Устройства согласования уровня и частоты напряжения

Наиболее просто и энергетически эффективно преобразование уровня переменного напряжения осуществляется посредством трансформатора.

При этом возможно два варианта его использования. В первом варианте трансформатор подключается к сети переменного тока, частота напряжения которой 50 Гц. (см. традиционную схему ИВП, приведенную на рис. 2.2, а). Его основной недостаток – значительные масса и объем устройства, обусловленные работой трансформатора на низкой частоте.

Уменьшить массу и объем трансформатора можно, повысив частоту питающего его напряжения с помощью дополнительного устройства - инвертора (см. рис. 2.2, б).

Инвертор – преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение заданной частоты. Частота работы инвертора современных ИВП составляет сотни килогерц. Для реализации данного варианта ИВП с инвертором его входное переменное напряжение необходимо предварительно выпрямить.

Построить инвертор можно на основе рассмотренных выше схем выпрямителей, заменив в них неуправляемые элементы (полупрово­дниковые диоды) упра­вляемыми (транзисторами или тиристорами) и обеспечив их переключение на требуемой частоте.

На рис. 2.9 приведены основные схемы инверторов: однофазные мостовая (a) и полумостовая (б). В обеих схемах обеспечивается соответствующие переключения регулируемых элементов (транзисторов), а входное переменное напряжение заменено постоянным напряжением. При этом на сопротивлении нагрузки R _н формируется напряжение u _н, близкое к прямоугольной форме.

Комбинация инвертора и выпрямителя образует конвертор, который преобразует напряжения одного уровня в напряжение другого уровня.

Изменяя закон управления регулируемыми элементами конвертора, получают необходимый уровеннь выходного напряжения, а используя эту возможность конверторной схемы, создают системы стабилизации выходного напряжения ИВП.

Устройства согласования стабильности напряжения ИВТ

Преобразованное посредством рассмотренных выше устройств по уровню и частоте напряжение, как правило, не может быть непосредственно применено для питания ЭУ, так как коэффициент пульсации и изменение среднего значения выпрямленного напряжения может превышать предельно допустимые значения для современной элементной базы ЭС. Поэтому необходимы дополнительные устройства, которые обеспечили бы заданную стабильность выходного напряжения ИВП.

Обеспечение стабильности выходного напряжения может быть разделено на две задачи, решение которых, в общем случае, осуществляется разными техническими средствами:

· задача стабилизации мгновенных значений выходного напряжения (уменьшение переменной составляющей напряжения (его пульсаций)) – с помощью сглаживающих фильтров,

· задача стабилизации среднего значения выходного напряжения ИВП на заданном уровне – посредством электронных стабилизаторов постоянного напряжения.

Как видно из приведенных ранее временных диаграмм, напряжение на выходе выпрямителя (см. рис. 2.3, в и 2.4, б) в течение периода изменяется от максимального (амплитудного) значения до нуля.

Задача устройства стабилизации мгновенного значения напряжения сводится к поддержанию уровня напряжения, близкого к среднему в течение всего периода его изменения. Для этого необходимы элементы, которые накапливали бы энергию первичного источника питания на интервале, когда входное напряжение выпрямителя превышает среднее выпрямленное напряжение U _ср, и отдавали бы ее в нагрузку на остальной части полупериода, когда напряжение сети меньше U _ср за период. Эту функцию могут выполнить емкостные и индуктивные элементы, способные накапливать энергию соответственно в электрическом и магнитном полях. Устройства, содержащие емкостные и индуктивные элементы, носят название сглаживающих фильтров.

Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризует коэффициент сглаживания k _c, равный отношению коэффициента пульсации на выходе выпрямителя q _{n .вх} (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке q _{n .вых} (после фильтра):  

Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC -фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока.

В бездроссельных активных фильтрах роль индуктивных элементов выполняют обычно транзисторы, сопротивления которых по переменному току при определенных режимах работы могут быть во много раз больше сопротивлений по постоянному току. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания k _c от тока нагрузки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC -фильтрами. Основным недостатком активных транзисторных фильтров является значительное влияние изменения температуры на режимы работы транзисторов.

На рис. 2.10. приведены схемы простейших однофазных сглаживающих LC -фильтров широкого применения.

