Главная »  Типовые схемы инверторов 

1 2 3 4 ... 38

Типовые схемы инверторов

НАЗНАЧЕНИЕ И РАЗНОВИДНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (пли более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемымп системами [1.1].

Преобразователь, связывающий системы, в одной из которых частота равна нулю (система постоянного тока), а в другой - нет, является преобразователем рода тока.

Полупроводниковые преобразователи (электронные трансформаторы), связывающие системы переменного и постоянного тока, можно разделить на четыре категории:

преобразователи переменного напряжения (преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы п стабилизаторы переменного напряжения и т. п.); пеобразователи переменного напряжения в постоянное, называемые выпрямителями;

преобразователи постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами;

преобразователи постоянного напряжения в постоянное напрялчение с другими параметрами, называемые в дальнейшем для краткости преобразователями постоянного напряжения.

В ряде случаев целесообразно совместное применение двух или более категорий преобразователей. Такие преобразователи называются многокаскадными (составными) или преобразователями с явновыраженным промежуточным звеном постоянного и (или) переменного напряжения.

В сочетании с полупроводниковыми преобразователями могут применяться и другие виды преобразователей электрической энергии (трансформаторы, дроссели, конденсаторы), которые помимо функции преобразования напряжения и числа фаз могут выполнять функции гальванического разделения цепей и изменения формы напряжения (фильтрации). Дроссели и конденсаторы вводятся в преобразователь для накопления и последующей отдачи электри-



ческой энергии, обеспечивая тем самым плавное (или непрерывное) изменение токов и напряжений в силовых цепях преобразователя, несмотря иа ключевой характер работы силовых полупро-зодннковых приборов.

Полупроводниковые преобразователи всех упомянутых четырех категорий могут быть двух видов:

необратимым и, т. е. передающими энергию только в одном

направлении;

обратимыми, т.е. обладающими способностью передачи энергии, как от первой электрической системы ко второй, так и обратно--от второй к первой.

Необратимые преобразователи согласно определению связывают систему питания с системой потребления энергии.

Обратимые преобразователи необходимы в следующих основных случаях:

для связи систем, каждая из которых содержит как источники, так и потребители электрической энергии, и когда между этими системами необходим обмен энергией, например для взаимного резервирования систем, совмещения функций в одном агрегате и т. п..;

для связи системы, содержащей источники н потребители, с другим источником, который на определенном этапе работы системы должен потреблять энергию, например при заряде аккумулятора, работе генератора в стартерном режиме и т. п.; для регулируемой связи системы, содержащей источник и потребители, с другим потребителем, который па определенном этапе работы системы должен стать источником, например при работе электродвигателя в режиме рекуперативного торможения;

для регулируемой связи системы, содержащей источники и потребители, с пассивным реактивным элементом, например с емкостным компенсатором.

Условно к обратимым молено отнести преобразователь, в котором обеспечен возврат реактивной энергии потребителя или накопительного элемента (дросселя) преобразователя в источник питания в течение части полупериода. В этом случае обратный поток энергии всегда меньше прямого, т. е. результирующий поток энергии одионаправлен и функции преобразователя не изменяются, а указанная рекуперация реактивной энергии обеспечивает сохранение формы выходного напряжения независимо от характера нагрузки и повышает тем самым КПД системы.

Переход с прямого режима работы на обратный во всех четырех упомянутых категориях полупроводниковых преобразователей происходит без изменения параметров связуемых электрических систем. Поэтому, например, обратимый преобразователь при прямой передаче энергии работает как инвертор, а при обратной как выпрягуштель.

Преобразователи делятся также на нереверсивные и реверсивные.



в нереверсивных преобразователях полярность напряжения на стороне постоянного напряжения неизменна.

В реверсивных преобразователях полярность постоянного напряжения на выходе преобразователя может изменяться в процессе регулирования, например, когда нагрузкой является реверсивный электродвигатель или обмотка управления электрической машины (аппарата).

Иногда возникает задача обеспечения работы преобразователя при любой полярности входного постоянного напряжения. Такой преобразователь также относится к реверсивным.

В регулируемых преобразователях переменного напряжения к нереверсивным относятся те, в которых выходное напряжение сдвинуто на неизменный фазовый угол относительно входного или этот угол регулируется в пределах до 180 эл. град, а к реверсивным - те, у которых угол сдвига фаз выходного напряжения относительно входного может либо ступенчато изменяться на 180 эл. град, либо плавно регулироваться в пределах до 360 эл. град.

