Лекция № 33 преобразователи постоянного напряжения

План:

1. Одноплечевой широтно-импульсный преобразователь (ШИП) с симметричным законом управления.

2. Мостовой широтно-импульсный преобразователь.

3. Энергетические характеристики широтно-импульсных преобразователей.

4. Импульсные источники питания постоянного тока.

5. Энергетические характеристики импульсных источников питания.

33.1. Одноплечевой шип с симметричным законом управления

К преобразователям постоянного напряжения относятся широтно-импульсные преобразователи и импульсные источники электропитания постоянного тока [1, 2].

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) используются, как правило, в регулируемых электроприводах постоянного тока. По построению ШИП можно разделить на одноплечевые (рис. 176 а) и мостовые (двухплечевые). Питание первых осуществляется от источника со средней точкой.

Для управления ШИП используются в основном три способа (алгоритма):

• симметричный;

• несимметричный;

• поочередной.

Два последних способа используются только в мостовых ШИП.

При симметричном способе управления транзисторы плеча переключаются в противофазе (рис. 176 г).

Рассмотрим последовательность образования коммутационных интервалов и электромагнитные процессы в ШИП при симметричном управлении для общего случая , нагрузки с противо э.д.с. При включении верхнего по схеме транзистора VT1 и выключении нижнего VT2, образуется цепь + , VT1, , , Е, - (рис. 176 б) для протекания тока нагрузки. К нагрузке в этом интервале прикладывается напряжение питания , а ток увеличивается от минимального значения до максимального (рис. 176 г). Напряжение на транзисторе VT1 на этом интервале равно нулю, а ток равен току нагрузки.

Рис. 176. Одноплечевой ШИП с симметричным законом управления

На транзисторе VT2 напряжение равно 2. Это напряжение является отрицательным для диода D2 и ток через него равен нулю. При включении нижнего по схеме транзистора VT2 и выключении верхнего VT1 ток, поддерживаемый индуктивностью нагрузки, продолжает протекать в том же направлении. При этом образуется цепь, показанная на рис. 176 в, в которой ток нагрузки протекает навстречу э.д.с. и источнику . На этом интервале напряжение на нагрузке изменяет знак, а ток уменьшается.

К транзистору VT1 прикладывается напряжение 2, диод D2 открыт, напряжение на нём равно нулю, а ток равен току нагрузки (рис. 176 в).

Если к началу рассматриваемого интервала в индуктивности нагрузки накоплена достаточная энергия, то такое состояние цепи сохраняется до очередного переключения транзисторов плеча. Если эта энергия недостаточна, то ток может упасть до нуля, а затем изменить направление под действием и э.д.с. В этом случае он переходит с диода D2 на транзистор VT2.

Поскольку диод и транзистор во включённом состоянии считаются идеально замкнутыми ключами, то на анализ электромагнитных процессов перехода тока с диода на транзистор не сказывается. При этом реализуется два состояния силовой части ШИП: одно – когда VT1 включён, а VT2 выключен; второе – когда VT1 выключен, а VT2 включен. Длительности этих состояний соответственно равны Т и (1 - )Т, где - относительная длительность первого состояния, изменяющаяся от 0 до 1.

Поэтому можно считать, что в схеме на периоде образуются два коммутационных интервала, схемы замещения на которых показаны на (рис. 176 б, в). При симметричном законе формируется знакопеременное напряжение на нагрузке, а среднее значение этого напряжения определяется из выражения:

, (1)

оно равно нулю при = 0,5, при > 0,5 среднее напряжение на нагрузке положительное, при < 0,5 – отрицательное. Регулировочная характеристика ШИП при симметричном управлении, рассчитанная по (1), показана на рис. 177.

Функциональная схема управления (СУ), реализующая симметричное управление ШИП, показана на рис. 178 а, а электромагнитные процессы – на рис. 178 б.

Рис. 177. Регулировочная характеристика ШИП при симметричном управлении

Генератор пилообразного напряжения (ГПН), тактируемый генератором импульсов (Г) вырабатывает(пилообразное напряжение) с периодом Т. Схема сравнения (СС) представляет собой релейный элемент, который переключается с плюса на минус и обратно, в момент равенства напряжения с выхода ГПН и напряжения на входе (рис. 178 б). Для управления ШИП распределитель импульсов (РИ) имеет два выхода: один – прямой, второй – инверсный. Эти импульсы, усиленные усилителями, поступают на базы транзисторов VT1, VT2, переключая их в противофазе (рис. 176, 178 б).

Рис. 178. Функциональная схема управления ШИП (а) и электромагнитные процессы (б)