Понижающий широтно-импульсный преобразователь

Этот тип преобразователя называется понижающим, так как его выходное напряжение не может превышать входное. В соответствии со схемой (рисунок 3) его называют преобразователем с последовательным ключом.

Рисунок 3 - Понижающий преобразователь постоянного напряжения -аи диаграмма его работы -b

Импульсное преобразование вызывает значительную пульсацию выходного напряжения. Поэтому на выходе преобразователя для уменьшения пульсаций, как правило, включают фильтр. Для рассматриваемой схемы наиболее эффективным и распространенным, особенно при низкоомной нагрузке, является L-фильтр. На рисунке 3,а представлена силовая часть схемы преобразователя с L-фильтром, ключом S и обратным диодом VD. Последний создает цепь протекания тока при выключении ключа S. При отсутствии диода VD будут возникать недопустимые перенапряжения на ключе при его выключении, обусловленные возникновением противо-э.д.с. в индуктивности фильтра. В качестве ключа S могут применяться все разновидности силовых транзисторных ключей и запираемые тиристоры.

При работе преобразователя происходит периодическое изменение двух состояний схемы. Первое состояние (интервал I) (рисунок 3,b) имеет место при включенном ключе S длительностью . На этом интервале ток протекает через индуктивность и нагрузку, диод VD заперт обратным напряжением. За счет тока в индуктивности накапливается электромагнитная энергия. Второе состояние (интервал II)при выключенном состоянии ключа Sв течение времени . На этом интервале ток создается за счет энергии, накопленной в индуктивности на первом интервале, и протекает через диод VD. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузки малым, составим уравнения для I-го интервала

, …………………..(2)

и II–го интервала

……………………(3)

Учитывая, что изменение тока происходит по линейному закону, уравнения можно переписать в виде

…………………….. (4)

. …………………….(5)

Из этих уравнений следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 6,I.

Повышающий широтно-импульсный преобразователь

Этот тип преобразователя называют также импульсным преобразователем с параллельным ключом. Силовая часть схемы преобразователя с параллельным ключом S приведена на рисунке 4,а.

Рис.4. Повышающий широтно-импульсный преобразователь- a, диаграмма его работы - b

Принцип действия преобразователя основан на периодическом накоплении энергии и передаче ее из индуктивности L в цепь и нагрузки R_Н. Чередуются два состояния схемы: включен (интервал I),ключ S выключен (интервал II).На интервале I при замкнутом ключе S то к медленно нарастает, в реакторе L накапливается энергия, во II интервале при разомкнутом ключе Sток протекает через нагрузку, создавая в ней пульсирующее напряжение.

Диаграммы, иллюстрирующие этот режим работы, показаны на рисунке 4 , b. Длительности интервалов I и II составляют и соответственно. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузки малым, составим уравнения

для I-го интервала

, …………………(6)

и II–го интервала

0= L dI / dt ……………….(7)

Учитывая, что изменение тока происходит по линейному закону, уравнения можно переписать в виде

. …………………..(8)

………………..(9)

Из этих уравнений следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 6,II.

Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией

Этот тип преобразователя называется также преобразователем с параллельным индуктивным накопителем. Такое название обусловлено схемой включения реактора (рисунок 5,b). Реактор L накапливает энергию при включенном состоянии ключа S, передает ее в нагрузку.

Рисунок 5 - Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией выходного напряжения- a, диаграмма его работы - b

Диаграммы токов и напряжений в схеме представлены на рисунке 5,b. При включенном ключе (интервал I )к реактору L приложено напряжение Е и он накапливает энергию за счет протекания тока . Длительность этого интервала соответствует времени включенного состояния ключа . При выключении ключа диод VD переходит в проводящее состояние и энергия реактора поступает в нагрузку (интервал II).Длительность интервала II соответствует времени выключенного состояния ключа. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, сопротивление нагрузки малым, с учётом изменения тока по линейному закону можно записать:

. ……………….(10)

Из уравнений состояний следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид показанный на рисунке 6,III.

Рисунок 6 - Регулировочные характеристики импульсных преобразователей: понижающего - I, повышающего –II, повышающего с инверсией –III

В повышающих преобразователях амплитуда импульса напряжения на нагрузке стремится к бесконечности, но следует отметить, что в реальных схемах потери мощности ограничивают выходное напряжение, но не устраняют опасность выхода из строя элементов под воздействием повышенного напряжения. Неблагоприятным в этом отношении является режим холостого хода, когда нагрузка отсутствует. Для уменьшения пульсаций в схемах повышающих преобразователей параллельно нагрузке включают емкостный фильтр.

Реверсивные преобразователи постоянного напряжения

В рассмотренных преобразователях полярность выходного напряжения и направление тока остаются неизменным. Реверсивные преобразователи позволяют не только регулировать среднее значение напряжения, но и изменять его полярность. Они находят применение для регулирования частоты и направления вращения двигателей постоянного тока.

Рисунок 7 - Схема реверсивного преобразователя постоянного напряжения

Схема реверсивного преобразователя (рисунок 7) состоит из моста, образованного тиристорами VT1 …VT4, параллельно которым включены диоды VD1…VD4. Эти диоды служат нулевыми диодами, они обеспечивают протекание тока, вызванного энергией, запасенной в индуктивной нагрузке при запирании тиристоров. Возможны два способа управления тиристорами: симметричный и несимметричный.

Рассмотрим симметричный способ управления тиристорами, временная диаграмма показана на рисунке 8,а.

На диаграмме сплошной утолщенной линией показаны интервалы времени, на которых соответствующие тиристоры открыты. На интервале открыты тиристорыVT1 и VT3. Начиная с точки 1, через них протекает ток .

В точке 2 открываются тиристоры VT2 иVT4, но ток через индуктивную нагрузку не может мгновенно изменить направление. На интервале 2-3 протекает через диоды VD2 иVD4, и только в точке 3 ток меняет свое направление. Он протекает через открытые тиристоры VT2 иVT4.

Рис.8. Диаграмма работы реверсивного преобразователя постоянного

напряжения при симметричном управлении: а - ;b -

На нагрузке формируется напряжение в виде прямоугольных импульсов. Среднее значение импульсного напряжения можно найти как разность средних значений положительных и отрицательных частей импульса

……………………. ( 11)

При напряжение , а при напряжение .

Недостатком симметричного управления тиристорами являются значительные пульсации выходного напряжения. Пульсации можно уменьшить, исключив отрицательную часть в выходном напряжении. Это обеспечивается в несимметричном способе управления тиристорами, диаграмма работы для этого случая показана на рисунке 9.

Для исключения отрицательной части в выходном напряжении (рисунке 9,а) тиристоры VT2 иVT4 постоянно закрыты, тиристорVT3 – постоянно открыт.

Для смены полярности выходного напряжения (рисунок 9,b) тиристоры VT1 и VT3 закрывают, открывают тиристор VT4, напряжение на выходе регулируется изменением длительности .

Рисунок 9 - Диаграмма работы реверсивного преобразователя постоянного напряжения при несимметричном управлении.

Рассмотренные преобразователи постоянного напряжения на основе транзисторов или тиристоров, как правило, дополняются специальными цепочками, ограничивающие скорости нарастания тока и напряжения на них. В зарубежной литературе они имеют название «снабберы».

Лекция 4.