По совокупности признаков обратимости и реверсивности преобразователи разделяются на следующие виды;

одноквадрантные, к которым относятся необратимые нереверсивные;

двухквадрантные, к которым относятся необратимые реверсивные или обратимые нереверсивные;

четырехквадрантные, к которым относятся обратимые реверсивные.

Название вида определяется количеством квадрантов, в которых расположены характеристики связи выходных параметров с входными.

По числу фаз хотя бы одной из связуемых систем преобразователи (инверторы, выпрямители) делятся на однофазные и многофазные.

По числу выходных и (или) входных каналов - на одно-канальные и многоканальные. В последнем случае преобразователь имеет несколько одновременно или независимо регулируемых (стабилизированных) выходов, к каждому из которых подключены потребители. Преобразователь может быть предназначен для питания нагрузки постоянного и переменного токов. Нагрузки между собой могут быть связаны одним проводом (имеют общий провод) или полностью гальванически изолированы. Преобразователи с многоканальным входом используются для одновременного подключения к нескольким источникам питания, например, с целью резервирования, когда один источник является основным, а остальные- резервными.

По соотношению параметров связуемых систем (напряжения, тока, частоты) преобразователи делятся на нерегулируемые ирегулируемые (стабилизированные).

В нерегулируемых преобразователях соотношение входных н выходных параметров неизменно, а в регулируемых изменяется в заданных пределах или выходной параметр поддерживается не-



изменным при изменении входного параметра в заданных пределах.

По способу формирования и регулирования выходного напряжения (тока) преобразователи делятся на о дн озонные и м н о-г о л о п и ы о.

в однозонных преобразователях формирование и (или) регу-лириваыие выходного напряжения (тока) осуществляется путем время-лдитульсиой модуляции на всю глубину (амплитуду) выходного напряжения (тока) путем периодического полного отключения, а затем подключения источника питания.

В многозонных преобразователях формирование и (или) регулирование выходного напряжения осуществляется путем частичной времяимпульсной модуляции в пределах одной зоны, глубина которой Б целое число раз меньше полной глубины (амплитуды) выходного напряжения (тока). Многозонные преобразователи, называемые также многоячейковыми, многотактными, многофазными (если выход на постоянном токе), разделены на несколько преобразовательных ячеек, несколько входных и (или) выходных трансформаторов, несколько секций первичных и (или) вторичных обмоток этих трансформаторов и (или) имеют несколько входов для подключения к нескольким источникам питания и (или) их секциям. Указанные секции, ячейки, источники могут соединяться последовательно, параллельно, последовательно-параллельно или переключаться с последовательного соединения на параллельное (см. гл. 6-8).

Время-пмпульсная модуляция проходит либо поочередно в каждой из секций (ячеек), либо одновременно во всех секциях (ячейках), работающих со взаимным сдвигом. И в том, и в другом случае выходные и входные параметры (напряжение и ток) изменяются в пределах одной зоны, равной общему диапазону регулирования, деленному на число зон (секций, ячеек, источников) .

Несмотря на очевидное усложнение схемы, многозонные преобразователи имеют уменьшенную массу входных и выходных фильтров, повышенное быстродействие и функциональную избыточность (при отказе одной ячейки ее функции выполняют остальные) .

Многозонные (многоячейковые) преобразователи могут использоваться также в тех случаях, когда необходимо:

повысить входное напряжение, не применяя последовательного соединения силовых ключевых элементов;

повысить мощность, не применяя параллельного соединения силовых ключевых элементов;

повысить частоту выходного напряжения, не применяя быстродействующих ключевых элементов (тиристоров с малым временем восстановления);

сохранить высокий КПД при изменении нагрузки в широких пределах;

обеспечить высокую надежность.



Полупроводниковые преобразователи электрической энергии

Преобразователи переменного напряжения

Выпрямители

Ихшерторы

Преобразователи частоты

Преобразователи числа фаз

Регуляторы (стабилизаторы )

Однофазные


njioopaouBa-ТО 1И посто-Я1ПГОГО наиря-жонпя

Д\ногофаз>гь:о

Необратимые

06paTH\ibic

Одноквадрантные

Двухквадрантные

Петырехква-j дрантные

Нереверсивные

Реверсивные

Одноканалъные

Многоканальные

Нерегулируемые

Регулируемые

Одн озонные

НОГОЗОННЬИ

Однотактные

Многотактные

Рис. 1.1. Классификация преобразователей электрической энергии

По характеру работы ключевых силовых элементов преобразователи делятся на однотактные и двухтактные.

