Импульсные преобразователи напряжения: принцип работы, виды и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое импульсные преобразователи напряжения. Как работают понижающие, повышающие и инвертирующие преобразователи. Какие преимущества и недостатки у импульсных преобразователей. Где применяются импульсные преобразователи напряжения.

Содержание

Что такое импульсные преобразователи напряжения

Импульсные преобразователи напряжения — это устройства, которые преобразуют постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня за счет импульсного режима работы силовых ключей. Их основное отличие от линейных преобразователей заключается в том, что регулирующий элемент работает в ключевом режиме.

Основные компоненты импульсного преобразователя:

Силовой ключ (транзистор)
Индуктивный накопитель энергии (дроссель)
Емкостной накопитель энергии (конденсатор)
Диод
Схема управления ключом

Принцип работы импульсного преобразователя основан на периодическом накоплении энергии в индуктивном и емкостном элементах во время открытого состояния ключа и передаче этой энергии в нагрузку при закрытом ключе.

Основные виды импульсных преобразователей напряжения

Существует три базовых типа импульсных преобразователей напряжения:

1. Понижающий преобразователь

Преобразует входное напряжение в более низкое выходное. Работает по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Когда ключ замкнут, энергия накапливается в дросселе. При размыкании ключа дроссель отдает накопленную энергию в нагрузку.

2. Повышающий преобразователь

Преобразует входное напряжение в более высокое выходное. При замкнутом ключе ток через дроссель нарастает, накапливая энергию. При размыкании ключа эта энергия передается в нагрузку, суммируясь с энергией источника.

3. Инвертирующий преобразователь

Преобразует входное напряжение в выходное противоположной полярности. Когда ключ замкнут, ток через дроссель нарастает. При размыкании ключа энергия дросселя передается в нагрузку через диод, формируя напряжение обратной полярности.

Преимущества импульсных преобразователей напряжения

Импульсные преобразователи имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линейными стабилизаторами:

Высокий КПД (до 95% и выше)
Малые габариты и вес
Возможность повышения и понижения напряжения
Широкий диапазон входных напряжений
Возможность получения нескольких выходных напряжений

Недостатки импульсных преобразователей

Основные недостатки импульсных преобразователей:

Более сложная схемотехника по сравнению с линейными стабилизаторами
Наличие высокочастотных помех
Более высокая стоимость компонентов
Необходимость применения специальных фильтров

Области применения импульсных преобразователей напряжения

Импульсные преобразователи широко используются в различных областях электроники и электротехники:

Источники питания компьютеров и другой цифровой техники

Зарядные устройства для аккумуляторов
Светодиодные драйверы
Автомобильная электроника
Системы электропитания космических аппаратов
Источники бесперебойного питания
Сварочное оборудование

Как работает понижающий преобразователь напряжения

Рассмотрим принцип работы понижающего преобразователя напряжения более подробно:

Когда ключ замкнут, входное напряжение подается на дроссель. Ток через дроссель начинает линейно нарастать, накапливая энергию в магнитном поле.
В этот момент диод закрыт, а конденсатор разряжается на нагрузку, поддерживая выходное напряжение.
Когда ключ размыкается, ЭДС самоиндукции дросселя поддерживает ток в том же направлении. Диод открывается, и энергия дросселя передается в нагрузку и конденсатор.
Процесс повторяется с частотой переключения ключа. За счет изменения скважности импульсов управления ключом регулируется выходное напряжение.

Расчет параметров понижающего преобразователя

При проектировании понижающего преобразователя необходимо рассчитать следующие основные параметры:

Индуктивность дросселя
Емкость выходного конденсатора
Частоту переключения
Параметры силового ключа и диода

Индуктивность дросселя рассчитывается по формуле:

L = (Uвх — Uвых) * D / (f * ΔI)

где:

Uвх — входное напряжение
Uвых — выходное напряжение
D — коэффициент заполнения
f — частота переключения
ΔI — допустимые пульсации тока

Применение ШИМ-контроллеров в импульсных преобразователях

Для управления работой импульсных преобразователей часто применяются специализированные ШИМ-контроллеры. Они выполняют следующие функции:

Генерация импульсов управления ключом с заданной частотой
Регулирование скважности импульсов для стабилизации выходного напряжения

Защита от перегрузки и короткого замыкания
Плавный пуск преобразователя
Синхронизация работы нескольких преобразователей

Применение специализированных ШИМ-контроллеров позволяет значительно упростить схемотехнику импульсных преобразователей и повысить их надежность.

Выбор компонентов для импульсного преобразователя напряжения

При разработке импульсного преобразователя важно правильно выбрать компоненты:

Силовой ключ

Выбирается исходя из максимального тока и напряжения. Часто используются MOSFET-транзисторы из-за малых потерь на переключение.

Диод

Должен быть быстродействующим, с малым временем восстановления. Популярны диоды Шоттки.

Дроссель

Выбирается с учетом максимального тока и требуемой индуктивности. Важно учитывать потери в сердечнике на высоких частотах.

Конденсаторы

Входные и выходные конденсаторы должны иметь малое ESR для снижения пульсаций.

Правильный выбор компонентов позволяет создать эффективный и надежный преобразователь напряжения.

Импульсные преобразователи напряжения

Простые схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения для питания радиолюбительских устройств

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Сегодня на сайте “Радиолюбитель“ мы рассмотрим несколько схем несложных, даже можно сказать – простых, импульсных преобразователей напряжения DC-DC (преобразователей постоянного напряжения одной величины, в постоянное напряжение другой величины)

Чем хороши импульсные преобразователи. Во-первых, они имеют высокий КПД, и во-вторых могут работать при входном напряжении ниже выходного.
Импульсные преобразователи подразделяются на группы:
– понижающие, повышающие, инвертирующие;
– стабилизированные, нестабилизированные;
– гальванически изолированные, неизолированные;

– с узким и широким диапазоном входных напряжений.
Для изготовления самодельных импульсных преобразователей лучше всего использовать специализированные интегральные микросхемы – они проще в сборке и не капризны при настройке.

Первая схема.
Нестабилизированный транзисторный преобразователь:
Этот преобразователь работает на частоте 50 кГц, гальваническая изоляция обеспечивается трансформатором Т1, который наматывается на кольце К10х6х4,5 из феррита 2000НМ и содержит: первичная обмотка – 2х10 витков, вторичная обмотка – 2х70 витков провода ПЭВ-0,2. Транзисторы можно заменить на КТ501Б. Ток от батареи, при отсутствии нагрузки, практически не потребляется.

Вторая схема.
Стабилизированный транзисторный преобразователь напряжения:
Трансформатор Т1 наматывается на ферритовом кольце диаметром 7 мм, и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ=0,3.

Третья схема.
Нестабилизированный преобразователь напряжения на основе мультивибратора:
Двухтактный нестабилизированный преобразователь на основе мультивибратора (VТ1 и VТ2) и усилителя мощности (VТ3 и VТ4). Выходное напряжение подбирается количеством витков вторичной обмотки импульсного трансформатора Т1.

Четвертая схема.
Преобразователь на специализированной микросхеме:
Преобразователь стабилизирующего типа на специализированной микросхеме фирмы MAXIM. Частота генерации 40…50 кГц, накопительный элемент – дроссель L1.

Пятая схема.
Нестабилизированный двухступенчатый умножитель напряжения:
Можно использовать одну из двух микросхем отдельно, например вторую, для умножения напряжения от двух аккумуляторов.

Шестая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы MAXIM:

Типовая схема включения импульсного повышающего стабилизатора на микросхеме фирмы MAXIM. Работоспособность сохраняется при входном напряжении 1,1 вольта. КПД – 94%, ток нагрузки – до 200 мА.

Седьмая схема.
Два напряжения от одного источника питания:
Позволяет получать два разных стабилизированных напряжения с КПД 50…60% и током нагрузки до 150 мА в каждом канале. Конденсаторы С2 и С3 – накопители энергии.

Восьмая схема.
Импульсный повышающий стабилизатор на микросхеме-2 фирмы MAXIM:
Типовая схема включения специализированной микросхемы фирмы MAXIM. Сохраняет работоспособность при входном напряжении 0,91 вольта, имеет малогабаритный SMD корпус и обеспечивает ток нагрузки до 150 мА при КПД – 90%.

Девятая схема.
Импульсный понижающий стабилизатор на микросхеме фирмы TEXAS:
Типовая схема включения импульсного понижающего стабилизатора на широкодоступной микросхеме фирмы TEXAS. Резистором R3 регулируется выходное напряжение в пределах +2,8…+5 вольт. Резистором R1 задается ток короткого замыкания, который вычисляется по формуле:
Iкз(А)= 0,5/R1(Ом)

Десятая схема.
Интегральный инвертор напряжения на микросхеме фирмы MAXIM:
Интегральный инвертор напряжения, КПД – 98%.

Одиннадцатая схема.
Два изолированных преобразователя на микросхемах фирмы YCL Elektronics:
Два изолированных преобразователя напряжения DA1 и DA2, включенных по “неизолированной” схеме с общей “землей”.

Двенадцатая схема.
Двухполярный стабилизированный преобразователь напряжения на микросхеме фирмы National Semiconductor:

Индуктивность первичной обмотки трансформатора Т1 – 22 мкГн, отношение витков первичной обмотки к каждой вторичной – 1:2.5.

Тринадцатая схема.
Стабилизированный повышающий преобразователь на микросхеме фирмы MAXIM:
Типовая схема стабилизированного повышающего преобразователя на микросхеме фирмы MAXIM.

Четырнадцатая схема
Нестандартное применение микросхемы фирмы MAXIM:

Эта микросхема обычно служит драйвером RS-232. Умножение напряжения получается с коэффициентом 1,6…1,8.

Импульсные и линейные преобразователи

Импульсный преобразователь напряжения

Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:

• частотно-импульсным;

• широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться. Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности, то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Импульсный преобразователь dc dc

Во всех типах импульсных преобразователей dc dc открывание полупроводниковых ключей происходит во время передачи на транзистор специальных импульсов, с последующим запиранием этих транзисторов, в том числе и за счет возникающего напряжения от перезарядки конденсатора. Поэтому коммутирующий блок в таких конверторах отличается от таких же устройств в независимых инверторах.

Как правило, импульсный преобразователь dc dc помогает на нагрузке осуществить контроль за постоянным напряжением во время подключения к электросети постоянного тока за счет регулирования снижения напряжения на открытом полупроводниковом ключе. В этом случае небольшие показатели тока позволяют установить высокий уровень коэффициента полезного действия (КПД), достигающего 90-95%, импульсного конвертора постоянного напряжения при небольших размерах и весе. Такие показатели считаются существенными преимуществами, поэтому импульсный преобразователь нашел широкое применение в таких конструкциях, в которых изначально источником тока является контактная сеть, батарейки, аккумуляторы.

Импульсный повышающий преобразователь с 12 В на 220 В

Очень часто возникают ситуации, когда отсутствует источник электропитания, но необходимо запитать бытовые электроприборы, например, от сети автомобиля. В этом случае используют импульсный повышающий преобразователь. Существует много схематических конструкций, в которых импульсный преобразователь 12 220 работает на повышенной частоте питающего напряжения. К такому импульсному повышающему преобразователю могут подсоединяться любые бытовые приборы, работающих на частоте 50 Гц, мощность которых не превышает максимальную и имеет защиту от перегрузки в сети по напряжению. Такое решение имеет свои преимущества, среди которых основные:

• длительный режим работы даже при максимальной загруженности;

• регулирование выходной мощности происходит автоматически;

• за счет повышенного КПД достигается высокая надежность и нормальный режим работы устройства.

5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Рисунок 5. 1

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U_Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U_н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U_н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t_и и паузой t_п (рисунок 5.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U_н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

, (5.1)

где — коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t_и =0; γ=0) до Е (t_и =T; γ=1).

Рисунок 5.2

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t_и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением: (5.2)

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное применение ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t_и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 5.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z_н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L_ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г — образный LC фильтр. Диод VD₀ предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , U_вых=Е, диод VD₀ закрыт. Через нагрузку протекает ток i_н по цепи (+Е)-К- L_ф-Z_н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t₂-t₃, t₄-t₅ связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L_ф и индуктивностью нагрузки L_н и замыкается через VD₀ вследствие чего U_вых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L_ф и подводящих проводом U_н=U_вых , определяется средним значением U_вых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i_н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.

Импульсные преобразователи напряжения

Импульсные преобразователи напряжения — это преобразователь напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть регулирующий элемент находится или в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, или в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением. Сглаживание пульсаций выходного напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента, способного накапливать электрическую энергию и отдавать её в нагрузку.

Принцип работы: важнейшими элементами импульсного источника питания являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку.

Рис.1 Структурная схема импульсного преобразователя

Достоинства импульсных преобразователей напряжения:

Работают в большом диапазоне частот – от 100кГц до 1МГц
Очень высокое кпд около 95%
Работает при больших токах
Малые габариты и масса
Небольшая стоимость

Недостатки импульсных преобразователей напряжения:

Наличие импульсных помех, за счет переключения ключа

Понижающий преобразователь напряжения

Рис. 2 Понижающий преобразователь напряжения

Принцип работы: в первый момент времени ключ S замкнут, ток от источника течет через индуктивный элемент L и емкостной элемент C: происходит зарядка (накапливают энергию) L и С. Диод D в этот момент времени закрыт. Затем ключ размыкается, при этом источник отключается от цепи, цепь питается за счет накопленной энергии в индуктивном элементе, ток на катушке падает. В этот момент диод открыт, т.к индуктивный элемент поменял полярность. Емкостной элемент сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий преобразователь напряжения

Рис. 3 Повышающий преобразователь напряжения

Принцип работы: в первый момент времени когда, ключ открыт, ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод D при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии. Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе энергии. Затем ключ размыкают ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод D. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания. Расчеты должны быть очень точные, т.к схема нестабильна.

Инвертирующий преобразователь напряжения

Рис. 4 Инвертирующий преобразователь напряжения

Принцип работы: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивности. Диод D закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. Когда ключ размыкается ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод D, сопротивление нагрузки R и конденсатор С. Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака.

Силовая электроника — Импульсные преобразователи

Фазоуправляемый преобразователь преобразует энергию переменного тока в постоянный (коммутируемая линия). Другими словами, он используется при преобразовании переменного тока с фиксированной частотой и постоянного напряжения в выходное переменное напряжение постоянного тока. Выражается как

Фиксированный вход — напряжение, частота и мощность переменного тока
Переменный выход — выход постоянного напряжения

Фиксированный вход — напряжение, частота и мощность переменного тока

Переменный выход — выход постоянного напряжения

Входное напряжение переменного тока, которое поступает в преобразователь, обычно имеет фиксированное среднеквадратическое значение (среднеквадратичное значение) и фиксированную частоту. Включение тиристоров с фазовым управлением в преобразователь обеспечивает получение переменного выходного напряжения постоянного тока. Это стало возможным благодаря изменению фазового угла, при котором запускаются тиристоры. В результате получается пульсирующий сигнал тока нагрузки.

