Преобразователи постоянного напряжения (ППН) и частоты (ПЧ)

Содержание

6. Преобразователи постоянного напряжения (ППН) и частоты (ПЧ)

6.1 Принцип действия однотактного инвертора

6.2 Двухтактный инвертор

6.3 Особенности работы полупроводниковых триодов и силовых трансформаторов в ППН

6.4ППН в виде мультивибратора с индуктивными связями

6.5 ППН с усилителем мощности и защитой от перегрузки

6.6 ППН на тиристорах

6.7 Преобразователь частоты (ПЧ) 50/25 Гц

7. Выпрямительные устройства

7.1 Типы ВС

7.2 Параметры ВС при работе на активной нагрузке

7.3 Схема однофазного однополупериодного выпрямления

7.4 Мостовая схема двухполупериодного выпрямления однофазного тока

7.5 Схема однополупериодного выпрямления трехфазного тока

7.6 Схема двухполупериодного выпрямления трехфазного тока

8. Сглаживающие фильтры

8.1 Индуктивный фильтр

8.2 Емкостной фильтр

8.3 Г- образный LC- фильтр

8.4 Г- образный RC- фильтр

8.5 Фильтр с резонансными контурами

8.6 Сложные фильтры

8.7 Активные фильтры (транзисторные фильтры)

8.8 Активный фильтр типа ФК

8.9 Активный фильтр типа ФЭ

8.10 Активный фильтр типа ФШ

9. Особенности работы ВУ при емкостной реакции нагрузки

10. Особенности работы схемы выпрямления при индуктивной реакции

11. Особенности работы выпрямительного устройства на АБ

12. Импульсные стабилизаторы

12.1 Принцип идеи импульсной стабилизации

12.2 Импульсный стабилизатор типа ПН

12.3 Импульсный стабилизатор типа ПВ

12.4 Импульсный стабилизатор типа ПИ

12.5 Импульсный стабилизатор с ШИМ

Преобразователи постоянного напряжения (ППН) и частоты (ПЧ)

ППН преобразуют постоянный ток в переменный или постоянный в постоянный, но другого уровня напряжения. Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертирование, а постоянного тока в переменный называется конвертирование, соответственно ППН – инверторы и конверторы.

Применяются на подвижном составе, чтобы преобразовать на 50-70 В напряжения сети локомотива для питания устройств ЖАТС или для освещения. Поэтому применяются понижающие конверторы или инверторы.

Также вместе с АБ ППН являются резервными источниками электропитания стационарных устройств ЖАТС, когда пропадет внешнее энергоснабжение.

ППН также нашли очень широкое применение в электроприводе, в частности все современные электровозы строятся только с преобразователями.

ПЧ преобразует ток частотой 50 Гц в ток частотой 25 Гц.

Принцип действия инвертора (преобразователя)

Процесс инвертирования имеет два этапа:

1. С помощью периодического замыкания/размыкания ключа размыкается цепь постоянного тока и из переменного получаем постоянный.

2. Переменный ток подается на силовой трансформатор (СТ), где трансформируется до необходимого уровня.

Однотактный инвертор

Рассмотрим временные диаграммы работы схемы при замкнутом и разомкнутом положение ключа. При t = 0 ключ замыкается.

Эквивалентная схема замещения трансформатора имеет вид:

где n – коэффициент трансформации.

В такой схеме переходной процесс на участке 0-t₁ имеет вид:

В момент размыкания ключа t₁ через индуктивность протекает ток I_l, который не может изменяться скачком. Поэтому он продолжает протекать через индуктивность и сопротивление. При этом направление тока нагрузки изменяется на противоположное и величина напряжения на нагрузке равняется I_lR_н.

Очевидно, что поэтому форма импульсов будет несимметрична. Также имеет место подмагничивание сердечника. Амплитуда отрицательного полупериода будет зависеть от величины нагрузки R_н.

Недостатком однотактной схемы является то, что ток от АБ потребляется, когда замкнут ключ в течение одного полупериода.

Двухтактный инвертор

Двухтактный инвертор содержит два однотактных инвертора, ключи К₁ и К₂ всегда имеют противоположные состояния. Силовой трансформатор имеет в первичной цепи две полу-обмотки W₁ = W₂ причём они включены в одном направлении.