В однотактных преобразователях коммутация ключевых силовых элементов происходит один раз за период переменного входного, выходного пли промежуточного напряжения, а в двухтактных- один раз за полупериод.

Классификационная диаграмма по всем рассмотренным признакам приведена на рис. 1.1.



1.2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Принцип преобразования параметров электрической энергии с помощью полупроводниковых ключевых элементов состоит в периодическом соединении и разъединении каждого из выводов входной электрической системы с каждым из выводов выходной электрической системы с определенной функцией во времени (алгоритм коммутации). На рис. 1.2 показан пример построения силовой цепи преобразователя, предназначенного для связи входной электрической системы с тремя выводами (/?гвх = 3) и выходной электрической системы также с тремя выходными выводами (твых = 3).

Помимо основных ключей Клх-Клд иногда используются дополнительные ключи Клю- Кл15, пересоединяющие между собой входные и (или) выходные выводы для обеспечения взаимного обмена реактивной энергией между фазами систем или накапливания этой энергии в индуктиз-ностях источника и (или) наг-грузки.

Ключи, показанные на рис. 1.2, в общем случае являются идеальными, т.е. обладают двухсторонней проводимостью в замкнутом (открытом) состоянии и двухсторонней блокировкой приложенного напряжения в разомкнутом (закрытом) состоянии. Такие ключи должны использоваться в преобразователях переменно-

, Г'/

Т Т г-.

7

>-

Рис. 1.2. Принцип выполнения силовой цепи преобразователя

Характеристика свойств

Блоки

односторонняя

проводи

односторонняя

двухсторонняя

Схема



го напряжения, а также в некоторых обратимых и реверсивных преобразователях других категорий. Для упрощения и повышения КПД в тех преобразователях, где по ключу проходит ток одного направления и (или) приложено напряжение одного направления, используются ключи с односторонней проводимостью и (или) односторонней блокировкой.

Вместо биполярных транзисторов, показанных в табл. 1.1, могут использоваться полевые транзисторы, запираемые тиристоры и т. п. С развитием полупроводниковой интегральной технологии следует ожидать появления новых элементов, выполняющих функции ключа любого класса.

В преобразователях в качестве основных и (или) доиолн[1тель-ных ключей могут в некоторых случаях использоваться и более простые элементы - неуправляемые ключи (диоды и дииисторы) и частично управляемые ключи (обычные тиристоры). Функции этих ключей весьма ограничены, так как их коммутация определяется режимом силовой цепи, и в данной книге они практически не рассматриваются.

Для выбора конкретного схемотехнического решения силового контура преобразователя необходимо определить расчетные мощности (токи) всех силовых элементов, по которым можно судить о массе и габаритах элементов и преобразователя в целом, и потери мощности в элементах, по которым можно судить о КПД преобразователя.

Такого типа анализ проводится в последующих главах данной книги для большинства известных схем силового контура стабилизированных инверторов и преобразователей постоянного напряжения. Управляемые выпрямители и преобразователи переменного напряжения рассматриваются только как составные части многокаскадных схем инверторов и преобразователей постоянного напряжения, поскольку они достаточно полно описаны в специальной литературе [1.2- 1.5].

Таблица 1.1

ровка

двухсторонняя

односторонняя

двухсторонняя



1.3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Простейшие схемы преобразователей постоянного напряжения, предназначенных для питания активной нагрузки, показаны на рис. 1.3.

В схеме на рис. 1.3, а источник питания имеет пренебрежимо малое внутреннее сопротивление (источник напряжения), а в схеме на рис. 1.3, б - большое сопротивление /ист (источник тока).


Рис. 1.3. Простейшие однотактные преобразователи постоянного напряжения

При периодической (с частотой f=l/T) коммутации транзистора Т на нагрузке Rn формируются однополярные импульсы с коэффициентом заполнения, равным относительной длительности открытого состояния транзистора, т.е.

y = tJT. (1.1)

В большинстве практических случаев нагрузка не является чисто активной, а имеет либо индуктивный, либо емкостный характер и может содержать также активные источники (противо-ЭДС). Источники питания также можно разделить на две категории, индуктивные и емкостные, или соответственно источники тока и источники напряжения.

В ряде случаев индуктивный или емкостный характер цепи источника или потребителя создается искусственно путем включения последовательно дросселя или параллельно конденсатора. Это предпринимается для получения малых пульсаций тока (в первом случае) или малых пульсаций напряжения (во втором случае), что необходимо для обеспечения качественной работы источника питания и потребителей, как подключенных к выходу преобразователя, так и соединенных со входом преобразователя.