Во время полупериода входного питания тиристор находится в прямом смещении и включается посредством применения достаточного импульса затвора (триггер). Ток начинает течь после включения тиристора, то есть в точке ωt = α до точки ωt = β. В тот момент, когда ток нагрузки падает до нуля, тиристор отключается в результате коммутации линии (естественной).

Есть много силовых преобразователей, которые используют естественную коммутацию. К ним относятся —

Преобразователи переменного тока в постоянный
Преобразователи переменного тока в переменный
Регуляторы переменного напряжения
Cycloconverters

Вышеупомянутые преобразователи энергии будут объяснены в следующих главах этого руководства.

2- Импульсный преобразователь

Двухфазный импульсный преобразователь, также известный как генератор модуляции ширины импульса уровня 2 (PWM), используется для генерации импульсов для преобразователей с широтно-импульсной модуляцией, которые основаны на несущей. Это достигается с помощью топологии второго уровня. Этот блок управляет переключающими устройствами для целей управления, такими как IGBT и FET, которые существуют в трех типах преобразователей, а именно:

1 рука (однофазный полумост)
2 руки (однофазный полный мост)
3 руки (трехфазный мост)

Опорный входной сигнал в 2-импульсном преобразователе сравнивается с несущей. Если опорный входной сигнал больше несущей, импульс равен 1 для верхнего устройства и 0 для нижнего устройства.

Для управления устройством с однофазным полным мостом (2 плеча) необходимо применять униполярную или биполярную широтно-импульсную модуляцию. В униполярной модуляции каждое из двух плеч контролируется независимо. Второй опорный входной сигнал генерируется внутри за счет перехода в начальной точки отсчета на 180 °

Когда применяется биполярный ШИМ, состояние нижнего переключающего устройства во втором однофазном полномостовом мосту аналогично верхнему переключателю в первом однофазном полномостовом устройстве. Использование униполярной модуляции приводит к плавным колебаниям переменного тока, в то время как биполярная модуляция приводит к меньшему изменению напряжения.

3-импульсный преобразователь

Рассмотрим трехфазный 3-импульсный преобразователь, в котором каждый из тиристоров находится в режиме проводимости в течение третьего цикла питания. Самое раннее время, когда тиристор запускается в проводимость, составляет 30 ° относительно фазового напряжения.

Его работа объясняется использованием трех тиристоров и трех диодов. Когда тиристоры T1, T2 и T3 заменены диодами D1, D2 и D3, проводимость начнется под углом 30 ° относительно фазовых напряжений u _an , u _bn и u _cn соответственно. Следовательно, угол срабатывания α первоначально измеряется при 30 ° по отношению к соответствующему ему фазному напряжению.

Ток может течь только в одном направлении через тиристор, что аналогично режиму работы инвертора, когда мощность течет со стороны постоянного тока на сторону переменного тока. Кроме того, напряжение в тиристорах контролируется путем управления углом зажигания. Это достигается при α = 0 (возможно в выпрямителе). Таким образом, 3-импульсный преобразователь действует как инвертор и выпрямитель.

6-импульсный преобразователь

На рисунке ниже показан шестиимпульсный мостовой управляемый преобразователь, подключенный к трехфазному источнику. В этом преобразователе число импульсов вдвое больше, чем фаз, то есть р = 2 м . Используя одну и ту же конфигурацию преобразователя, можно объединить два моста из шести импульсов, чтобы получить преобразователь из двенадцати или более импульсов.

Когда коммутация недоступна, два диода будут работать в любое конкретное время. Кроме того, чтобы получить падение напряжения на нагрузке, два диода должны быть расположены на противоположных опорах моста. Например, диоды 3 и 6 не могут быть включены одновременно. Следовательно, падение напряжения на нагрузке постоянного тока представляет собой комбинацию линейного напряжения VL от трехфазного источника.

Важно отметить, что чем больше количество импульсов, тем больше коэффициент использования преобразователя. Кроме того, чем меньше количество импульсов, тем меньше использование преобразователя.

Какие бывают преобразователи напряжения. Преобразователь напряжения. Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжениямогут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

Инвертирующие.
Повышающие.
Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

Ключевой коммутирующий элемент.
Источник питания.
Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:

Магнитопровод.
Первичная и вторичная обмотка.
Каркас для обмоток.
Изоляция.
Система охлаждения.
Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:

Регуляторы напряжения.
Преобразователи уровня напряжения.
Линейный стабилизатор напряжения.

Преобразователи переменного тока в постоянный:

Импульсные стабилизаторы напряжения.
Блоки питания.
Выпрямители.

Преобразователи постоянного тока в переменный:

Преобразователи переменного напряжения:

Трансформаторы переменной частоты.
Преобразователи частоты и формы напряжения.
Регуляторы напряжения.
Преобразователи напряжения.
Трансформаторы разного рода.

Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:

На пьезоэлектрических трансформаторах.
Автогенераторные.
Трансформаторные с импульсным возбуждением.
Импульсные источники питания.
Импульсные преобразователи.
Мультиплексорные.
С коммутируемыми конденсаторами.
Бестрансформаторные конденсаторные.

Особенности

При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение

Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6-24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
Для питания различных цепей;

— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Достоинства и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.

К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:

Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
Занимают некоторое место.
Сравнительно высокая цена.

Для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие (рис. 1), повышающие (рис. 2) и инвертирующие (рис. 3).

Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов :

источник питания,
ключевой коммутирующий элемент,
индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель),
блокировочный диод,
конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки.

Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии.

Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий импульсный преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 1) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки RH и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.

Рис. 1. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки RH, Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 2) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 2. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит все то же сочетание основных элементов, но снова в ином их соединении (рис. 3): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки RH с конденсатором фильтра С1.

Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.

Рис. 3. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.

Работает преобразователь так: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1.

Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака (инверсное, противоположное по знаку напряжению питания).

Импульсные преобразователи и стабилизаторы

Для стабилизации выходного напряжения импульсных стабилизаторов любого типа могут быть использованы обычные «линейные» стабилизаторы, но они имеют низкий КПД, В этой связи гораздо логичнее для стабилизации выходного напряжения импульсных преобразователей использовать импульсные же стабилизаторы напряжения, тем более, что осуществить такую стабилизацию совсем несложно.

Импульсные стабилизаторы напряжения, в свою очередь, подразделяются на стабилизаторы с широтно-импульсной модуляцией и на стабилизаторы с частотно-импульсной модуляцией. В первых из них изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования. Во вторых, напротив, изменяется частота управляющих импульсов при их неизменной длительности. Встречаются импульсные стабилизаторы и со смешанным регулированием.

Ниже будут рассмотрены радиолюбительские примеры эволюционного развития импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения.

Узлы и схемы импульсных преобразователей

Задающий генератор (рис. 4) импульсных преобразователей с нестабилизированным выходным напряжением (рис. 5, 6) на микросхеме КР1006ВИ1 работает на частоте 65 кГц. Выходные прямоугольные импульсы генератора через RC-цепоч-ки подаются на транзисторные ключевые элементы, включенные параллельно.

Катушка индуктивности L1 выполнена на ферритовом кольце с внешним диаметром 10 мм и магнитной проницаемостью 2000. Ее индуктивность равна 0,6 мГн. Коэффициент полезного действия преобразователя достигает 82%.

Рис. 4. Схема задающего генератора для импульсных преобразователей напряжения.

Рис. 5. Схема силовой части повышающего импульсного преобразователя напряжения +5/12 В.

Рис. 6. Схема инвертирующего импульсного преобразователя напряжения +5/-12 В.

Амплитуда пульсаций на выходе не превышает 42 мВ и зависит от величины емкости конденсаторов на выходе устройства. Максимальный ток нагрузки устройств (рис. 5, 6) составляет 140 мА .

В выпрямителе преобразователя (рис. 5, 6) использовано параллельное соединение слаботочных высокочастотных диодов, включенных последовательно с выравнивающими резисторами R1 — R3.

Вся эта сборка может быть заменена одним современным диодом, рассчитанным на ток более 200 мА при частоте до 100 кГц и обратном напряжении не менее 30 В (например, КД204, КД226).

В качестве VT1 и VT2 возможно использование транзисторов типа КТ81х структуры п-р-п — КТ815, КТ817 (рис. 4.5) и р-п-р — КТ814, КТ816 (рис. 6) и другие.

Для повышения надежности работы преобразователя рекомендуется включить параллельно переходу эмиттер — коллектор транзистора диод типа КД204, КД226 таким образом, чтобы для постоянного тока он был закрыт.

Преобразователь с задающим генератором-мультивибратором

Для получения выходного напряжения величиной 30…80 В П. Беляцкий использовал преобразователь с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора с выходным каскадом, нагруженным на индуктивный накопитель энергии — катушку индуктивности (дроссель) L1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема преобразователя напряжения с задающим генератором на основе несимметричного мультивибратора.

Устройство работоспособно в диапазоне питающих напряжений 1,0. ..1,5 В и имеет КПД до 75%. В схеме можно применить стандартный дроссель ДМ-0,4-125 или иной с индуктивностью 120.. .200 мкГн.

Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения показан на рис. 8. При подаче на вход каскада управляющих сигналов прямоугольной формы 7777-уровня (5 В) на выходе преобразователя при его питании от источника напряжением 12 В получено напряжение 250 В при токе нагрузки 3…5 мА (сопротивление нагрузки около 100 кОм). Индуктивность дросселя L1 — 1 мГн.

В качестве VT1 можно использовать отечественный транзистор, например, КТ604, КТ605, КТ704Б, КТ940А(Б), КТ969А и др.

Рис. 8. Вариант выполнения выходного каскада преобразователя напряжения.

Рис. 9. Схема выходного каскада преобразователя напряжения.

Аналогичная схема выходного каскада (рис. 9) позволила при питании от источника напряжением 28В и потребляемом токе 60 мА получить выходное напряжение 250 В при токе нагрузки 5 мА , Индуктивность дросселя — 600 мкГч. Частота управляющих импульсов — 1 кГц.

В зависимости от качества изготовления дросселя на выходе может быть получено напряжение 150…450 В при мощности около 1 Вт и КПД до 75%.

Преобразователь напряжения, выполненный на основе генератора импульсов на микросхеме DA1 КР1006ВИ1, усилителя на основе полевого транзистора VT1 и индуктивного накопителя энергии с выпрямителем и фильтром, показан на рис. 10.

На выходе преобразователя при напряжении питания 9В и потребляемом токе 80…90 мА образуется напряжение 400…425 В . Следует отметить, что величина выходного напряжение не гарантирована — она существенно зависит от способа выполнения катушки индуктивности (дросселя) L1.

Рис. 10. Схема преобразователя напряжения с генератором импульсов на микросхеме КР1006ВИ1.

Для получения нужного напряжения проще всего экспериментально подобрать катушку индуктивности для достижения требуемого напряжения или использовать умножитель напряжения.

Схема двуполярного импульсного преобразователя

Для питания многих электронных устройств требуется источник двухполярного напряжения, обеспечивающий положительное и отрицательное напряжения питания. Схема, приведенная на рис. 11, содержит гораздо меньшее число компонентов, чем аналогичные устройства, благодаря тому, что она одновременно выполняет функции повышающего и инвертирующего индуктивного преобразователя.

Рис. 11. Схема преобразователя с одним индуктивным элементом.

Схема преобразователя (рис. 11) использует новое сочетание основных компонентов и включает в себя генератор четырехфазных импульсов, катушку индуктивности и два транзисторных ключа.

Управляющие импульсы формирует D-триггер (DD1.1). В течение первой фазы импульсов катушка индуктивности L1 запасается энергией через транзисторные ключи VT1 и VT2. В течение второй фазы ключ VT2 размыкается, и энергия передается на шину положительного выходного напряжения.

Во время третьей фазы замыкаются оба ключа, в результате чего катушка индуктивности вновь накапливает энергию. При размыкании ключа VT1 во время заключительной фазы импульсов эта энергия передается на отрицательную шину питания. При поступлении на вход импульсов с частотой 8 кГц схема обеспечивает выходные напряжения ±12 В . На временной диаграмме (рис. 11, справа) показано формирование управляющих импульсов.

В схеме можно использовать транзисторы КТ315, КТ361.

Преобразователь напряжения (рис. 12) позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение 30 В. Напряжение такой величины используется для питания варикапов, а также вакуумных люминесцентных индикаторов.

Рис. 12. Схема преобразователя напряжения с выходным стабилизированным напряжением 30 В.

На микросхеме DA1 типа КР1006ВИ1 по обычной схеме собран задающий генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой около 40 кГц.

К выходу генератора подключен транзисторный ключ VT1, коммутирующий катушку индуктивности L1. Амплитуда импульсов при коммутации катушки зависит от качества ее изготовления.

Во всяком случае напряжение на ней достигает десятков вольт. Выходное напряжение выпрямляется диодом VD1. К выходу выпрямителя подключен П-образный RC-фильтр и стабилитрон VD2. Напряжение на выходе стабилизатора целиком определяется типом используемого стабилитрона. В качестве «высоковольтного» стабилитрона можно использовать цепочку стабилитронов, имеющих более низкое напряжение стабилизации.

Преобразователь напряжения с индуктивным накопителем энергии, позволяющий поддерживать на выходе стабильное регулируемое напряжение, показан на рис. 13.

Рис. 13. Схема преобразователя напряжения со стабилизацией.

Схема содержит генератор импульсов, двухкаскадный усилитель мощности, индуктивный накопитель энергии, выпрямитель, фильтр, схему стабилизации выходного напряжения. Резистором R6 устанавливают необходимое выходное напряжение в пределах от 30 до 200 В.

Аналоги транзисторов: ВС237В — КТ342А, КТ3102; ВС307В — КТ3107И, BF459—КТ940А.

Понижающие и инвертирующие преобразователей напряжения

Два варианта — понижающего и инвертирующего преобразователей напряжения показаны на рис. 14. Первый из них обеспечивает выходное напряжение 8,4 В при токе нагрузки до 300 мА , второй — позволяет получить напряжение отрицательной полярности (-19,4 В ) при таком же токе нагрузки. Выходной транзистор ѴТЗ должен быть установлен на радиатор.

Рис. 14. Схемы стабилизированных преобразователей напряжения.

Аналоги транзисторов: 2N2222 — КТЗ117А 2N4903 — КТ814.

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения

Понижающий стабилизированный преобразователь напряжения, использующий в качестве задающего генератора микросхему КР1006ВИ1 (DA1) и имеющий защиту потоку нагрузки, показан на рис. 15. Выходное напряжение составляет 10 В при токе нагрузки до 100 мА.

Рис. 15. Схема понижающего преобразователя напряжения.

