Глава девятая. АВТОНОМНЫЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

9.1. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Автономные вентильные преобразователи связаны с мощной электрической сетью переменного тока: в качестве источника энергии автономные преобразователи используют источники постоянного тока. Таким источником может быть выпрямитель, преобразующий энергию сети переменного тока, аккумуляторы или другие источники постоянного тока. Автономные преобразователи работают на тономную, отделенную от других источников энергии нагрузку постоянного или переменного тока.

Основными типами автономных преобразователей являются импульсные преобразователи постоянного напряжения, у которых на входе и выходе постоянное напряжение, и инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный.

При питании от источников постоянного напряжения для регулирования мощности постоянного тока в нагрузке с высоким КПД используются импульсные преобразователи (регуляторы) постоянного напряжения с ключевым режимом работы.

На рис. 9.1, а приведена схема такого преобразователя на идеальном ключе, включенном последовательно с нагрузкой (активная нагрузка). При периодическом замыкании и размыкании ключа Кл напряжение на нагрузке принимает вид прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ЭДС питания Е.

Отношение периода следования импульсов Т к длительности импульса называется скважностью (см. § 3.1): Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения .

Рис. 9.1. Схема и временные диаграммы импульсного преобразователя постоянного напряжения при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б) нагрузки

Изменением длительности включенного и выключенного состояния ключа К можно воздействовать на среднее и действующее значения напряжения на нагрузке.

Среднее напряжение на нагрузке

Действующее значение напряжения

Примером активной нагрузки могут служить электрические лампы накаливания и электрические печи сопротивления. Для тех и других существенно действующее значение напряжения. Для нагрузки типа двигателя постоянного тока, аккумуляторной батареи и нагрузки, работающей со сглаживающими фильтрами, важно среднее значение напряжения.

Если нагрузка носит индуктивный характер (например, содержит дроссель для сглаживания выпрямленного напряжения или для ограничения пульсаций тока якоря двигателя постоянного тока), то для того, чтобы при разрыве цепи не было опасных перенапряжений, она шунтируется диодом V0 (рис. 9.1,б). При этом ток в нагрузке становится непрерывным, протекая то через источник Е, когда ключ замкнут (на интервале энергия запасается в нагрузке), то через шунтирующий диод, когда ключ разомкнут (на интервале часть энергии, запасенной в нагрузке, рассеивается). При идеальном ключе напряжение на нагрузке имеет форму прямоугольных импульсов, а ток пульсирует, изменяясь по экспоненциальной зависимости с постоянной времени . При этом среднее и действующее значения напряжения определяются теми же формулами, что и при активной нагрузке.

При активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение тока в нагрузке находится по среднему значению напряжения на нагрузке:

Возможны два способа регулирования выходного напряжения:

широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда для изменения среднего значения тока и напряжения нагрузки изменяют длительность замкнутого состояния ключа при постоянном периоде повторения (рис. 9.2,а, б);

частотно-импульсное регулирование (ЧИР), когда изменяют частоту повторения при постоянной длительности импульса , рис. 9.2, а, в).

В обоих случаях воздействуют на , что приводит к изменению среднего и действующего значения напряжения в нагрузке в соответствии с (9.1), (9.2).

Рис. 9.2. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме рис. 9.1,б при различных способах регулирования напряжения

В качестве ключей импульсных преобразователей постоянного напряжения можно использовать транзисторы, запираемые (двухопераишоюше) тиристоры и обычные однооперационные тиристоры, снабженные узлами принудительной коммутации, т. е. дополнительными схемными элементами, обеспечивающими выключение тиристоров в заданные моменты времени.