Предположим, что замкнут К₂. Тогда от действия U_аб ток протекает, и на выходе образуется импульс одной полярности, затем положение ключей меняется и ток протекает через W₁. Во время каждого периода меняется протекание направление тока, меняется магнитный поток на 180⁰ и напряжение на выходе имеет импульсы одинаковой формы, но противоположной полярности.

В ППН в качестве ключей используются полупроводниковые элементы: триоды и тиристоры.

Схема инвертора

ФИ имеет 2 выхода каждый для своего тиристора, на выходе импульсы небольшой длительности со сдвигом . При запуске инвертора на обмотку II реле защиты РЗподаётся одиночный импульс (Пуск) и РЗ притянет свой якорь при этом замкнуты фронтовые контакты РЗ в цепи питания инвертора и напряжение U_аб подаётся на тиристоры.

Тиристоры будут закрыты т.к. напряжение переключает их больше чем U_аб когда I_у = 0. Одновременно начинает работать ЗГ и ФИ и образуются импульсы управления.

Предположим, что первый импульс поступает на электрод Т₁, амплитуда импульса такова, что тиристор переходит в открытое состояние, тогда от АБ протекает ток. При этом на выходе импульсы одной полярности. При протекании тока по обмотке W₁ (в сердечнике создаётся магнитный поток), который вызовет напряжение в обмотке W₂.

Рассмотрим, какая полярность напряжения будет на обмотках W₁ и W₂ и какая будет амплитуда.

На крайних зажимах СТ напряжение равно сумме напряжение на обмотку W₁ и W₂ и равно 2U_аб.

Это напряжение прикладывается к конденсатору С и он заряжается до величины 2U_аб.

Обозначим полярности конденсатора 2U_аб.

Затем приходит импульс U_фи2 на управляющие электроды тиристора Т₂, и тиристор Т₂ откроется. Конденсатор С начинает разряжаться, причём ток разряда I_с направлен в прямом направлении через Т₂ и обратном через Т₁, т.к. через Т₁ в прямом направлении ток протекает под действием U_аб, а в обратном под действием 2U_аб, следовательно, Т₁ закроется.

Ток протекает через действующие U_аб, W₂ и Т₂ и выходе образуется импульс противоположной полярности, одновременно изменяется полярность на всех обмотках трансформатора. Конденсатору С прикладывается 2U_аб противоположной полярности, и он перезаряжается. Следующий импульс управления приходит на Т₁ и он откроется. Конденсатор начинает разряжаться, причём ток разряда через Т₁ протекает в прямом направлении, а через Т₂ в обратном и Т₂ закроется.

Напряжение U_вых кроме питательного напряжения подаётся на выпрямительный мост В₁ – В₄ и с выхода с моста выпрямляется напряжение, поданное на обмотку I РЗ, под действием этого напряжения протекает ток, и якорь РЗ будет оставаться всё время притянут пока работает инвертор. Если работа инвертора прекратится, то РЗ якорь свой отпустит, будет разорвана цепь U_аб (снято напряжение с инвертора).

Этим будет предотвращен выход из строя тиристора или трансформатора, т.к. через них протекает установившийся постоянный ток, для которого сопротивление тиристора и трансформатора очень мало.

Выпрямительные устройства

ВС – выпрямительная схема.

СФ – сглаживающий фильтр.

СН – стабилизатор напряжения.

Выпрямительные устройства подразделяются по следующим признакам:

1. По типу выпрямительной схемы. Однополупериодные и двухполупериодные схемы выпрямления однофазного, двухфазного, трёхфазного и шестифазного токов.

2. По типу вентилей применяемых в ВС. Вентили – германиевые, кремниевые, селеновые. Наибольшее распространение получили кремниевые, т.к. они обладают высокими рабочими температурами до , большой допустимой плотности тока в прямом направлении, высоким допустимом напряжением, большим сроком службы.

3. По реакции нагрузки. Может быть индуктивная реакция нагрузки, емкостная реакция и работа на противо ЭДС (на АБ), реакция нагрузки проявляется в особенности работы вентилей и сглаживающих фильтров.