При изменении сопротивления нагрузки на 1% выходное напряжение преобразователя изменяется не более чем на 0,5%. Аналоги транзисторов: 2N1613 — КТ630Г, 2N2905 — КТ3107Е, КТ814.

Двуполярный инвертор напряжения

Для питания радиоэлектронных схем, содержащих операционные усилители, часто требуются двухполярные источники питания. Решить эту проблему можно, использовав инвертор напряжения, схема которого показана на рис. 16.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, нагруженный на дроссель L1. Напряжение с дросселя выпрямляется диодом VD2 и поступает на выход устройства (конденсаторы фильтра С3 и С4 и сопротивление нагрузки). Стабилитрон VD1 обеспечивает постоянство выходного напряжения — регулирует длительность импульса положительной полярности на дросселе.

Рис. 16. Схема инвертора напряжения +15/-15 В.

Рабочая частота генерации — около 200 кГц под нагрузкой и до 500 кГц без нагрузки. Максимальный ток нагрузки — до 50 мА, КПД устройства — 80%. Недостатком конструкции является относительно высокий уровень электромагнитных помех, впрочем, характерный и для других подобных схем. В качестве L1 использован дроссель ДМ-0,2-200.

Инверторы на специализированных микросхемах

Наиболее удобно собирать высокоэффективные современные преобразователи напряжения , используя специально созданные для этих целей микросхемы.

Микросхема КР1156ЕУ5 (МС33063А, МС34063А фирмы Motorola) предназначена для работы в стабилизированных повышающих, понижающих, инвертирующих преобразователях мощностью в несколько ватт.

На рис. 17 приведена схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. Преобразователь содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, СЗ, С4, накопительный дроссель L1, выпрямительный диод VD1, конденсатор С2, задающий частоту работы преобразователя, дроссель фильтра L2 для сглаживания пульсаций. Резистор R1 служит датчиком тока. Делитель напряжения R2, R3 определяет величину выходного напряжения.

Рис. 17. Схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Частота работы преобразователя близка к 15 кГц при входном напряжении 12 В и номинальной нагрузке. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 составлял соответственно 70 и 15 мВ.

Дроссель L1 индуктивностью 170 мкГн намотан на трех склеенных кольцах К12x8x3 М4000НМ проводом ПЭШО 0,5. Обмотка состоит из 59 витков. Каждое кольцо перед намоткой следует разломить на две части.

В один из зазоров вводят общую прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм и склеивают пакет. Можно также применить кольца из феррита с магнитной проницаемостью свыше 1000.

Пример выполнения понижающего преобразователя на микросхеме КР1156ЕУ5 приведен на рис. 18. На вход такого преобразователя нельзя подавать напряжение более 40 В. Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=15 В. Размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 50 мВ.

Рис. 18. Схема понижающего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Рис. 19. Схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5.

Дроссель L1 индуктивностью 220 мкГч намотан аналогичным образом (см. выше) на трех кольцах, но зазор при склейке был установлен 0,25 мм, обмотка содержала 55 витков такого же провода.

На следующем рисунке (рис. 19) показана типовая схема инвертирующего преобразователя напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5, Микросхема DA1 питается суммой входного и выходного напряжений, которая не должна превышать 40 В.

Частота работы преобразователя — 30 кГц при UBX=5 S; размах пульсаций напряжения на конденсаторах СЗ и С4 — 100 и 40 мВ.

Для дросселя L1 инвертирующего преобразователя индуктивностью 88 мкГн были использованы два кольца К12x8x3 М4000НМ с зазором 0,25 мм. Обмотка состоит из 35 витков провода ПЭВ-2 0,7. Дроссель L2 во всех преобразователях стандартный — ДМ-2,4 индуктивностью 3 мкГч. Диод VD1 во всех схемах (рис. 17 — 19) должен быть диодом Шотки.

Для получения двухполярного напряжения из однополярного фирмой MAXIM разработаны специализированные микросхемы. На рис. 20 показана возможность преобразования напряжения низкого уровня (4,5…5 6) в двухполярное выходное напряжение 12 (или 15 6) при токе нагрузки до 130 (или 100 мА).

Рис. 20. Схема преобразователя напряжения на микросхеме МАХ743.

По внутренней структуре микросхема не отличается от типового построения подобного рода преобразователей, выполненных на дискретных элементах, однако интегральное исполнение позволяет при минимальном количестве внешних элементов создавать высокоэффективные преобразователи напряжения.

Так, для микросхемы МАХ743 (рис. 20) частота преобразования может достигать 200 кГц (что намного превышает частоту преобразования подавляющего большинства преобразователей, выполненных на дискретных элементах). При напряжении питания 5 В КПД составляет 80…82% при нестабильности выходного напряжения не более 3%.

Микросхема снабжена защитой от аварийных ситуаций: при снижении питающего напряжения на 10% ниже нормы, а также при перегреве корпуса (выше 195°С).

Для снижения на выходе преобразователя пульсаций с частотой преобразования (200 кГц) на выходах устройства установлены П-образные LC-фильтры. Перемычка J1 на выводах 11 и 13 микросхемы предназначена для изменения величины выходных напряжений.

Для преобразования напряжения низкого уровня (2,0…4,5 6) в стабилизированное 3,3 или 5,0 В предназначена специальная микросхема, разработанная фирмой MAXIM, — МАХ765 . Отечественные аналоги — КР1446ПН1А и КР1446ПН1Б. Микросхема близкого назначения — МАХ757 — позволяет получить на выходе плавно регулируемое напряжение в пределах 2,7…5,5 В.

Рис. 21. Схема низковольтного повышающего преобразователя напряжения до уровня 3,3 или 5,0 В.

Схема преобразователя, показанная на рис. 21, содержит незначительное количество внешних (навесных) деталей.

Работает это устройство по традиционному принципу, описанному ранее. Рабочая частота генератора зависит от величины входного напряжения и тока нагрузки и изменяется в широких пределах — от десятков Гц до 100 кГц.

Величина выходного напряжения определяется тем, куда подключен вывод 2 микросхемы DA1: если он соединен с общей шиной (см. рис. 21), выходное напряжение микросхемы КР1446ПН1А равно 5,0±0,25 В, если же этот вывод соединен с выводом 6, то выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б значения будут 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В. соответственно.

Максимальный выходной ток преобразователя — 100 мА . Микросхема МАХ765 обеспечивает выходной ток 200 мА при напряжении 5-6 и 300 мА при напряжении 3,3 В . КПД преобразователя — до 80%.

Назначение вывода 1 (SHDN) — временное отключение преобразователя путем замыкания этого вывода на общий провод. Напряжение на выходе в этом случае понизится до значения, несколько меньшего, чем входное напряжение.

Светодиод HL1 предназначен для индикации аварийного снижения питающего напряжения (ниже 2 В), хотя сам преобразователь способен работать и при более низких значениях входного напряжения (до 1,25 6 и ниже).

Дроссель L1 выполняют на кольце К10x6x4,5 из феррита М2000НМ1. Он содержит 28 витков провода ПЭШО 0,5 мм и имеет индуктивность 22 мкГч. Перед намоткой ферритовое кольцо разламывают пополам, предварительно надпилив алмазным надфилем. Затем кольцо склеивают эпоксидным клеем, установив в один из образовавшихся зазоров текстолитовую прокладку толщиной 0,5 мм.

Индуктивность полученного таким образом дросселя зависит в большей степени от толщины зазора и в меньшей — от магнитной проницаемости сердечника и числа витков катушки. Если смириться с увеличением уровня электромагнитных помех, то можно использовать дроссель типа ДМ-2,4 индуктивностью 20 мкГч.

Конденсаторы С2 и С5 типа К53 (К53-18), С1 и С4 — керамические (для снижения уровня высокочастотных помех), VD1 — диод Шотки (1 N5818, 1 N5819, SR106, SR160 и др.).

Сетевой блок питания фирмы «Philips»

Преобразователь (сетевой блок питания фирмы «Philips», рис. 22) при входном напряжении 220 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 12 В при мощности нагрузки 2 Вт.

Рис. 22. Схема сетевого блока питания фирмы «Philips».

Бестрансформаторный источник питания (рис. 23) предназначен для питания портативных и карманных приемников от сети переменного тока напряжением 220 В. Следует учитывать, что этот источник электрически не изолирован от питающей сети. При выходном напряжении 9В и токе нагрузки 50 мА источник питания потребляет от сети около 8 мА.

Рис. 23. Схема бестрансформаторного источника питания на основе импульсного преобразователя напряжения.

Сетевое напряжение, выпрямленное диодным мостом VD1 — VD4 (рис. 23), заряжает конденсаторы С1 и С2. Время заряда конденсатора С2 определяется постоянной цепи R1, С2. В первый момент после включения устройства тиристор VS1 закрыт, но при некотором напряжении на конденсаторе С2 он откроется и подключит к этому конденсатору цепь L1, СЗ.

При этом от конденсатора С2 будет заряжаться конденсатор СЗ большой емкости. Напряжение на конденсаторе С2 будет уменьшаться, а на СЗ — увеличиваться.

Ток через дроссель L1, равный нулю в первый момент после открывания тиристора, постепенно увеличивается до тех пор, пока напряжения на конденсаторах С2 и СЗ не уравняются. Как только это произойдет, тиристор VS1 закроется, но энергия, запасенная в дросселе L1, будет некоторое время поддерживать ток заряда конденсатора СЗ через открывшийся диод VD5. Далее диод VD5 закрывается, и начинается относительно медленный разряд конденсатора СЗ через нагрузку. Стабилитрон VD6 ограничивает напряжение на нагрузке.

Как только закрывается тиристор VS1 напряжение на конденсаторе С2 снова начинает увеличиваться. В некоторый момент тиристор снова открывается, и начинается новый цикл работы устройства. Частота открывания тиристора в несколько раз превышает частоту пульсации напряжения на конденсаторе С1 и зависит от номиналов элементов цепи R1, С2 и параметров тиристора VS1.

Конденсаторы С1 и С2 — типа МБМ на напряжение не ниже 250 В. Дроссель L1 имеет индуктивность 1…2 мГн и сопротивление не более 0,5 Ом. Он намотан на цилиндрическом каркасе диаметром 7 мм.

Ширина обмотки 10 мм, она состоит из пяти слоев провода ПЭВ-2 0,25 мм, намотанного плотно, виток к витку. В отверстие каркаса вставлен подстроечный сердечник СС2,8х12 из феррита М200НН-3. Индуктивность дросселя можно менять в широких пределах, а иногда и исключить его совсем.

Схемы устройств для преобразования энергии

Схемы устройств для преобразования энергии показаны на рис. 24 и 25. Они представляют собой понижающие преобразователи энергии с питанием от выпрямителей с гасящим конденсатором. Напряжение на выходе устройств стабилизировано.

Рис. 24. Схема понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

Рис. 25. Вариант схемы понижающего преобразователя напряжения с сетевым бестрансформаторным питанием.

В качестве динисторов VD4 можно использовать отечественные низковольтные аналоги — КН102А, Б. Как и предыдущее устройство (рис. 23), источники питания (рис. 24 и 25) имеют гальваническую связь с питающей сетью.

Преобразователь напряжения с импульсным накоплением энергии

В преобразователе напряжения С. Ф. Сиколенко с «импульсным накоплением энергии» (рис. 26) ключи К1 и К2 выполнены на транзисторах КТ630, система управления (СУ) — на микросхеме серии К564.

Рис. 26. Схема преобразователя напряжения с импульсным накоплением.

Накопительный конденсатор С1 — 47 мкФ. В качестве источника питания используется батарея напряжением 9 В. Выходное напряжение на сопротивлении нагрузки 1 кОм достигает 50 В. КПД составляет 80% и возрастает до 95% при использовании в качестве ключевых элементов К1 и К2 КМОП-структур типа RFLIN20L.

Импульсно-резонансный преобразователь

Импульсно-резонансные преобразователи конструкции к,т.н. Н. М. Музыченко, один из которых показан на рис. 4,27, в зависимости от формы тока в ключе VT1 делятся на три разновидности, в которых коммутирующие элементы замыкаются при нулевом токе, а размыкаются — при нулевом напряжении. На этапе переключения преобразователи работают как резонансные, а остальную, большую, часть периода — как импульсные.

Рис. 27. Схема импульсно-резонансного преобразователя Н. М. Музыченко.

Отличительной чертой таких преобразователей является то, что их силовая часть выполнена в виде индуктивно-емкостного моста с коммутатором в одной диагонали и с коммутатором и источником питания в другом. Такие схемы (рис. 27) отличаются высокой эффективностью.

Инвертор – преобразует постоянный ток в переменный.

Конвертор – преобразователь постоянного напряжения в постоянное, но другого уровня (с промежуточным преобразованием входного напряжения в переменное и трансформацией к нужному уровню).

Центральным звеном является преобразователь постоянного напряжения в переменное.

Применяют различные схемы таких устройств:

Транзисторные и на электронных лампах;

Построенные на транзисторах с насыщающимися сердечниками;

Релаксационные генераторы, триггеры, мультивибраторы;

По однотактной, двухтактной и мостовой схемах;

Тиристорные простые и мостовые схемы (в мощных устройствах).

6.1 Простая схема двухтактного тиристорного инвертора.

Рис. 6.1 — простая схема двухтактного тиристорного инвертора

От Т2 поступают импульсы управления в цепь тиристоров.

От постоянного источника напряжение поступает на вход схемы. Оно проходит через на анодыVD.

заряжается до двойного входного напряжения. Если теперь подать импульсы на VD2, сразу закрывается VD1,
перезаряжается, все знаки в Т1 поменяются на противоположные и ток потечет черезVD2.

Как видно из работы схемы, на коммутирующей емкости
в момент закрытия тиристора действует напряжение равное удвоенному напряжению питания, что является недостатком для схемы.

Его устраняет мостовая схема тиристорного инвертора.

6.2 Мостовая схема тиристорного инвертора.

Рис. 6.2 — Мостовая схема тиристорного инвертора

Схема управления открывает сначала VD1 и VD4, а потом, когда емкость зарядится до , в этот момент, если открыть другие тиристоры,VD1 и VD4 мгновенно закроются.

В данной схеме на закрытых тиристорах действует лишь напряжение источника питания.

Тиристорные выпрямители являются эффективными перспективными инверторами. Применяются на значительной мощности и используются в настоящее время для замены электромашинных агрегатов, преобразующих энергию постоянного тока резервных аккумуляторных батарей в переменный ток, в устройствах гарантированного питания (УГП) аппаратуры на предприятиях связи.

Преобразователи постоянного напряжения.

Часто при питании электронных устройств ИП являются низковольтными, а для питания цепей потребления требуются значительные напряжения. При этом прибегают к преобразованию напряжения. Для этого используют инверторы и конверторы. Используются электромагнитные преобразователи, вибропреобразователи и статические преобразователи на п/п приборах.

