотиристорные регуляторы переменного напряжения при этом возможно
ступенчатое, плавно-ступенчатое и плавное регулирование величины тока);
- регулирование за счет изменения сопротивления реактивных элементов
схемы (применяются контактные и тиристорные коммутаторы, реализуется
ступенчатое и плавное регулирование);
- непосредственное регулирование величины тока нагрузки, применяются
тиристорные и трансформаторно-тиристорные преобразователи, включенные
параллельно нагрузки, реализуется плавное и ступенчатое регулирование).
ТПВ выполненные на основе Т-образных структур ИЕП могут выполнять
функции регулируемых потребителей и генераторов реактивной мощности.
Схема такого преобразователя показана на рисунке.
Тиристоры VD1, VD2 шунтируют индуктивность L1, изменяя угол
управления тиристорами можно изменять величину индуктивности и как
следствие величину реактивной мощности потребляемой или генерируемой
преобразователем. Тиристоры VD5,VD7 и VD6,VD8 работают совместно с
диодами VD3,VD4, образуя мостовой выпрямитель, при этом в зависимости
от того какая пара тиристоров работает, реализуется LCL или CLL структура
индуктивно-емкостного преобразователя. Схема являясь
токопараметрическим выпрямителем может выполнять функции регулятора
реактивной мощности.
Для улучшения массогабаритных показателей совмещают функции
трансформатора и дросселя используя индуктивность рассеяния
трансформатора, а в токопараметрических выпрямителях возможно
применение полярных конденсаторов, как показано на схемах:
На основе однофазных схем выполняются трехфазные преобразователи.
Тиристорно-конденсаторные преобразователи.
Находят применение для питания потребителей большой мощности. На
рисунке показан один из вариантов такого преобразователя. Схема
представляет собой преобразователь постоянного напряжения в постоянное.
Тиристоры в схеме работают парами VS1,VS4 и VS3,VS2 при этом
происходит перезаряд конденсатора и проводившие тиристоры
выключаются. Изменяя частоту переключения тиристоров можно изменять
величину мощности передаваемой в нагрузку: Pн=2CE2f.
Тиристорно-конденсаторный преобразователь постоянного напряжения в
переменное может быть выполнен по следующей схеме:
Тиристоры работают по очереди. При включении тиристора один
конденсатор заряжается, а другой разряжается.
На основе рассмотренных схем разрабатывают преобразователи для питания
электротермических и электрохимических установок. Преобразователи
отличаются простотой, надежностью, хорошими массогабаритными,
показателями. Существуют различные схемотехнические решения таких
преобразователей, например: 1. Однотактные схемы.
В первой схеме, при открывании VS1 конденсатор заряжается
(колебательный заряд) от источника питания. При открывании VS2
конденсатор разряжается через нагрузку. Во второй схеме, при открывании
VS1 конденсатор заряжается током нагрузки, при открывании VS2
конденсатор разряжается через нагрузку. Изменяя частоту включения
тиристоров можно изменять величину передаваемой в нагрузку мощности.
2. Двухтактные схемы.
В первой схеме тиристоры работают парами VS1,VS4 и VS2,VS3. При
включении одной из пар, один из конденсаторов заряжается от источника
питания, а другой разряжается через нагрузку. Во второй схеме тиристоры
работают по очереди, при этом один из конденсаторов заряжается, а другой
разряжается через нагрузку.
Трехфазные преобразователи с неявно выраженным звеном постоянного тока
выполняются по схемам:
Система управления рассмотренными преобразователями должна содержать
датчик тока, включенный последовательно с конденсатором, для контроля
момента выключения тиристоров.
Преобразователи для заряда
аккумуляторных батарей.
Не управляемые преобразователи для заряда АБ выполняют на основе
классических схем выпрямителей, трансформатор которых имеет
повышенную индуктивность рассеяния для ограничения тока в цепи
аккумулятора. Управляемые преобразователи строятся по следующей
структурной схеме:
Часто в таких схемах при напряжении ниже 2,4В на элемент аккумуляторной
батареи - заряд осуществляется постоянным током, а при напряжении выше
2,4В - постоянным напряжением.
Практическое применение при больших мощностях находят схемы на основе
токопараметрических выпрямителей, необходимо учитывать, что для таких
схем аварийным является режим холостого хода, поэтому необходимо
принимать меры для защиты от этого режима.
Мощные бортовые зарядные устройства целесообразно строить на основе
тиристорно-конденсаторных преобразователей постоянного тока в
постоянный.
При открывании VS1 конденсатор заряжается от источника питания через АБ
и L2. При закрывании тиристора ток замыкается в контуре : АБ, L2, VD3.
При открывании VS2 через АБ протекает ток разряда конденсатора с
последующим замыканием в контуре: АБ, L1, VD2.
Преобразователи для электросварки.
Преобразователи для сварки переменным током выполняют на основе
сварочного трансформатора с большой индуктивностью рассеяния.
Для сварки на переменном токе могут применяться индуктивно-емкостные
преобразователи с неточной настройкой реактивных элементов в резонанс
(для защиты от режима холостого хода).
Преобразователи для сварки постоянным током выполняются на основе
управляемых выпрямителей с обратной связью по току, что позволяет
стабилизировать и регулировать величину тока в нагрузке. Существуют
различные схемные решения таких преобразователей. Для улучшения
массогабаритных показателей целесообразно применять высокочастотные
преобразователи, при этом удается получить высокие значения удельного
ампер – массового показателя (5-10А/кг).
Преобразователи для питания электроосветительных
установок.
Электрические источники света по способу генерирования оптического
излучения делятся на температурные и люминесцентные.
Преобразователи, обеспечивающие, высокую стабильность освещенности
выполняются по схеме:
Для управления освещенностью удаленных объектов применяется схема:
Классическая пускорегулирующая аппаратура (ПРА) для люминесцентных
ламп состоит из дросселя и стартера. Применяются накальные
трансформаторы и резонансные ПРА.
Широкое применение при больших мощностях находят тиристорноконденсаторные и индуктивно-емкостные преобразователи.
Источники резервного электропитания.
Обеспечение непрерывности технологических процессов невозможно без
резервного электропитания. Применяются системы двигатель-генератор.
Применение находят электронные системы, в которых в качестве источника
энергии используются аккумуляторные батареи. Существует два принципа
построения таких систем: 1) on-line:
2) off-line:
В зависимости от состояния сети нагрузка подключается с помощью
коммутатора или к сети, или к выходу автономного инвертора.