8.1. Одноэлементный C -фильтр (рис. 2.10, а)

включают параллельно высокоомной наг­рузке R _н, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока.

Сглаживание пульсаций напряжения и тока нагрузки происходит за счёт периодической зарядки конденсатора С фильтра (когда напряжение u _в > u _С) и последующей его разрядки на сопротивление наг­рузки при u _в < u _С.

Временные диаграммы выпрямленного напряжения u _в двухполупериодного выпрямителя В, напряжения на нагрузке u _н и тока вентилей i_d = i_C + i _н, поясняющие принцип действия C -фильтра, изображе­ны на рис. 2.11, а.

В интервале времени от t ₁ до t ₂ конденсатор заряжается (ток i _{С. з}) до амплитудного значения напряжения U _{в. max}, так как в этот период выпрямленное напряжение бóльше напряжения на конденсаторе, т.е. u _в > u _С. В интервале времени от t ₃ до t ₄, когда напряжение u _в < u_C, вентили будут закрыты, конденсатор станет разряжаться на нагрузочный резистор R _н, заполняя разрядным током i _{С р} паузу в токе нагрузки i _н. В этот интервал времени напряжение на нагрузке u _н = u _С снижается до некоторого значения, соответствующего моменту време­ни t ₄, при котором выпрямленное напряжение u _в становится равным нап­ряжению на конденсаторе u _С. После этого вентили вновь открываются, конденсатор С начинает заряжаться, и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

При частоте основной гармоники выпрямленного напряжения u _в сопротивление конденсатора С -фильтра должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки, т.е.

X_C = 1/(n w C) << R _н,

где n - номер основной гар­мо­­ники напряжения u _в; w - угловая частота напряжения трансформатора.

Коэффициент сглаживания С -фильтра

Из выражения коэффициента сглаживания k _с видно, что С -фильтр целесообразно использовать при относительно высокоомной нагрузке R _н.

Требуемая ёмкость конденсатора фильтра при заданном коэффициенте пульсации q_{n 1}:

· для однополупериодной с хемы выпрямления

С ≥ 2/(q_{n 1}ω R _н),

· для двухполупериодной схемы выпрямления

С ≥ 1/(2 q_{n 1}ω R _н).

Коэффициент пульсации обычно выбирают в диапазоне q_{n 1} = 0,01-0,1.

8.2. Одноэлементные L -фильтр и LС -фильтр

Одноэлементный L -фильтр (рис. 2.10, б) включают последовательно с нагрузкой R _н. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки i _н электромагнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (в дросселе). При снижении напряжения u _в< ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рис. 2.11, б).

Коэффициент сглаживания L -фильтра

Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление R _н мало) L -фильтр действует наиболее эффективно.

Требуемая индуктивность дросселя при заданном коэффициенте k _c

L ≥ k _c R _н/(n ω),

где п – номер основной гармоники выпрямленного напряжения u _в.

В LC -фильтре (рис. 2.10, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей (X _C = 1/(n ω C); X _C ≤ R _н), а сопротивление дросселя X_L по переменной составляющей должно быть значительно больше сопротивления Z _пар параллельно соединенных элементов R _н и X_C.

Приняв Z _пар = X_C, коэффициент сглаживания LC -фильтра

Тогда для расчёта L и C имеем

Из этого равенства находят L, задавая С, или находят С, задавая L.

8.3. CRC - и CLC -фильтры

Если при расчёте LC -фильтра мощного выпрямителя получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С >150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный СRC -фильтр: одноэлементное C ₁-звено и Г -образное RC -звено (рис. 2.10, г), у которого где k _c1 и k _c2 – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев.

Активное сопротивление R и ёмкость C СRC -фильтра:

Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после одноэлементного С -фильтра обычно включают дополнительное Г -образное LC -звено. Получившийся П -образный СLС -фильтр (рис. 2.10, д) рассчитывают как двухзвенный: k _c = k _c1 k _c2.

9. Стабилизация среднего значения U _ср выходного напряжения ИВП

Принцип стабилизации осуществляют с помощью дополнительного звена, коэффициент передачи которого по постоянной составляющей изменяется таким образом, чтобы уменьшить или полностью исключить отклонение выходной электрической величины от заданного значения. Звено, выполняющее данную функцию, называют стабилизатором.