Электромагнитные преобразователи вырабатывают напряжение синусоидальной формы, в то время как полупроводниковые и вибропреобразователи – напряжение прямоугольной формы. В настоящее время имеются статические преобразователи с выходным напряжением по форме близким к синусоидальному. Недостаток электромагнитного преобразователя: большие габариты и масса. Вибропреобразователи – маломощные и малонадежные. Поэтому наибольшее применение находят полупроводниковые преобразователи с малыми габаритами и массой, высоким КПД и эксплуатационной надежностью.

Построение преобразователей на тиристорах и транзисторах следует связывать с величиной питающих напряжений, требуемой мощности, характером изменения нагрузки.

Преобразователи напряжения представляют собой специальные устройства, которые в случае отсутствия напряжения в сети преобразуют постоянный ток в переменный. То есть из аккумуляторной батареи постоянного можно получить переменный ток, имеющий напряжение 220 вольт и частоту 50 герц.

Преобразователь напряжения называют также . Для многих электрических приборов параметры электрического тока имеют большое значение. В случае отклонений от установленных параметров возможна поломка электрических приборов и устройств. И если скачки в сети носят постоянный характер, то кроме инвертора применяется .

Преимущества преобразователей напряжения

Если сравнивать обычный генератор и преобразователь, то у последнего имеется ряд преимуществ:

Высокая экологичность устройства, поскольку электрическая энергия для преобразования накапливается в аккумуляторе. В отличие от генератора, инвертор не производит вредных выбросов в атмосферу;
Абсолютно бесшумная работа инвертора позволяет использовать его не только в частном доме, как электрогенератор, но и в квартире, практически, в любом месте;
В отличие от электрогенератора, преобразователь тока не нуждается в частом техническом обслуживании, то есть не требует дополнительных материальных затрат;
Время работы полностью зависит от количества топлива и моторесурса. Преобразователи способны самостоятельно поддерживать наивысший заряд аккумуляторов, при необходимости можно всегда установить дополнительные аккумуляторные батареи;
Инвертор, рассчитанный на 220 вольт, в случае исчезновения напряжения в сети, переключается автоматически и не требует, чтобы рядом с ним присутствовали люди.

Использование преобразователей напряжения

Кому же, в первую очередь, требуются преобразователи тока:

При необходимости сохранения в рабочем состоянии системы отопления, в том случае, когда отключается электрическая сеть. То же самое касается холодильников и компьютеров. Преобразователь не только предотвратит выход электротехники из строя, но и обеспечит ее непрерывную работу;
Инвертор можно использовать не только в частном доме или в квартире, но и в полевых условиях, где при полном отсутствии электроэнергии он способен заменить электрогенератор;
Преобразователь тока бывает, незаменим в больницах, особенно при проведении операций и в стоматологических кабинетах;
Без инверторов не обойтись в магазинах, торгующих продовольственными товарами, а также на продуктовых складах, где выход из строя холодильников может очень дорого обойтись.

Преобразователи напряжения широко используются как в быту, так и на производстве. Для производства и промышленности чаще всего изготавливаются по индивидуальному заказу, ведь там нужен мощный преобразователь и не всегда с напряжением стандартной величины. Стандартные величины выходных и входных параметров применяются зачастую в бытовых условиях. То есть преобразователь напряжения — это электронное устройство, которое предназначено для изменения вида электроэнергии, её величины или же частоты.

По своей функциональности они делятся на:

Понижающие;
Повышающие;
Бестрансформаторные;
Инверторные;
Регулируемые с настройкой частоты и величины выходного переменного напряжения;
Регулируемые с настройкой величины постоянного выходного напряжения.

Некоторые из них могут выполняться в специальном герметичном исполнении, такие типы устройств используются для влажных помещений, или же, вообще, для установки под водой.

Итак, что же из себя представляет каждый вид.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Такое электронное устройство, которое предназначено для получения переменного или постоянного высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Например, такие устройства применяются для получения высоковольтной энергии на кинескопы телевизоров, а также для лабораторных исследований и проверки электрооборудования напряжением, повышенным в несколько раз. Кабеля или же силовые цепи масляных выключателей, рассчитанных на напряжение 6 кВ, испытывают напряжением 30 кВ и выше, правда, такая величина напряжения не обладает высокой мощностью, и при пробое сразу же отключается. Эти преобразователи довольно компактны ведь их приходится переносить персоналу от одной подстанции к другой, чаще всего вручную. Нужно заметить, что все лабораторные блоки питания и преобразователи обладаю почти эталонным, точным напряжением.

Более простые высоковольтные преобразователи применяются для запуска люминесцентных ламп. Сильно повысить импульс до нужного можно за счёт стартера и дросселя, которые могут иметь электронную или же электромеханическую основу.

Промышленные установки, выполняющие преобразование более низкого напряжения в высокое, имеют множество защит и выполняются на повышающих трансформаторах (ПТН). Вот одна из таких схем дающая на выходе от 8 до 16 тысяч Вольт, при этом для его работы необходимо всего около 50 В.

Из-за того, что в обмотках трансформаторов вырабатывается и протекает довольно высокое напряжение, то и к изоляции этих обмоток, а также к её качеству предъявляются высокие требования. Для того чтобы устранить возможность появления коронирующих разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате аккуратно, без заусенцев и острых углов, после чего залиты с обеих сторон эпоксидной смолой или слоем парафина толщиной 2…3 мм, обеспечивающим изоляцию друг от друга. Иногда данные электронные системы и устройства называют повышающий преобразователь напряжения.

Следующая схема представляет собой линейный резонансный преобразователь напряжения, который работает в режиме повышения. Он основан на разделении функций повышения U и его чёткой стабилизации в абсолютно разных каскадах.

При этом некоторые инверторные блоки можно заставить работать с минимальными потерями на силовых ключах, а также на выпрямленном мосте, где появляется высоковольтное напряжение.

Преобразователь напряжения для дома

С преобразователями напряжения для дома обычный человек сталкивается очень часто, ведь во многих устройствах есть блок питания. Чаще всего это понижающие преобразователи, имеющие гальваническую развязку. Например, зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, персональные стационарные компьютеры, радиоприёмники, стереосистемы, различные медиапроигрыватели и этот перечень можно продолжать очень долго, так как их разнообразие и применения в быту в последнее время очень широко.

Бесперебойные блоки питания оснащены накопителями энергии в виде аккумуляторов. Такие устройства применяются также для поддержания работоспособности системы отопления, во время неожиданного отключения электроэнергии. Иногда преобразователи для дома могут быть выполнены по инверторной схеме, то есть подключив его к источнику постоянного тока (аккумулятору), работающего за счёт химической реакции можно получить на выходе обычное переменное напряжение, величина которого будет 220 Вольт. Особенностью данных схем является возможность получить на выходе чистый синусоидальный сигнал.

Одной из очень важных характеристик, применяемых в быту преобразователей, является стабильная величины сигнала на выходе устройства, независимо от того сколько вольт подаётся на его вход. Эта функциональная особенность блоков питания связана с тем, что для стабильной и продолжительной работы микросхем и других полупроводниковых устройств необходимо чётко нормированное напряжение, да ещё и без пульсаций.

Основными критериями выбора преобразователя для дома или квартиры являются:

Мощность;
Величина входного и выходного напряжения;
Возможность стабилизации и её пределы;
Величина тока на нагрузке;
Минимизация нагрева, то есть лучше чтобы преобразователь работал в режиме с запасом по мощности;
Вентиляция устройства, может быть естественная или принудительная;
Хорошая шумоизоляция;
Наличие защит от перегрузок и перегрева.

Выбор преобразователя напряжения дело не простое, ведь от правильно выбранного преобразователя зависит и работа питаемого устройства.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

В последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя. Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор.

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Преобразователи постоянного напряжения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное является самым часто используемым видом устройства этого типа. В быту это всевозможные блоки питания, а на производстве и в промышленности это питающие устройства:

Всех полупроводниковых схем;
Обмоток возбуждения синхронных двигателей и двигателей постоянного тока;
Катушек соленоидов масляных выключателей;
Оперативных цепей и цепей отключения там, где катушки требуют постоянного тока.

Тиристорный преобразователь напряжения — это наиболее часто применяемый для этих целей аппарат. Особенностью этих устройств является полное, а не частичное, преобразование переменного напряжения в постоянное без всякого рода пульсаций. Мощный преобразователь напряжения такого типа обязательно должен включать в себя радиаторы и вентиляторы для охлаждения, так как все электронные детали могут работать долго и безаварийно, только при рабочих температурах.

Регулируемый преобразователь напряжения

Эти устройства направлены на работу как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения. Чаще всего это всё-таки аппараты, выполняющие плавную регулировку величины выходного сигнала, который ниже входного. То есть на вход подаётся 220 Вольт, а на выходе получаем регулируемую постоянную величину, допустим, от 2 до 30 вольт. Такие приборы с очень тонкой регулировкой применяются для проверки стрелочных и цифровых приборов в лабораториях. Очень удобно когда они оснащены цифровым индикатором. Нужно признать, что каждый радиолюбитель брал за основу своих первых работ именно этот вид, так как питание для определённой аппаратуры может быть разное по величине, а этот источник питания получался весьма универсальным. Как сделать качественный и работающий долгое время преобразователь, вот основная проблема юных радиолюбителей.

Инверторный преобразователь напряжения

Данный тип преобразователей положен в основу инновационных компактных сварочных устройств. Получая для питания переменное напряжение 220 Вольт аппарат выпрямляет его, после чего снова делает его переменным, но уже с частотой несколько десятков тысяч Гц. Это даёт возможность значительно снизить габариты сварочного трансформатора, установленного на выходе.

Также инверторный способ применяется для питания отопительных котлов от аккумуляторных батарей в случае неожиданного отключения электроэнергии. За счёт этого система продолжает работать и получает 220 вольт переменного напряжения из 12 Вольт постоянного. Мощный повышающий аппарат такого назначения должен эксплуатироваться от батареи большой ёмкости, от этого зависит как долго он будет снабжать котёл электроэнергией. То есть емкость при этом играет ключевую роль.

Высокочастотный преобразователь напряжения

За счёт применения повышающих преобразователей появляется возможность уменьшения габаритов всех электронных и электромагнитных элементов, из которых состоят схемы, а это значит снижается и стоимость трансформаторов, катушек, конденсаторов и т. д. Правда, это может вызывать высокочастотные радиопомехи, которые влияют на работу других электронных систем, да и обычных радиоприёмников, поэтому нужно надёжно экранировать их корпуса. Расчет преобразователя и его помех должен производиться высококвалифицированным персоналом.

Что такое преобразователь сопротивления в напряжение?
Это особый вид, который используется только при производстве и изготовлении измерительных приборов, в частности, омметров. Ведь основа омметра, то есть прибора измеряющего сопротивление, выполнена в измерении падения U и преобразовании его в стрелочные или цифровые показатели. Обычно измерения производятся относительно постоянного тока. Измерительный преобразователь — техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации, а также передачи. Он входит в состав какого-либо измерительного прибора.

Преобразователь тока в напряжение

В большинстве случаев все электронные схемы нужны для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока. Такие сигналы возникают, например, на выходе фоторезистора или фотодиода. Тогда желательно при первой же возможности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному U и не зависеть от R нагрузки. В частности, при постоянном входном U ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Ремонт преобразователя напряжения

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно. Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/40529

Title:	Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа
Authors:	Нгуен Ха Ча Ми
metadata.dc.contributor.advisor:	Торгаев, Станислав Николаевич
Keywords:	импульсные преобразователи; П- регулятор; ПИ- регулятор; ПИД- регулятор; выходное напряжение; постоянное напряжение; DC/DC switching-power converters; p controller; pi controller; PID controller; output voltage
Issue Date:	2017
Citation:	Нгуен Ха Ча Ми Импульсный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа : бакалаврская работа / Нгуен Ха Ча Ми ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра промышленной и медицинской электроники (ПМЭ) ; науч. рук. С. Н. Торгаев. — Томск, 2017.
Abstract:	Импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное находят широкое применение в системах питания различной аппаратуры. В данной работы рассматривается импульсный преобразователя постоянного напряжения понижающего типа с системой управления, с помощью программы MATLAB/Simulink исследуется влияние коэффициентов П-, ПИ- и ПИД- регуляторов на выходные напряжения схемы понижающего преобразователи постоянного напряжения. DC/DC switching-power converters are widely used in electric power systems of various equipment. In this paper we consider the influence of P, PI and PID Controllers on the output voltages of the buck DC-DC converter by using program MATLAB / Simulink.
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/40529
Appears in Collections:	Выпускные квалификационные работы (ВКР)

Что такое импульсный выпрямитель и какие бывают виды?

Преобразователи частоты состоят из трех основных частей: выпрямителя, который преобразует подаваемое переменное напряжение в постоянное; шина постоянного тока, в которой хранится напряжение постоянного тока; и инвертор, который преобразует мощность постоянного тока обратно в переменный ток с напряжением и частотой, требуемыми двигателем.

В наиболее распространенных и простейших конструкциях выпрямителей используются диоды, причем для каждой фазы питания требуется два диода, один из которых пропускает ток при отрицательном напряжении, а другой — при положительном.Следовательно, в трехфазной системе для создания выпрямителя требуется шесть диодов. Эту конструкцию обычно называют 6-пульсным выпрямителем, потому что она потребляет ток от источника переменного тока за шесть импульсов. А поскольку ток, потребляемый от источника питания, не имеет гладкой синусоидальной формы, частотно-регулируемый привод считается нелинейной нагрузкой.

Это нелинейное потребление тока может искажать подаваемую мощность переменного тока, вызывая проблемы для двигателей и другого электронного оборудования. Величина искажения зависит от мощности цепи питания.Если выпрямитель представляет собой большой процент доступной мощности источника питания, то искажения могут быть значительными.

Искажения можно смоделировать как дополнительные формы волны напряжения, кратные основному напряжению (т. Е. 60 Гц). Эти дополнительные формы сигналов начинаются с числа, кратного 5, но (для трехфазных систем) пропускаются все значения, кратные 3. Это называется гармоническим искажением, а для типичных систем с частотой 60 Гц — 5 ^th, 7 ^th, 11 Наиболее распространены ^-я и 13 ^-я гармоники.

Измерение гармонических искажений называется полным гармоническим искажением (THD):

Где:

I _h = величина гармонической составляющей напряжения или гармонической составляющей тока

I ₁ = величина основного напряжения или основного тока

В 6-пульсном выпрямителе, описанном выше, гармоники порядка 5 и 7 важны, и часто требуется фильтрация.Один из способов уменьшить THD в приводе переменного тока — использовать 12-, 18- или даже 24-импульсный выпрямитель.

Гармонический ток в двигателе увеличивает гистерезисные потери и потери на вихревые токи. Эти потери повышают рабочую температуру двигателя, что может снизить производительность и сократить срок службы двигателя.