В зависимости от сочетания характера цепи на входе и выходе различают четыре вида преобразователей постоянного напряжения, связывающих эти цепи (рис. 1.4, табл. 1.2).

Вместо указанных в табл. 1.2 понятий емкостный характер , индуктивный характер в литературе встречаются их синонимы с прерывистым током , с непрерывным током или источник (потребитель) напряжения , источник (потребитель) тока .

Индуктивность Lh(Z>iict) в схемах на рис. 1.4, а, б, г является индуктивностью дросселя, введенного в схему для обеспечения малых пульсаций тока нагрузки (источника). Емкость С„ в схемах на рис. 1.4, б, в является либо емкостью самой нагрузки, либо ем-



Таблица 1.2

Вид преобразователя

Номер рисунка

Характер цепи

Входная (источник)

Выходная (нагрузка)

1.4, а

Емкостный

Индуктивный

1.4, б

Индуктивный

Емкостный

1.4, в

Емкостный

1.4, г

Индуктивный

Индуктивный

костью конденсатора, введенного в схему для обеспечения малых пульсаций напряжения на нагрузке.

В схеме преобразователя вида 1 (рис. 1.4, а) при открытом транзисторе Т происходит передача энергии источника питания в нагрузку Rii и накапливание энергии в дросселе Lh. При закрытом

Lh

а о

л


Рис. 1.4. Типовые схемы необратимых, нереверсивных однотактных преобразователей постоянного напряжения

транзисторе энергия, накопленная в дросселе, передается в нагрузку через диод Д. В схемах преобразователей видов 2-4 при открытом транзисторе Т происходит накапливание энергии в дросселе LiicriLy Lh). При этом нагрузка питается энергией, ранее накопленной в конденсаторе Сн(Ср). При закрытом транзисторе энергия, накопленная в дросселе LncT(Lp, Lh) этих схем, передается в нагрузку через диод Д, причем в схеме вида 4 при этом накапливается энергия в разделительном конденсаторе Ср.

В схемах преобразователя видов 1 и 2 полярность напряжения на нагрузке (Un) и источнике питания (Uu) одинакова относительно общей точки, а в схемах преобразователей видов 3 и 4 - противоположна.

Определим регулировочную характеристику преобразователей, приняв следующие допущения:

индуктивность дросселей и емкость конденсаторов бесконечно велики, т. е. пульсации тока и напряжения пренебрежимо малы;

потери мощности во всех элементах отсутствуют;



Таблица 1.3

Вид преобразователя

Напряжение

ДЛЯ L

для Ljj

нак

рас

У

1/(1-7)

T/(l

икэ

f/n/(l-

фронты переключения транзистора и диода равны нулю. Используя условие равенства нулю среднего значения напряжения, приложенного к дросселю, получаем:

1.2)


где Ulhuk и f/ьрас - напряжение, приложенное к дросселю на этапах накапливания и расходования энергии соответственно.

Значения напряжений /7ьнак и /7ьрас приведены в табл. 1.3. Подставляя эти значения в (1.2) (для преобразователя вида 4

дважды), получаем значения коэффициента передачи преобразования по напряжению ku-Un/Uji, приведенные в табл. 1.3.

Напряжение О'э , приложенное к закрытому транзистору, также приведено в табл. 1.3. Для преобразователя вида 4 напряжение на разделительном конденсаторе Uc=Uk.9-

На рис. 1.5 показаны регулировочные характеристики преобразователей ku= -fiy). Для преобразователя вида 1 (прямая 1) характеристика линейна и коэффициент ku меньше единицы, т. е. преобразователь всегда понижающий. Для преобразователей видов 2иЗ (кривые 2 и 3) характеристика нелинейна и коэффициент ku стремится к бесконечности при 71. Однако, если учесть потери мощности в элементах, ku ограничен некоторым максимальным значением, что подробно рассмотрено в [1.6]. В преобразователях вида 2 коэффициент ku всегда больше единицы, т.е. преобразователь является повышающим, а в преобразователях видов 3 и 4 (кривые 3 и 4) коэффициент ku может быть как больше, так п меньше единицы.

Из сопоставления схем на рис. 1.4 можно установить, что схема преобразователя вида 3 образована сочетанием последовательно включенных схем преобразователей видов 1 и 2, а схема пре-

Рис. 1.5. Регулировочные характеристики преобразователей




1 2 3 4 ... 38



Как выбрать диван



История мебели



Стили кухонной мебели



Публикации



Инверторы



Приемники