4. По возможности изменять величину U_вых. Выпрямительные устройства подразделяются на неуправляемые (НВУ) и управляемые (УВУ). У НВУ между напряжением на входе и выходом жёсткая связь постоянным коэффициентом передачи. А у УВУ напряжение на выходе можно регулировать, изменять при неизменном входом (для этого выпрямительное устройство имеет какое-то управление (рукоятка)).

Типы ВС

1) Схема однополупериодного выпрямления однофазного тока.

2) Схема двухполупериодного выпрямления однофазного тока (мостовая схема).

3) Схема однополупериодного выпрямления двухфазного тока (схема двухполупериодного выпрямления однофазного тока с нулевым выводом у вторичной обмотки силового трансформатора).

4) Схема однополупериодного выпрямления трехфазного тока.

5) Схема двухполупериодного выпрямления трехфазного тока.

6) Схема однополупериодного выпрямления шестифазного тока.

Сглаживающие фильтры

Основной параметр сглаживающих фильтров – коэффициент сглаживания:

,

где - коэффициент пульсации на выходе выпрямительной схемы при ее нагрузке на активном сопротивлении;

- коэффициент пульсации на реальной нагрузке при наличии фильтра.

Сглаживающие фильтры бывают одноэлементные (L или С), двухэлементные (Г-образные, LC- и RC- фильтры), фильтры с резонансными контурами. Все эти фильтры – пассивные. Применяют также и активные транзисторные фильтры.

Индуктивный фильтр

Составим схему замещения:

Для данной схемы можно применить принцип суперпозиции, т.е. независимость действия каждого источника.

Определим коэффициент пульсации, исходя из параметров этой схемы:

, .

Найдем значения и :

, .

Подставим эти значения в :

,

тогда

Для индуктивных фильтров и ,

тогда .

Коэффициент сглаживания зависит от величины нагрузки, что является недостатком индуктивного фильтра. Коэффициент сглаживания будет высоким при малом сопротивлении , поэтому индуктивные фильтры применяются при больших токах нагрузки. При отключении нагрузки или резком ее изменении возникает перенапряжение в схеме.

Емкостной фильтр

Емкостной фильтр представляет из себя емкость, включенную параллельно нагрузке.

, , ,

определяется из временной диаграммы напряжения на конденсаторе. Для этого будем считать:

.

Определим , используя зависимость между напряжением и током конденсатора:

,

тогда .

зависит от . Чем больше , тем больше коэффициент сглаживания, поэтому емкостные фильтры применяются при малых токах нагрузки.

Г- образный LC- фильтр

, , ,

, , .

Найдем и .

Т.к. , , , тогда:

.

Коэффициент сглаживания не зависит от сопротивления нагрузки , а только лишь от индуктивности L и емкости Сфильтра. Практически, при расчете параметров LC- фильтров после определенного произведения L на С, необходимо проверить отсутствие в контуре резонансных явлений. Для этого необходимо, чтобы собственная резонансная частота фильтра была в два раза меньше частоты первой гармоники.

Г- образный RC- фильтр

.

не зависит от величины нагрузки. Данный фильтр, по сравнению с LC- фильтром, наиболее простой и дешевый. А его основным недостатком является рассеивание постоянной составляющей тока на сопротивлении фильтра .

Сложные фильтры

Сложные фильтры содержат несколько цепочечно-включенных фильтров.

.

Активный фильтр типа ФК

Принцип действия этой схемы основан на свойстве триода, который может поддерживать постоянный ток коллектора при различном напряжении питания, если .

является фильтром с высоким коэффициентом сглаживания, поэтому напряжение на базе, а также ток базы будут без пульсаций, т.е. и равен одному из токов (например ).

При изменении напряжения питания от до , рабочая точка триода перемещается по участку 1-2. При этом и напряжение .

Данная схема имеет высокое внутреннее сопротивление, поэтому, как видно из формулы, при изменении будет изменяться величина , что является её недостатком (т.е. схема работает при постоянной нагрузке).

Активный фильтр типа ФЭ

Принцип действия схемы основан на способности триода, который может поддерживать напряжение на эмиттере, равное напряжению на базе. Напряжение на базу подается через и , которые представляют RC- фильтр с большим коэффициентом сглаживания.