12-импульсный выпрямитель использует два 6-пульсных выпрямителя, включенных параллельно (12 диодов), для питания общей шины постоянного тока. Трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками создает сдвиг фазы на 30 градусов между двумя формами волны тока, что устраняет гармоники 5 ^-й и 7 ^-й и снижает THD тока до 10–15 процентов.Недостатками 12-пульсного выпрямителя являются стоимость (из-за необходимого специального трансформатора) и занимаемая площадь.

Схема 12-пульсного выпрямителя, который состоит из двух 6-пульсных выпрямителей, а также первичного трансформатора и двух вторичных обмоток.
Изображение предоставлено: Emerson Industrial Automation

Аналогично, 18-пульсный выпрямитель использует три 6-пульсных выпрямителя (18 диодов) и многофазный трансформатор с одной первичной обмоткой и тремя вторичными обмотками. Несколько обмоток работают для смещения формы волны напряжения на 20 градусов.Это подавляет гармоники 5 ^-й, 7 ^-й, 11 ^-й и 13 ^-й и обеспечивает коэффициент нелинейных искажений тока в диапазоне 5 процентов. Но по мере усложнения трансформатора и добавления дополнительных выпрямителей стоимость и занимаемая площадь увеличиваются.

Сравнение уровней гармонических искажений с 6-, 12- и 24-импульсными выпрямителями.
Image credi: ABB

Для устранения практически всех гармоник требуется 24-пульсный выпрямитель, который состоит из двух 12-пульсных выпрямителей, включенных параллельно, и двух трехобмоточных трансформаторов.Трансформаторы обеспечивают смещение формы волны напряжения на 15 градусов, что подавляет большинство низкочастотных гармоник. Однако высокая стоимость 24-импульсного выпрямителя делает его практичным только для очень мощных приводов или для больших систем с несколькими приводами.

Двенадцатиимпульсный преобразователь | Линейный ток | Разность фаз

Двенадцатиимпульсный преобразователь:

Из предыдущего обсуждения ясно, что увеличение числа импульсов до шести значительно улучшает характеристики преобразователя.Линейный ток переменного тока имеет только нечетные гармоники, а значение g увеличивается до 0,96, указывая на то, что основная составляющая составляет 96% от общего действующего значения тока. Шестиимпульсный преобразователь получается соответствующим соединением двух трехимпульсных преобразователей. Идея может быть расширена за счет увеличения числа импульсов выходного напряжения до 12 или 24 за счет соответствующих соединений шестиимпульсных преобразователей. Можно показать, что соединение двух шестиимпульсных преобразователей со сдвигом фаз на 30 ° приводит к получению двенадцатиимпульсного преобразователя, имеющего входной ток, в котором отсутствуют нижняя пятая и седьмая гармоники.Кроме того, увеличение числа импульсов уменьшает пульсации на выходе, что приводит к уменьшению схемы сглаживающей индуктивности. Коэффициент мощности улучшается вследствие улучшения g.

Двенадцатиимпульсный преобразователь для приложений с более высоким напряжением получается путем соединения двух шестиимпульсных преобразователей, как показано на рис. 3.42. Входное напряжение преобразователей должно иметь разность фаз 30 °, чего можно добиться двумя способами.

Первичная обмотка одного трансформатора соединена звездой, а другого — треугольником.
Преобразовательный трансформатор имеет две вторичные обмотки, одна из которых соединена звездой, а другая — треугольником.

Эти соединения изображены на рис. 3.43, 3.42.

Двенадцатиимпульсные преобразователи также получаются путем соединения двух шестиимпульсных преобразователей с межфазным трансформатором через другой межфазный трансформатор. 12 импульсов получается за счет разности фаз между мгновенными значениями и выходными напряжениями отдельных преобразователей.Дополнительный межфазный трансформатор имеет почти такую же конструкцию, как и другие межфазные трансформаторы. Подключения показаны на рис. 3.44.

Преимущества двенадцатиимпульсного преобразователя очевидны. Пульсации переменного напряжения, накладывающиеся на среднее значение постоянного напряжения, значительно уменьшаются. Значение g увеличивается (0,988), эффективно улучшая коэффициент мощности. Линейные токи двенадцатиимпульсного преобразователя показаны на рис. 3.44 (б). Они создаются отдельными первичными токами, показанными на рисунке.Присутствующие гармоники: = 12K ± 1, K = 1, 2, 3,

Иногда преимущества увеличения числа импульсов нивелируются сложностью подключения трансформатора и трудностями поддержания баланса в системе. Это происходит, когда два 12-импульсных преобразователя соединяются между собой, образуя 24-пульсный преобразователь. Такие трудности не способствуют увеличению числа импульсов выше 12 или не более 24.

Шестиимпульсное преобразование и гармоники | EC&M

На большинстве современных промышленных предприятий широко распространены нелинейные нагрузки, многие из которых составляют значительную часть общей нагрузки предприятия.В результате они могут вводить гармонические токи в энергосистему, вызывая гармонические искажения напряжения.

Эту проблему усугубляет тот факт, что эти нелинейные нагрузки обычно имеют низкий коэффициент мощности (PF), что вынуждает многие промышленные предприятия использовать батареи конденсаторов для улучшения PF, чтобы избежать штрафов за коммунальные услуги. Как ни странно, это решение может вызвать некоторые непредвиденные проблемы. Например, коррекция коэффициента мощности потенциально может увеличить гармонические токи, возможно, создавая условия резонанса внутри объекта.Эти условия, в свою очередь, могут вызвать перегрев двигателя и трансформатора и проблематичную работу чувствительного электронного оборудования. Давайте подробнее рассмотрим некоторые проблемы с гармониками и решения, которые можно найти в типичных промышленных средах.

Регулируемые приводы и гармоники

Типичной нелинейной нагрузкой является привод с регулируемой скоростью (ASD).

Рисунок 1 (щелкните здесь, чтобы увидеть Рисунок 1 ) показывает базовый трехфазный 6-импульсный привод с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который является наиболее распространенным типом.Все приводы PWM состоят из следующих основных частей с небольшими различиями в аппаратных и программных компонентах. Входной частью привода является преобразователь, который содержит шесть диодов (расположенных в виде электрического моста). Эти диоды преобразуют мощность переменного тока в мощность постоянного тока. Следующий раздел, шина постоянного тока, видит фиксированное напряжение постоянного тока и фильтрует / сглаживает форму волны. Диоды фактически реконструируют отрицательные половины формы волны на положительную половину. В устройстве на 460 В вы можете измерить среднее напряжение на шине постоянного тока от 650 до 680 В.Вы можете рассчитать это как линейное напряжение, умноженное на 1,414.

Шина постоянного тока питает последнюю секцию привода: инвертор. Как следует из названия, в этом разделе напряжение постоянного тока преобразуется обратно в переменное. Однако это достигается с помощью переменного напряжения и частоты на выходе с использованием различных типов силовых устройств, таких как кремниевые выпрямители (SCR) или биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Это преобразовательная часть ASD, которая доминирует во взаимодействии привода с его исходной системой.Следовательно, то, как он функционирует, определяет степень гармоник, которые он вводит в электрическую распределительную систему, к которой он подключен.

Генерация гармоник преобразователями с линейной коммутацией зависит от количества импульсов устройства (см. Конфигурации привода и порядок гармоник на стр. 22). Спектр гармоник 6-пульсного привода состоит из 5 ^{-й гармоники} (300 Гц) и 7 ^{-й гармоники} (420 Гц) в качестве преобладающих низших порядков.

Улучшение коэффициента мощности по сравнению с гармоническим резонансом

Проблемы, связанные с гармониками, часто сначала проявляются в конденсаторных батареях, потому что эти блоки испытывают искажения высокого напряжения во время резонанса, и ток, протекающий в этих батареях, может быть значительно большим / богатым определенной гармоникой.

Один из способов взглянуть на это показан на Рис. 2. (щелкните здесь, чтобы увидеть Рис. 2 ) Здесь мы видим кривую улучшения коэффициента мощности, наложенную на кривую гармонического резонанса.Обратите внимание, что показаны гармоники порядка 5 ^-й и 7 ^-й, создающие помехи в широкой области добавления конденсаторов, особенно в области высокого коэффициента мощности, в которой вы обычно хотели бы иметь их рабочие характеристики. Как видите, помехи значительны.

Если бы мы могли полностью удалить эти гармоники, резонансная кривая не существовала бы, кроме крайнего левого края графика, начиная с порядка 11 ^-го. Другими словами, не было бы резонансного взаимодействия в высших порядках ФП.

Для получения более подробной информации см. Статью выпуска EC&M за июнь 2003 г. «Коррекция коэффициента мощности и гармонический резонанс: изменчивое сочетание», доступную на сайте www.ecmweb.com.

Гармоническое воздействие на двигатели

Согласно книге Дугана, МакГранагана, Сантосо и Бити «Качество электрических систем» (ISBN 0-07-138622-X), гармоники могут значительно повлиять на двигатели, в основном из-за искажения напряжения. Это искажение на клеммах двигателя преобразуется в потоки гармоник внутри двигателя.Эти потоки не сильно влияют на крутящий момент двигателя, но они вращаются с частотой, отличной от синхронной частоты ротора. Это, в свою очередь, вызывает токи высокой частоты в роторе.

Воздействие на двигатели аналогично действию токов обратной последовательности на основной частоте: дополнительные потоки не более чем вызывают дополнительные потери. Одним из индикаторов гармонических искажений напряжения является повышенный нагрев двигателя. Проблемы с чрезмерным нагревом двигателя обычно начинаются, когда искажение напряжения достигает 8-10% и выше.

Другой эффект, согласно книге К. Шанкарана «Качество электроэнергии» (ISBN 9780849310409), — это крутильные колебания, вызванные наличием гармоник. Гармоника 5 ^-я является гармоникой обратной последовательности, и результирующее магнитное поле вращается в направлении, противоположном направлению основного поля, со скоростью, в пять раз превышающей скорость основного поля. Гармоника 7 ^{-й гармоники} — это гармоника прямой последовательности, с результирующим магнитным полем, вращающимся в том же направлении, что и основное поле, со скоростью, в семь раз превышающей скорость основной гармоники.Чистый эффект — магнитное поле, вращающееся со скоростью, в шесть раз превышающей скорость ротора.

Возникающее в результате взаимодействие между магнитными полями и токами, индуцированными ротором, вызывает крутильные колебания двигателя. Если частота колебаний такая же, как собственная частота вращающихся элементов двигателя, может произойти серьезное повреждение двигателя. Другие индикаторы включают снижение эффективности и высокие шумы.

Некоторые гармонические решения ASD

Наиболее эффективным средством предотвращения сильных колебаний тока между конденсаторами и оборудованием, генерирующим гармоники, является установка фильтров, настроенных на поглощение определенных вредных гармоник.

Настроенные пассивные фильтры

При установке рядом с выводами оборудования со стороны сети фильтры обеспечивают путь с наименьшим импедансом для протекания токов гармоник. В результате эти токи не будут введены в остальную часть распределительной системы, где они могут вызвать искажение волны и повреждение или отключение конденсаторов коррекции коэффициента мощности. (щелкните здесь, чтобы увидеть Рис. 3 ) демонстрирует эту концепцию.

Фазовая манипуляция

Рассмотрим пример 6-пульсного преобразователя мощностью 100 кВт.Электрический угол между выстрелами составляет 60 ° (360 ° ÷ 6). А теперь подумайте: что, если бы вместо одного блока он состоял из двух параллельных 6-импульсных блоков по 50 кВт? Если положение стрельбы каждого из источников питания отрегулировано так, чтобы стрелять каждые 30 °, а не 60 °, эквивалент 12-пульсного устройства создается «электрически». Удаляются 5 ^-я и 7 ^-я гармоники.

Этого также можно добиться, используя трансформаторы с двойной обмоткой, где первичная обмотка имеет треугольник, а вторичная обмотка имеет две выходные обмотки: звезда и треугольник.В результате трансформация находится на расстоянии 30 ° друг от друга, что эквивалентно 12-импульсному устройству. Вы можете добиться того же результата, используя два трансформатора, один соединенный по схеме треугольник-треугольник, а другой — треугольник-звезда. Рис. 4 (щелкните здесь, чтобы увидеть Рис. 4 ) показано это приложение.

Гармонические токи вызывают искажения напряжения, причем самые высокие уровни искажений возникают вблизи источника гармоник. Следовательно, вы должны оценить различные доступные схемы управления гармониками, управляя инжекцией гармоник от нелинейных нагрузок или блокируя поток гармонических токов с помощью фильтров гармоник.

Боковая панель: Конфигурации приводов и порядок гармоник

Таблица представляет собой список трехфазных гармонических токов с указанием их соответствующих частот и последовательности. Эти гармоники обычно связаны с межфазными нелинейными нагрузками и имеют частоты, кратные основной гармонике 60 Гц.

Обратите внимание, что перечисленные порядки гармоник на одну цифру ниже и на одну выше «6» и «12» соответственно. Фактически связь количества импульсов с порядком гармоник выражается следующим уравнением: h = kq ± 1

Где «h» — порядок гармоник, «k» — любое целое число, а «q» — номер импульса устройства / схемы.

Для 6-пульсного привода вставьте число «6» вместо «q» и целое число «1» для «k». Решая вопрос «h», мы обнаруживаем, что 6-пульсное устройство будет генерировать гармоники порядка 5 и 7 . Вставляя целое число «2» вместо «k», мы обнаруживаем, что 11 ^-я и 13 ^-я гармоники также будут присутствовать. Таким образом, таблица может быть расширена для включения других обычно присутствующих 3-фазных гармоник с 6-импульсными устройствами, такими как 17 ^-я и 19 ^-я, 23 ^-я и 25 ^-я и т. Д.

Вы также можете использовать приведенное выше уравнение для определения порядков гармоник для 12-импульсных устройств, вставив число «12» вместо «q». Затем уравнение дает 11 ^-й и 13 ^-й гармоник для целого числа «1», 23 ^-го и 25 ^-го для целого числа «2» и т. Д.

Что такое количество импульсов (6, 12 , 18, 24) в приводах?

В системах привода с регулируемой скоростью (VSD), как переменного, так и постоянного тока, первая стадия преобразования мощности — из переменного в постоянный.В приводе постоянного тока это единственная ступень — от фиксированного переменного тока до переменного постоянного тока. В приводе переменного тока есть две дополнительных ступени: фильтрация и обратное преобразование в переменный ток.

Простейшим преобразователем является двухполупериодный диодный мост, который преобразует входящий переменный ток в постоянное постоянное напряжение. Это бесполезно в приводе постоянного тока, но отлично работает с частотно-регулируемым приводом переменного тока (VFD). Стандартные промышленные приводы — как переменного, так и постоянного тока — используют шесть выпрямителей для формирования трехфазного двухполупериодного моста. Этот тип преобразователя называется «шестиимпульсным», потому что он потребляет ток в виде шести отдельных импульсов из линии переменного тока.Они НЕ потребляют ток постоянно, но (в случае частотно-регулируемого привода) только тогда, когда входящее линейное напряжение превышает напряжение шины постоянного тока привода, или, в случае привода постоянного тока, только тогда, когда тиристор в преобразователе включен. Поскольку потребляемый ток не является гладкой синусоидальной формой волны, это «нелинейное» потребление тока может искажать подаваемое сетевое питание переменного тока.

Степень искажения зависит от мощности цепи, питающей преобразователь, то есть от доступного тока короткого замыкания.Если размер преобразователя такой, что он составляет значительный процент доступной емкости системы (или в системе несколько дисков, так что их общая нагрузка составляет значительный процент от общей емкости), то искажение может быть значительным. Это искажение может быть математически представлено как дополнительные формы волны напряжения, приложенные к основному напряжению в целых числах, кратных основной частоте. Эти дополнительные напряжения начинаются с кратного 5 и (для трехфазных систем) пропускают все значения, кратные 3.Это называется «гармоническим искажением». Для приводных систем наиболее значимыми гармониками являются 5-я, 7-я и 11-я гармоники (для системы 60 Гц, 300, 420 и 660 Гц).

Чтобы уменьшить это искажение, можно использовать источник большего размера, но это, как правило, неэкономично. Следующий вариант — уменьшить амплитуду нелинейного потребления тока. Самый простой способ добиться этого — добавить фазосдвигающие трансформаторы и использовать дополнительные двухполупериодные мосты. Если перед преобразователем добавить трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна соединена треугольником, а другая соединена звездой, между выходами двух вторичных обмоток будет сдвиг фазы на 30 °.С двумя двухполупериодными мостами, один из которых подключен к обмотке звезды, а другой — к треугольнику, пиковый ток, потребляемый в каждой цепи, будет составлять половину одиночного моста, и один пик тока будет смещен во времени на 30º относительно другого. На первичной обмотке трансформатора это выражается в двух более низких всплесках тока на фазу (всего 12 импульсов) и меньшем потенциале гармонических искажений в системе распределения.

В общем, 12-пульсная система привода лучше, чем 6-пульсная система привода, но если ваша распределительная система не имеет большой доли нелинейных нагрузок, содержание гармоник (как правило) не имеет особого значения.IEEE имеет стандарты приемлемых уровней гармонических искажений для общих и критических систем распределения со стандартом 519, но даже сейчас, через два десятилетия после его первоначального выпуска, он не очень хорошо применяется в реальном мире. Вместо этого производители создают приводное оборудование, которое будет соответствовать требованиям IEEE 519 на входных клеммах привода практически независимо от того, как выглядит источник питания. Для этого требуется как минимум 18-пульсный мост (и, соответственно, дорогой входной трансформатор), а для больших приводных систем обычно 24-импульсный или выше.В качестве альтернативы также могут быть использованы «активные» внешние интерфейсы, состоящие из того, что фактически представляет собой секцию инвертора на основе транзисторов. Многоимпульсные и активные входные каскады значительно увеличивают начальную стоимость приводного оборудования по сравнению с простым шестидиодным двухполупериодным мостом.

Интересно купить 6-пульсный привод? 1 л.с., 2 л.с. …

Силовая электроника — Импульсные преобразователи

Преобразователь с фазовым управлением

Преобразователь с фазовым управлением преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока (с коммутацией линий).Другими словами, он используется для преобразования мощности переменного тока с фиксированной частотой и фиксированным напряжением в выходное переменное напряжение постоянного тока. Это выражается следующим образом:

Фиксированный вход — Напряжение, частота и мощность переменного тока
Переменный выход — Выходное напряжение постоянного тока

Входное напряжение переменного тока, которое подается на преобразователь, обычно составляет с фиксированным среднеквадратичным значением (среднеквадратичное значение) и фиксированной частотой. Включение в преобразователь тиристоров с регулируемой фазой обеспечивает получение переменного выходного напряжения постоянного тока.eci стало возможным благодаря изменению фазового угла, при котором тиристоры срабатывают. В результате получается импульсная форма волны зарядного тока.

Во время полупериода входной мощности тиристор находится в прямом смещении и включается подачей достаточного импульса затвора (триггер). Ток начинает течь при включении тиристора, то есть в точке ωt = α в точке ωt = β. Когда ток нагрузки падает до нуля, тиристор выключается из-за (естественного) переключения линии.

Существует ряд преобразователей мощности, использующих естественное переключение.К ним относятся —

Преобразователи переменного тока в постоянный
Преобразователи переменного тока в переменный
Контроллеры напряжения переменного тока
Циклоконвертеры

Вышеупомянутые преобразователи мощности будут объяснены в следующих главах этого руководства.

2- Convertedpulse ssor

A 2- Преобразователь фазовых импульсов, также известный как генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ) уровня 2, используется для генерации импульсов для преобразователей с широтно-импульсной модуляцией на основе несущей.Для этого используется топология второго уровня. Этот блок управляет переключающими устройствами для целей управления, такими как IGBT и полевые транзисторы, которые существуют в трех типах преобразователей, а именно —

1 плечо (полупроводниковый однофазный мост)
2 плеча (полный однофазный мост)
3 плеча ( трехфазный мост)

Для управления устройством с полным однофазным мостом (2 плеча) необходимо применять униполярную или биполярную широтно-импульсную модуляцию. При униполярной модуляции каждое из двух плеч управляется независимо. Второй опорный входной сигнал генерируется внутренне путем сдвига начальной опорной точки на 180 °

Когда применяется биполярная ШИМ, состояние нижнего переключающего устройства во втором однофазном полном мосте аналогично состоянию верхнего переключателя первого одиночного моста. фазовое полное мостовое устройство.Использование униполярной модуляции приводит к гладким сигналам переменного тока, в то время как биполярная модуляция приводит к меньшему изменению напряжения.

3-импульсный преобразователь

Рассмотрим 3-фазный 3-импульсный преобразователь, в котором каждый тиристор находится в режиме зажигания в течение 1/3 цикла мощности. Первый момент, когда тиристор срабатывает по проводимости, находится на 30 ° по отношению к фазному напряжению.

Его работа объясняется использованием трех тиристоров и трех диодов. Когда тиристоры T1, T2 и T3 заменяются диодами D1, D2 и D3, проводимость начинается под углом 30 ° к фазным напряжениям u _и, u _bn и u _cn соответственно.Следовательно, угол зажигания α первоначально измеряется при 30 ° по отношению к фазному напряжению, которое ему соответствует.

Ток может течь через тиристор только в одном направлении, что похоже на режим работы инвертора, когда мощность течет со стороны постоянного тока на сторону переменного тока. Кроме того, напряжение в тиристорах регулируется путем регулирования угла зажигания. Это достигается при α = 0 (возможно в выпрямителе). Таким образом, 3-импульсный преобразователь действует одновременно с инвертором и выпрямителем.

6-импульсный преобразователь

На рисунке ниже показан 6-импульсный преобразователь с мостовым управлением, подключенный к трехфазному источнику. В этом преобразователе количество импульсов вдвое больше, чем фаз, то есть p = 2m . Используя ту же конфигурацию преобразователя, можно объединить два моста из шести импульсов, чтобы получить преобразователь с двенадцатью или более импульсами.

Когда переключение недоступно, два диода будут вести одновременно. Кроме того, чтобы получить падение напряжения на нагрузке, необходимо установить два диода на противоположных ножках моста.Например, диоды 3 и 6 не могут гореть одновременно. Следовательно, падение напряжения на нагрузке постоянного тока является комбинацией линейного напряжения VL трехфазного источника.

Важно отметить, что чем больше количество импульсов, тем больше используется преобразователь. Кроме того, чем меньше количество импульсов, тем меньше используется преобразователь.

244 Принципы импульсного преобразователя и других систем турбонаддува

Системы турбонаддува с импульсным преобразователем были разработаны для улучшения характеристик тех двигателей, которые страдают от низкого КПД турбины с импульсным турбонаддувом из-за длительных периодов ветра и потерь на частичном впуске (несколько входов в турбину).Они пытаются сохранить преимущества импульсной системы с присущей ей высокой доступной энергией и нестабильным потоком в выпускном отверстии, с более стабильным и более эффективным потоком в турбине.

Система импульсного преобразователя в ее простейшем виде показана на рис. 2.34 применительно к четырехцилиндровому двигателю. Используется обычный импульсный коллектор, но тщательно спроектированное соединение соединяет две ветви коллектора с турбиной с одним входом. На рисунке 2.35 показаны диаграммы давления, записанные для автомобильного двухтактного двигателя с импульсным преобразователем, показанным на рисунке 2.34 и обычная импульсная система. За счет подключения всех четырех цилиндров к единому входу турбины полностью исключаются периоды ветра между импульсами выхлопа. Условия входа в турбину нестабильны, как в системе с постоянным давлением, но исключаются рабочие точки с очень низким КПД импульсной системы. Разветвление спроектировано так, чтобы минимизировать передачу импульсов давления от одной ветви выпускного коллектора к другой, тем самым избегая импульса продувки от одного цилиндра, разрушающего процесс продувки другого.Это достигается за счет ускорения газа, когда он входит в переход, снижения его давления на стыке и сведения к минимуму его воздействия на другую ветвь. На рис. 2.35 импульс давления выхлопных газов из цилиндра 3 поступает в цилиндр 1 в конце периода продувки, но разветвление уменьшило его амплитуду.

Варьируя площади поперечного сечения трубы на входе в соединение, можно контролировать влияние импульсов давления в одном ответвлении на давление в другом, но следует избегать значительного уменьшения площади, иначе турбулентное перемешивание в соединении снизит доступную энергию в соединении. турбина.

Импульсные преобразователи этого типа устанавливаются на многие среднеоборотные дизельные двигатели, особенно с 4,8,16 и другим неудобным (для импульсного турбонаддува) числом цилиндров. Неизменно используется нормальный коллектор импульсного типа с импульсным преобразователем, соединяющим ветви с турбиной. В случае восьмицилиндрового двигателя используются два импульсных преобразователя, каждый из которых подключен к одному из двух входов турбины. В шестнадцатицилиндровом двигателе должны использоваться четырехимпульсные преобразователи с двумя турбокомпрессорами с двойным входом или один четырехканальный двигатель.В таблице 2.1 приведены преимущества и недостатки турбонаддува с импульсным и постоянным давлением.

В качестве альтернативы можно использовать импульсный преобразователь с множеством входов (Multi-stoss, патент Брауна Бовери) с тремя или четырьмя ветвями коллектора, соединенными в импульсном преобразователе и с турбиной с одним входом. При условии, что интервалы срабатывания цилиндров одинаковы, то, в принципе, чем больше цилиндров подключено к турбине, тем стабильнее будет давление на стыке и на входе турбины.На рис. 2.36 сравниваются диаграммы давления выхлопных газов для четырехвходовой многоимпульсной системы и традиционной импульсной системы на среднеоборотном двигателе V8. Колебания давления на входе в турбину очень малы, поэтому турбина работает в таких же благоприятных условиях, как и система постоянного давления. Хотя давление на входе турбины не соответствует «идеальному» пути, как описано со ссылкой на рисунок 2.18, система полностью использует доступную энергию, связанную с областью 5-7-13 на рисунке 2.18. Эта энергия передается в импульсный преобразователь в импульсе давления, показанном на рисунке 2.36, где она в значительной степени преобразуется в кинетическую энергию во входной секции преобразователя импульсного преобразователя. Большая часть этой кинетической энергии передается непосредственно на турбину, хотя часть этой кинетической энергии становится недоступной для турбины из-за неэффективного перемешивания на стыке.

За счет создания почти постоянного давления в стыке воздействие импульса продувки от одного цилиндра на

Турбокомпрессор одинарного входа

Турбокомпрессор с одинарным входом

Рисунок 2.34 Простой импульсный преобразователь и его применение в четырехцилиндровом двигателе

Отношение площадей (форсунки) = AJAV (0,65-0,85) Отношение площадей (горловина) = / 4/2 / 4p (0,5-1,0)

Рисунок 2.34 Простой импульсный преобразователь и его применение в четырехцилиндровом двигателе

Вход турбины

Читать здесь: 360

Была ли эта статья полезной?

Консультации — Инженер по подбору | Назад к основам: частотно-регулируемые приводы и подавление гармоник

Сайед М.Пиран, доктор философии, физкультурник, пожизненный старший член IEEE, Бостон 17 октября 2017 г.

Наклоняющиеся цели

Разберитесь в проблемах, связанных с нагревом двигателей и подшипников двигателя.
Узнайте о напряжениях на изоляции двигателя и гармониках в линиях входного тока.
Знайте, как инженеры-электрики могут спроектировать системы для устранения этих проблем с двигателями.

С момента своего появления в области управления электродвигателями в начале 1950-х годов частотно-регулируемые приводы (VFD) постоянно развивались и быстро улучшались.У этого безумного роста и усовершенствования есть две основные причины. Во-первых, добавление режима переменной скорости к большинству промышленных устройств, таких как насосы, вентиляторы, воздуходувки, краны, подъемники, лифты и т. Д., Приводит к значительной экономии энергии. Во-вторых, частотно-регулируемые приводы предлагают наиболее эффективный метод управления скоростью двигателей переменного тока.

Несмотря на то, что базовая технология существует с начала 1950-х годов, индустрия HVAC вместе с водоснабжением, сточными водами и химической промышленностью не способствовала широкому использованию частотно-регулируемых приводов до середины 1980-х годов — кампания, инициированная крупный производитель электротехники.С тех пор между производителями частотно-регулируемых приводов шла жесткая конкуренция за улучшение своей продукции и повышение ее приемлемости. Просвещение потребителей по технологиям и сопутствующим инженерным вопросам также значительно выросло.

Как и в случае с любой новой технологией, при применении и эксплуатации частотно-регулируемых приводов возникло несколько проблем и проблем. Четыре основных вопроса:

Дополнительный нагрев в моторах.
Проблемы с подшипниками двигателя.
Напряжение напряжения на изоляции двигателя.
Гармоники входных линейных токов.

Разработчики и производители частотно-регулируемых приводов решили эти проблемы по-разному, некоторые из них были собственными. Инженерное воздействие вышеупомянутых четырех проблем было смягчено, но не решено полностью. Нынешняя тенденция состоит в том, что большинство конструкций VFD теперь делятся на две основные категории: многоимпульсный интерфейсный тип и активный интерфейсный тип. В других аспектах большинство конструкций предлагают те же функции в области управления, контрольно-измерительной аппаратуры, диагностики, защиты, автоматизации и вспомогательного оборудования.Прежние конструкции инвертора с источником тока (CSI), инвертора с линейной коммутацией (LCI) и инвертора с источником напряжения (VSI) теперь исчезли.

Дополнительный обогрев двигателя

Нагрев в статоре двигателя, помимо вызванного потерями I ² R, происходит из-за несинусоидальных токов, подаваемых в обмотку инвертором VFD. В более старых конструкциях CSI и LCI токи двигателя были значительно несинусоидальными. Обеспокоенность вызывал нагрев двигателя из-за гармоник.