Отличием данной схемы от схемы компенсационного стабилизатора на одном триоде является то, что вместо кремниевого стабилитрона установлена емкость . Это обеспечивает устранения только пульсации выпрямленного напряжения, а на плавное изменение схема не реагирует.

Активный фильтр типа ФШ

Принцип действия схемы основан на изменении сопротивления эмиттер - коллектор триода по закону, обратному закону изменения пульсаций на входе.

Например, если возрастает, то через емкость и сопротивление на базу триода подается больше напряжения, триод начинает больше открываться и ток через сопротивление возрастает. При этом увеличивается падение напряжения на сопротивлении , а падение напряжения на триоде Т и примерно остаются постоянными.

Вывод: Активные фильтры имеют малые габариты и вес, высокие коэффициенты сглаживания и нет полей рассеивания (магнитные поля, создаваемые индуктивностью).

Недостатком является дороговизна фильтра по отношению к LC- фильтрам.

Импульсные стабилизаторы

Ранее были рассмотрены только стабилизаторы с непрерывным режимом работы регулирующего элемента. При этом сопротивление регулирующего элемента изменялось плавно, и на нем всегда рассеивалась мощность. Это приводило к снижению энергетических показателей, увеличению габаритов и веса. Поэтому в современных источниках электропитания для устранения данных недостатков применяют регулирующий элемент, работающий в импульсном режиме.

Содержание

6. Преобразователи постоянного напряжения (ППН) и частоты (ПЧ)

6.1 Принцип действия однотактного инвертора

6.2 Двухтактный инвертор

6.3 Особенности работы полупроводниковых триодов и силовых трансформаторов в ППН

6.4ППН в виде мультивибратора с индуктивными связями

6.5 ППН с усилителем мощности и защитой от перегрузки

6.6 ППН на тиристорах

6.7 Преобразователь частоты (ПЧ) 50/25 Гц

7. Выпрямительные устройства

7.1 Типы ВС

7.2 Параметры ВС при работе на активной нагрузке

7.3 Схема однофазного однополупериодного выпрямления

7.4 Мостовая схема двухполупериодного выпрямления однофазного тока

7.5 Схема однополупериодного выпрямления трехфазного тока

7.6 Схема двухполупериодного выпрямления трехфазного тока

8. Сглаживающие фильтры

8.1 Индуктивный фильтр

8.2 Емкостной фильтр

8.3 Г- образный LC- фильтр

8.4 Г- образный RC- фильтр

8.5 Фильтр с резонансными контурами

8.6 Сложные фильтры

8.7 Активные фильтры (транзисторные фильтры)

8.8 Активный фильтр типа ФК

8.9 Активный фильтр типа ФЭ

8.10 Активный фильтр типа ФШ

9. Особенности работы ВУ при емкостной реакции нагрузки

10. Особенности работы схемы выпрямления при индуктивной реакции

11. Особенности работы выпрямительного устройства на АБ

12. Импульсные стабилизаторы

12.1 Принцип идеи импульсной стабилизации

12.2 Импульсный стабилизатор типа ПН

12.3 Импульсный стабилизатор типа ПВ

12.4 Импульсный стабилизатор типа ПИ

12.5 Импульсный стабилизатор с ШИМ

Преобразователи постоянного напряжения (ППН) и частоты (ПЧ)

ППН преобразуют постоянный ток в переменный или постоянный в постоянный, но другого уровня напряжения. Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертирование, а постоянного тока в переменный называется конвертирование, соответственно ППН – инверторы и конверторы.

Применяются на подвижном составе, чтобы преобразовать на 50-70 В напряжения сети локомотива для питания устройств ЖАТС или для освещения. Поэтому применяются понижающие конверторы или инверторы.

Также вместе с АБ ППН являются резервными источниками электропитания стационарных устройств ЖАТС, когда пропадет внешнее энергоснабжение.

ППН также нашли очень широкое применение в электроприводе, в частности все современные электровозы строятся только с преобразователями.

ПЧ преобразует ток частотой 50 Гц в ток частотой 25 Гц.