Мощность двигателей часто снижалась, чтобы учесть повышенный нагрев. Однако в современных двигателях с частотно-регулируемым приводом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) токи двигателя почти синусоидальны, за исключением небольшой высокочастотной составляющей. Эта составляющая, частота которой находится в диапазоне от 4 до 16 кГц, возникает из-за ШИМ-переключения силовых устройств в инверторе. Высокочастотная составляющая тока вызывает дополнительный локальный нагрев из-за скин-эффекта в проводниках обмотки статора и в железных зубцах статора из-за вихревых токов.

Некоторые производители предлагают выходные фильтры для подавления высоких частот под торговыми названиями «синусоидальных» и «матричных» фильтров. Такие фильтры по существу имеют конфигурацию шунтирующего конденсатора с последовательным дросселем. Выходные фильтры обычно размещаются в корпусе частотно-регулируемого привода. Иногда также используются отдельные выходные фильтры. Последовательный индуктор вызывает дополнительные потери мощности и нагрев корпуса, немного снижая общую эффективность частотно-регулируемого привода. Выгода, полученная в сочетании с дополнительными затратами и потерей общей эффективности, во многих случаях сомнительна.

Проблемы с подшипниками двигателя

Проблемы с подшипниками электродвигателя электрического происхождения существовали еще до появления частотно-регулируемых приводов для управления электродвигателями. Невозможно ограничить магнитный поток к железу статора и ротора и воздушному зазору. Обмотка статора всегда создает некоторый магнитный поток, который связывает вал неприводной стороны (NDE) с приводным концом (DE) вала. Из-за некоторой магнитной диссимметрии между NDS и DE машины возникает чистое индуцированное напряжение 60 Гц, которое вызывает небольшой ток в осевом направлении в валу.Этот ток проходит через вал, через два подшипника и раму статора. Ток вызывает дополнительный нагрев и может вызвать ускоренный износ подшипников. Путь тока прерывается изоляцией одного из двух подшипников, обычно подшипника на неприводном конце. Этот утеплитель можно добавить за небольшую плату.

Второе явление, вызванное частотно-регулируемым приводом, является причиной ускоренного износа, возникновения мелкой дуги в смазке подшипника, «рифления» подшипников и возможных отказов подшипников во многих двигателях с приводом от частотно-регулируемых приводов.Это явление возникает из-за электростатической индукции высокочастотного напряжения между валом и обоймой подшипника, в результате чего пленка смазки разрушается электростатически в виде крошечной дуги. Инвертор PWM частотно-регулируемого привода подает высокочастотные импульсы на обмотки двигателя. Паразитные емкости между обмоткой статора и ротором, а также между ротором и рамой статора, которые обычно незначительно влияют на работу двигателя, создают высокочастотное напряжение на пленке смазочного материала подшипников.

В частности, емкость между обмоткой и ротором и общая емкость между ротором и заземленной рамой статора составляют емкостной делитель напряжения, который создает напряжение на подшипниках. Это напряжение разряжается в виде крошечной дуги, которая вызывает протекание через подшипники небольшого тока, известного как ток электроэрозионной обработки (EDM). Этот разряд вызывает ускоренную эрозию опорных поверхностей и, в конечном итоге, разрушение подшипника. Наведенное напряжение, которое может вызвать искрение, находится в диапазоне от 5 до 30 В.

Одним из способов избежать повреждения подшипника является обеспечение альтернативного пути разрядки напряжения подшипника. Такой альтернативный путь может быть обеспечен щеткой заземления вала или кольцом из проводящих волокон, которые движутся по валу для постоянного заземления вала. Щетка заземления — это медная или угольная щетка, скользящая по обработанной поверхности вала. Поскольку щетка подвержена вибрации и износу, она требует регулярного обслуживания. Чрезмерная вибрация и неполный контакт нарушили бы цель предоставления щетки.

Кольцо из проводящих волокон, продаваемое как кольцо Aegis, устраняет проблему вибрации и является хорошим решением при условии, что оно не требует слишком частой замены.

Еще один способ уменьшить повреждение подшипника — обеспечить фильтр скорости изменения напряжения ( dv / dt ) на выходе частотно-регулируемого привода. Фильтр снижает высокочастотное напряжение подшипника.

Напряжения напряжения в изоляции двигателя

При приводе от ЧРП существует два способа, которыми изоляция обмотки статора двигателя может быть нагружена сверх нормального уровня по сравнению с двигателями без ЧРП:

Удвоение напряжения импульсов ШИМ на клеммах двигателя.
Явление стоячей волны, когда длина кабеля приближается к критической.

Эффект удвоения напряжения

Двигатели переменного тока

спроектированы и эксплуатируются таким образом, что плотность магнитного потока в статоре и роторе имеет оптимальное значение. Магнитный материал статора и ротора — слоистая кремнистая сталь. Оптимальная плотность потока зависит от марки кремнистой стали и толщины пластин, выбранных проектировщиком.Если плотность потока больше оптимального значения, материал переходит в состояние магнитного насыщения, что приводит к снижению эффективности и искажению формы волны тока. Если плотность магнитного потока меньше оптимального значения двигателя, он будет потреблять больший ток для создания того же крутящего момента.

Теория машины

переменного тока показывает, что плотность потока пропорциональна отношению (V / f), где V — напряжение, приложенное к двигателю, а f — частота напряжения. Следовательно, когда двигатель приводится в действие частотно-регулируемым приводом, напряжение двигателя следует регулировать при изменении частоты, чтобы поддерживать постоянным отношение V / f (вольт на герц) при проектном значении.Эта регулировка должна выполняться инвертором (преобразователем двигателя) частотно-регулируемого привода.

Входом в инвертор является постоянное напряжение, создаваемое линейным преобразователем. ШИМ — это метод, используемый для изменения напряжения двигателя. Силовые устройства в каждой фазе инвертора включаются и выключаются с определенной частотой, называемой несущей частотой, для генерации последовательности импульсов различной ширины, так что среднее напряжение является синусоидальным, а величина регулируется путем регулировки ширины каждый импульс.

На рисунке 1 (A) показана схема 3-фазного инвертора с ШИМ. В качестве силовых устройств используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), шунтированные кремниевыми диодами, которые помогают отключать IGBT. Включение и выключение осуществляется схемой, управляемой микропроцессором, который питает затворы шести IGBT.

На рисунке 1 (B) показано линейное напряжение (В _AB) на выходе инвертора. Форма волны напряжения состоит из положительных и отрицательных импульсов, величина которых равна напряжению звена постоянного тока E _DC, ширина которых регулируется таким образом, чтобы среднее напряжение было синусоидальным (как показано пунктирной линией).Его частота зависит от скорости, требуемой приводимым оборудованием. Например, если нагрузка должна приводиться в движение со скоростью 50% от номинальной, частота среднего напряжения устанавливается на 30 Гц. Обратите внимание, что рисунок 1 (B) не соответствует масштабу, и количество импульсов, показанных в каждом полупериоде среднего напряжения, выбрано произвольно, чтобы проиллюстрировать действие инвертора PWM. Фактически, для базовой частоты 30 Гц и несущей частоты 4 кГц количество импульсов в каждом полупериоде среднего напряжения будет 66.

Инвертор с ШИМ посылает на двигатель серию импульсов почти прямоугольной формы с несущей частотой (обычно от 4 до 16 кГц) через кабель двигателя. Эти импульсы распространяются со скоростью приблизительно 100 м / микросекунда (329 футов / микросекунда). Для рабочей частоты 16 кГц средняя ширина каждого импульса составляет примерно 62 микросекунды. Когда передний фронт импульса достигает двигателя, импульс удваивается по амплитуде, потому что волновое сопротивление обмотки двигателя намного больше, чем у кабеля.

Создается отраженная волна, которая возвращается к ЧРП. Следовательно, если длина кабеля составляет 100 м (329 футов), произойдет 62 многократных отражения и удвоение напряжения на клеммах двигателя в течение одного импульса ШИМ. Падающая и отраженная волны ослабляются сопротивлением кабеля. Следовательно, изоляция обмотки двигателя подвергается воздействию импульсов, в два раза превышающих напряжение звена постоянного тока, и высокочастотного звона на переднем фронте каждого импульса ШИМ.

Напряжение звена постоянного тока преобразователя частоты 480 В составляет приблизительно 648 В в 6-пульсном линейном преобразователе и почти равно 678 В для 18-пульсных линейных преобразователей и более высоких импульсных линейных преобразователей.В частотно-регулируемых преобразователях на 208 В максимальное напряжение звена постоянного тока составляет 294 В. Двигатель воспринимает импульсы, примерно в два раза превышающие напряжение звена постоянного тока, за которыми следует высокочастотный сигнал, частота которого зависит от длины кабеля.

Признавая этот факт, стандарт MG-1 Национальной ассоциации производителей электрооборудования, раздел IV, часть 31, требует, чтобы двигатели с инверторным питанием, рассчитанные на 600 В или менее, были спроектированы так, чтобы выдерживать пиковое напряжение 1600 В с временем нарастания 0,1 микросекунды. . Двигатели, рассчитанные на напряжение более 600 В, должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать пиковое напряжение 2.5 на единицу со временем нарастания 1,0 мкс.

Явление стоячей волны

Это явление зависит от скорости нарастания переднего фронта импульса ШИМ. Импульсы ШИМ имеют не прямоугольную форму, а трапециевидную форму с конечным временем нарастания. Время нарастания зависит от собственной индуктивности пути тока в инверторе и характеристик переключающих устройств. Теория схем показывает, что напряжение на принимающей стороне, то есть напряжение на клеммах двигателя, обратно пропорционально COS (2πs / λ), где:

COS (X) — косинус тригонометрической функции аргумента X.
λ = длина волны = (скорость распространения) x (время одного цикла), м.
s = длина кабеля от преобразователя частоты до двигателя, м.

Когда отношение ( с / λ ) приближается к ¼, напряжение на клеммах двигателя приближается к бесконечности. Эта длина называется критической длиной кабеля и зависит от времени нарастания переднего фронта импульса ШИМ. Критическая длина определяется следующим уравнением:

с = ϑ * т / 2

где

s = критическая длина, м.

ϑ = скорость пробоя в кабеле двигателя, м / мкс.

t = Время нарастания импульса ШИМ, микросекунды.

Время нарастания обычно составляет от 0,2 до 0,8 микросекунды. Его можно увеличить примерно до 10 микросекунд, добавив фильтр dv / dt на выходе частотно-регулируемого привода, таким образом увеличив критическую длину примерно до 500 м (1645 футов). Более тяжелый синусоидальный фильтр еще больше увеличит критическую длину.

Многоимпульсные частотно-регулируемые приводы

Многоимпульсные частотно-регулируемые приводы — это такие частотно-регулируемые приводы, линейные преобразователи которых (выпрямители, преобразующие входное переменное напряжение в постоянное для питания инвертора) имеют входной фазосдвигающий трансформатор для создания более плавного напряжения промежуточного контура. Число импульсов относится к числу пульсаций напряжения промежуточного контура за один цикл входного переменного напряжения. Многоимпульсный режим работы возможен полностью за счет фазосдвигающего трансформатора. Силовые электронные устройства в преобразователе представляют собой неуправляемые кремниевые диоды.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель, который выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды переменного напряжения, представляет собой 2-импульсное устройство. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой 6-пульсное устройство. Фазовый угол между последовательными вторичными напряжениями составляет 120 градусов. В 12-импульсном преобразователе фазосдвигающий трансформатор преобразует 3-фазное входное напряжение в 6-фазное напряжение, которое при выпрямлении создает 12 пульсаций в выходном постоянном напряжении. Фазовый угол между последовательными вторичными напряжениями составляет 60 градусов. Точно так же фазовращающий трансформатор производит преобразование из 3-х фаз в 9-фазное в случае 18-импульсного преобразователя.Вторичные напряжения взаимно смещены на 40 град. Между прочим, количество силовых электронных устройств равно количеству импульсов.

На рисунках 2, 3 и 4 показаны соединения входного трансформатора и силовых устройств для 3-фазных линейных преобразователей с 6, 12 и 18 импульсами. На рисунке 3 каждая ветвь сердечника трансформатора имеет две вторичные обмотки в дополнение к одной первичной обмотке. Например, обмотки красного цвета (Pa, Sa1 и Sa2) намотаны на одном плече сердечника трансформатора.

На рисунке 4 трансформатор для 18-пульсного линейного преобразователя имеет пять вторичных обмоток и одну первичную обмотку в каждой фазе. Обмотки одного цвета, показанные на рисунке 4, намотаны на одном плече трансформатора.

См. Таблицу 1, чтобы понять работу многоимпульсных преобразователей. Для 2- и 6-импульсных преобразователей входными трансформаторами являются обычные однофазные и трехфазные трансформаторы. В случае 12-импульсного преобразователя трансформатор выполняет преобразование от 3 до 6 фаз.Другими словами, создаются два набора трехфазных напряжений, взаимно смещенных на 60 градусов. Каждый комплект запитан на трехфазный мостовой выпрямитель. Выходы постоянного тока каждого выпрямителя подключаются последовательно или параллельно.

Точно так же трансформаторы выполняют преобразование от 3 до 9 фаз в случае 18-пульсного преобразователя. Создаются три набора трехфазных напряжений, взаимно смещенных на 40 градусов (см. Рисунок 5). Трансформатор имеет пять вторичных обмоток и по одной первичной обмотке на каждом плече.Подобно цветным векторам, показанным на рисунке 5, напряжения создаются вторичными обмотками той же фазы. Три набора трехфазных напряжений: A1B1C1, A2B2C2 и A3B3C3. Следовательно, имеется девять напряжений равной величины, взаимно смещенных на 40 градусов.

Можно показать, что если обмотка Sa1 имеет 100 витков, обмотки Sa2 и Sa3 должны иметь 39,49 витка, а обмотки Sa4 и Sa5 должны иметь 74,22 витка каждая, чтобы создать набор сбалансированных 9-фазных напряжений. Три набора трехфазных напряжений (A1B1C1, A2B2C2, A3B3C3) подаются на три 6-импульсных преобразователя.Выходы постоянного тока подключаются последовательно или параллельно.

Аналогичную векторную диаграмму можно нарисовать для 24-пульсного преобразователя. В этом случае трансформатор выполняет преобразование от 3 до 12 фаз. Каждая ветвь трансформатора должна иметь девять вторичных обмоток в дополнение к одной первичной обмотке.

Таблица 1 показывает, что количество силовых электронных устройств, необходимых для многоимпульсного преобразования, равно количеству импульсов, за исключением однофазного 2-импульсного преобразователя.Пульсации напряжения от пика к пику постепенно уменьшаются с увеличением количества импульсов.

Преобразователи многоимпульсных линий

Номер импульса	Преобразование фазы входного трансформатора	Фазовый угол (градус) между последовательными фазными напряжениями	Конфигурация преобразователя линии	Количество выпрямительных устройств	Напряжение звена постоянного тока	размах колебаний постоянного тока	Гармоники переменного тока в сети
2	от 1 до 1 фазы	180	Однофазный двухполупериодный мост	4	0.9 E (Примечание 1)	1,414 E	1, 2, 3, 4,…
6	от 3 до 3 фаз	120	Трехфазный двухполупериодный мост	6	1,35 E _L (Примечание 2)	0,189 E _L	1,5, 7, 11, 13, 17, 19,…
12	от 3 до 6 фаз	60	Два трехфазных двухполупериодных моста последовательно или параллельно	12	2.78 E _L для серии 1,39 E _L для параллельного подключения	0,096 E _L для серии 0,048 E _L для параллельного подключения	1,11, 13, 23, 25, 35, 37,…
18	от 3 до 9 фаз	40	Три трехфазных двухполупериодных моста последовательно или параллельно	18	7,31 E _S для серии 2,436 E _S для параллельного подключения (Примечание 3)	0.111 E _S для серии 0,0372 E _S для серии	1, 17, 19 35, 37,…
24	от 3 до 12 фаз	30	Четыре трехфазных двухполупериодных моста последовательно или параллельно	24	9,77 E _S для серии 2,44 E _S для параллельного подключения	0,083 E _S для серии 0,02 E _S для параллельного подключения	1, 23, 25, 47, 49,…

Таблица 1: Для 12-, 18- и 24-импульсных преобразователей входной трансформатор выполняет преобразование из 3 в 6 фаз, из 3 в 9 фаз и из 3 в 12 фаз.По мере увеличения количества импульсов пульсации в напряжении звена постоянного тока уменьшаются, а нижние гармоники в линейном токе переменного тока подавляются. Предоставлено: Сайед М. Пиран

Примечания:

1. E = вторичное напряжение трансформатора, В действ.

2. E _L = трехфазное линейное напряжение, В действ.

3. E _S = Напряжение вторичной обмотки трансформатора, В действующее значение (см. Рисунок 4).

Возникает очевидный вопрос: «Как число импульсов связано с гармониками входных линейных токов?» Рассмотрим 6-пульсный преобразователь.В преобразователе шесть устройств. Устройства проводят попарно. Каждое устройство работает в течение одной трети цикла (электрический ток 120 градусов). Число импульсов указывает, сколько раз устройства переключались за один цикл. Токи в первичных обмотках трансформатора состоят из положительных и отрицательных импульсов длительностью 120 градусов каждый. Линейные токи на входе трансформатора представляют собой ступенчатые волны, которые имеют шесть ступеней в каждом цикле. Токи не являются синусоидальными, потому что преобразователь вместе с конденсатором звена постоянного тока и катушкой индуктивности в основном является нелинейным устройством, которое потребляет несинусоидальный ток, даже если входные напряжения синусоидальны.

Следовательно, токи имеют основную (60 Гц) и гармоническую составляющие. Теперь ЧРП представляет собой трехпроводное устройство. Нет пути для протекания нейтрального тока. Следовательно, входные линейные токи не имеют третьей гармоники и кратны третьей (тройной) гармонике. Кроме того, поскольку проводимость устройств в положительном и отрицательном полупериодах идентична (в идеале), отсутствует постоянная составляющая и нет четно упорядоченных гармоник. Следовательно, входные линейные токи содержат только нечетно-упорядоченные гармоники попарно, например 1, 5 и 7; 11 и 13; 17 и 19; и т.п.Гармоника с самой низкой частотой — это p-1, где p — номер импульса. Общее уравнение для гармоник выглядит следующим образом:

ч = п * (р +/- 1)

Где

h = порядок гармоник

p = номер импульса

n = 1, 2, 3, 4,…

18-пульсный преобразователь теоретически будет генерировать только 17 ^-ю-, 19 ^-ю-, 35 ^-ю-, 37 ^-ю-, 53 ^-ю— и 55 ^-ю гармоник. Величина тока уменьшается с увеличением порядка гармоник.Это связано с тем, что полное сопротивление цепи увеличивается с увеличением частоты гармоники, что позволяет уменьшить ток. Это означает, что 18-пульсный преобразователь потребляет более чистый ток, чем 6- или 12-пульсный преобразователь. Это причина все более широкого использования преобразователей импульсов 18 и выше.

Порядки гармоник, определяемые приведенным выше уравнением, являются характеристическими гармониками для определенного количества импульсов. Однако из-за небольших отклонений в проводимости устройств, неравных импедансов в трех фазах и дисбаланса входных напряжений также создаются небольшие количества нехарактерных гармоник.Например, нет ничего необычного в том, чтобы найти 18-пульсный преобразователь, генерирующий небольшие количества 5 ^-й, 7 ^-й, 11 ^-й, 13 ^-й и т.д. гармоник в дополнение к своим характерным гармоникам.

Фактически, несимметрия входных напряжений является основной причиной образования нехарактерных гармоник. Этот факт является слабым местом многоимпульсной конструкции. Рассмотрим 18-пульсную схему: сбалансированный набор 9-фазных напряжений может быть получен только в том случае, если соотношение витков обмоток в фазосдвигающем трансформаторе составляет 100: 74.22 и 100: 39,49. Поскольку количество витков в обмотке трансформатора может быть только целым числом (74 или 75, а не 74,22), очень сложно создать набор сбалансированных 9-фазных напряжений.

Ситуация еще больше усугубляется, если входные трехфазные напряжения от электросети несимметричны. Дисбаланс от 2% до 3% не является чем-то необычным для входных напряжений электросети. Тем не менее, несмотря на создание нехарактерных гармоник, частотно-регулируемые преобразователи с 18 или более импульсами предпочтительнее 6-пульсных частотно-регулируемых приводов с точки зрения гармоник.Дополнительные затраты и, возможно, более крупная занимаемая площадь часто оправданы, потому что никаких других средств подавления гармоник не требуется.

В таблице 2 показаны гармоники, генерируемые типичным 6-импульсным частотно-регулируемым приводом с ШИМ и типичным 18-пульсным частотно-регулируемым приводом с ШИМ.

Гармоники, создаваемые типичными 6- и 18-импульсными частотно-регулируемыми преобразователями

Порядок гармоник	Частота, Гц	Типовой 6-пульсный частотно-регулируемый привод гармонический ток,%	Типовой 18-импульсный частотно-регулируемый привод гармонический ток,%
1	60	100.00	100,00
5	300	31,3	2,6 ^*
7	420	9,3	1,6 ^*
11	660	6,4	0,7 ^*
13	780	3,4	0,4 ^*
17	1 020 90 565	2,4	1.5
19	1,140	1,9	1,0
23	1,380	1,1	0,1 ^*
25	1,500	1,1	0,1 ^*
29	1,620	0,7	0
31	1860	0,6	0
35	2100	0.5	0
37	2,220	0,4	0
41	2,460	0,4	0
43	2,580	0,4	0
Полный коэффициент гармонических искажений%		33,64	3,64

Примечание: * указывает на нехарактерные гармоники.

Таблица 2: Цифры взяты из опыта автора в полевых испытаниях частотно-регулируемых приводов.Эти числа различаются в зависимости от марки и модели ЧРП. Лучше всего получить спектр гармоник от производителя VFD

Активные внешние частотно-регулируемые приводы

ЧРП

с активным внешним интерфейсом (AFE) вошли в употребление только недавно и быстро получают признание. На рисунке 6 показана конфигурация линии и преобразователей двигателя. AFE VFD — это в основном 6-импульсные VFD, за исключением того, что линейный преобразователь не является неуправляемым диодным мостовым выпрямителем, как в других 6-импульсных VFD, а использует управляемые устройства питания, такие как IGBT.Конфигурация линейного преобразователя такая же, как и у преобразователя двигателя.

Однако работа и управление разные. Сетевой преобразователь работает с базовой частотой 60 Гц, а преобразователь двигателя работает с переменной частотой (обычно от 6 до 66 Гц) в зависимости от желаемой скорости приводного двигателя. Линейный преобразователь также имеет ШИМ-переключение БТИЗ, но логика переключения такова, что преобразователь потребляет почти синусоидальный ток. В случае преобразователя двигателя логика ШИМ-переключения такова, что среднеквадратичное (среднеквадратичное) напряжение двигателя пропорционально базовой частоте инвертора, чтобы отношение V / f (вольт на герц) оставалось почти постоянным.Несущая частота ШИМ обычно не такая, как в преобразователе двигателя.

Поскольку IGBT переключаются на высокой частоте, AFE VFD требует большого фильтра индуктивности-конденсатора на конце линии. Фильтр встроен в частотно-регулируемый привод. Он увеличивает площадь, занимаемую частотно-регулируемым приводом, но не так сильно, как фазосдвигающий трансформатор 18-пульсного частотно-регулируемого привода. Следовательно, в целом частотно-регулируемый привод AFE занимает меньше места, чем эквивалентный многоимпульсный частотно-регулируемый привод.

Из-за ШИМ-переключения устройств в преобразователе линии AFE VFD потребляет почти синусоидальные токи из линии.Гармонические характеристики AFE VFD примерно такие же, как у 18-импульсного VFD. Однако AFE VFD не так чувствителен к несимметричным напряжениям, как 18-импульсный VFD.

Поскольку линейный преобразователь сконфигурирован с IGBT, преобразователь является двунаправленным. AFE VFD может обеспечивать рекуперативное торможение двигателя, что является функцией, недоступной для других 6-импульсных и многоимпульсных VFD. Роли сетевого преобразователя и преобразователя двигателя можно легко поменять местами при торможении двигателя, таким образом восстанавливая кинетическую энергию вращающегося двигателя.Нет необходимости предоставлять резисторы динамического торможения. Это желательная особенность некоторых приводов, требующих многократного реверсирования.

Пассивные фильтры гармоник

Пассивные фильтры гармоник обеспечивают недорогой способ подавления гармоник, создаваемых частотно-регулируемыми приводами и другими источниками гармоник. Пассивные фильтры лучше всего использовать как отдельные фильтры для каждого небольшого 6-импульсного частотно-регулируемого привода или как общие фильтры, подключенные к центру управления двигателем (ЦУД), питающему несколько частотно-регулируемых приводов. По сути, пассивный фильтр представляет собой последовательный резонансный контур индуктивности и конденсатора, который настроен на определенную частоту и подключен параллельно с частотно-регулируемым приводом.Фильтр состоит из трехфазного индуктора с железным сердечником, соединенного последовательно с трехфазным конденсатором, соединенным звездой или треугольником. При указании фильтра необходимо учитывать следующие электрические свойства пассивного фильтра:

На резонансной частоте фильтр имеет низкий импеданс (в основном резистивный). Следовательно, при параллельном подключении с частотно-регулируемым приводом он обходит на землю ту гармонику, на которую он настроен. Например, если фильтр настроен на 5 ^{-ю гармонику} (300 Гц), он будет обходить 5-ю ^-ю гармонику относительно земли, и в электрической системе будет протекать незначительный гармонический ток 5 ^-й.
На частотах выше резонансной частоты фильтр действует как индуктор.
На частотах ниже резонансной частоты фильтр действует как конденсатор. Следовательно, для частоты сети 60 Гц конденсатор фильтра будет обеспечивать коррекцию коэффициента мощности.

Пассивные фильтры рассчитаны на реактивные киловольт-амперы (кВАр), обеспечиваемые конденсатором фильтра на промышленной частоте. Например, фильтр гармоник 60 кВАр 5 ^-й будет обеспечивать 60 кВАр реактивной мощности при 60 Гц для коррекции коэффициента мощности, в то время как катушка индуктивности такова, что резонансная частота составляет 300 Гц.Когда подключен пассивный фильтр, общая эффективность системы распределения увеличивается из-за увеличения коэффициента мощности.

Как инженер должен указать пассивный фильтр для конкретного ЧРП? Большинство программ гармонического анализа могут моделировать пассивные фильтры. Для начала предполагается, что номинальная мощность фильтра в кВАр составляет примерно одну треть номинальной мощности ЧРП в киловольт-амперах (кВА). Затем повторно запускают гармонический анализ. Затем значение kVAR корректируется, и гармонический анализ повторяется до получения удовлетворительных результатов.

В условиях небольшой нагрузки реактивная мощность 60 Гц, подаваемая пассивным фильтром подавления гармоник, может привести к тому, что система будет иметь опережающий коэффициент мощности. В этом случае системное напряжение превысит номинальное напряжение. Чтобы избежать этой ситуации, пассивный фильтр состоит из двух или трех параллельных фильтров, которые можно переключать в зависимости от нагрузки в системе.

Активные фильтры подавления гармоник

Активные фильтры подавления гармоник (AHF) в настоящее время производятся и продаются несколькими компаниями.Фильтры, как правило, не приспособлены для конкретной ситуации или системы, в отличие от пассивных фильтров, но они могут динамически подстраиваться под потребность в коррекции гармоник. AHF доступны для приложений низкого напряжения (480 и 208 В, 3 фазы) и среднего напряжения (4 160 В, 3 фазы). AHF работают как комбинация нескольких пассивных фильтров (для обхода токов разной частоты) и разных величин (для уменьшения гармоник в контролируемой цепи ниже желаемого уровня).

Для динамической работы AHF определяет величину гармоник в цепи.Такое измерение выполняется трансформаторами тока и внутренним микропроцессором, который выполняет быстрое преобразование Фурье (БПФ) входной формы волны. AHF содержат активные элементы, такие как IGBT, а также комбинации катушек индуктивности и конденсаторов. Точная схема AHF, по-видимому, является тщательно охраняемым секретом производителями, но, как и в случае с пассивными фильтрами гармоник, их основная функция заключается в динамическом поглощении гармонических токов.

AHF

лучше всего подходят в качестве обычных фильтров, подключаемых либо к распределительному устройству, либо к шине MCC, питающей множество частотно-регулируемых приводов.AHF рассчитываются по максимальному среднеквадратическому значению полного гармонического тока, поглощаемого фильтром. Доступны номиналы от 50 до 300 ампер. Чтобы получить более высокие характеристики, можно параллельно подключить несколько АВЧ. AHF также могут обеспечивать коррекцию переменного коэффициента мощности. Однако, в отличие от пассивных фильтров гармоник, они не будут создавать ситуацию с опережающим коэффициентом мощности во время небольшой нагрузки на частотно-регулируемые приводы. Кроме того, они не могут отрицательно взаимодействовать с существующими фильтрами, активными или пассивными, в системе.

Как выбрать активный фильтр гармоник для конкретной системы? Производители AHF предоставляют простые программы на основе электронных таблиц для определения среднеквадратичного номинального тока фильтра, если известен общий номинальный ток преобразователя частоты в кВА. В качестве альтернативы для определения рейтинга можно использовать программное обеспечение системного анализа, такое как SKM, PowerTools или ETAP, даже если эти программы в настоящее время не способны моделировать активные фильтры подавления гармоник.