Транзисторные регуляторы напряжения

Транзисторные регуляторы напряжения

Появление полупроводниковых приборов, способных при работе в ключевом режиме коммутировать большие мощности, привело вновь к использованию дискретных регуляторов для регулирования напряжения авиационных генераторов. Во всех многочисленных схемах регуляторов напряжения на транзисторах принципиальная схема  оконечного каскада имеет вид, представленный на рис. 3.8. Различия полных схем регуляторов связаны главным образом с различием схем управления импульсным элементом, роль которого выполняет транзистор VT1. включенный последовательно с обмоткой возбуждения и работающий в режиме ключа.

Когда транзистор работает в режиме отсечки или, как говорят, когда он находится в закрытом состоянии, можно считать, что сопротивление r_эк = r_o цепи эмиттер — коллектор  весьма  велико («ключ закрыт»). Если транзистор работает в режиме насыщения («ключ открыт»), то сопротивление r_эк = r_o весьма мало.

Диод VD1, включенный параллельно обмотке возбуждения, обеспечивает работу ее в режиме «непрерывного тока», т. е. протекание тока по обмотке возбуждения и в период разомкнутого состояния транзисторного ключа. В режиме «непрерывного тока» при одинаковом среднем значении тока за период наибольшее значение тока возбуждения меньше, чем в режиме «прерывистого тока», вследствие чего потери в транзисторе, пропорциональные квадрату прерываемого тока. существенно меньше. Кроме того, диод защищает транзистор VT1 от пробоя, так как при прерывании цепи возбуждения или при резком изменении напряжения на обмотке возбуждения возникает э. д. с. самоиндукции, приложенная к переходу эмиттер-коллектор транзистора. Если транзистор включен в цепь возбуждения, то при работе в режиме ключа на зажимах генератора устанавливается

Рис.3.8 принципиальные схемы выходного каскада

полупроводникового регулятора напряжения:

а — с дополнительным сопротивлением;  б — без  дополнительного сопротивления.

Рис. 3.9. Форма пульсации напряжения при импульсном регулировании:

а — нагруженный генератор: 6 — холостой ход

напряжение, имеющее пульсирующий характер (рис. 3.9).

Для релейных регуляторов, напряжения амплитуда пульсации определяется коэффициентом возврата релейного элемента и оста­ется постоянной при всех режимах работы генератора. При этом ис­ходя из требований к качеству электрической энергии амплитуду пульсации напряжения генератора стремятся сделать как можно меньше. Если частота вращения генератора и его нагрузка изменя­ются в широком диапазоне, то при стабилизации напряжения отно­сительное время открытого состояния транзистора τ_о = t_o / t_ц при­обретает два крайних значений: 0 и 1. при которых автоколебания в системе прекращаются, а частота замыканий транзисторного ключа становится равной нулю. При некотором значении τ_о частота замыканий достигает максимума (рис. 3.10). С увеличением на­грузки генератора частота возрастает до определенного значения, а затем начинает постепенно убывать.

Для импульсных регуляторов напряжения частота замыкания постоянна. При этом в процессе поддержания среднего значения напряжения величина τ_о может приобретать два крайних значения: 0 и 1, при которых амплитуда пульсации тока возбуждения и напряжения генератора равна нулю. При переходе тока возбуждения от одного крайнего значения к другому амплитуда пульсации будет постепенно нарастать и по достижении определенного максимума убывать.

При включении транзистора в цепь возбуждения без добавочного сопротивления (см. рис. 3.8, б) непрерывность протекания тока в обмотке возбуждения в период закрытого состояния транзистора обеспечивается включением параллельно обмотке возбуждения диода VDI. При отключении обмотки в ней наводится э. д. с. само­индукции, и ток при закрытом ключе продолжает протекать по кон­туру. Режим непрерывного тока возможен только при условии, что постоянная времени обмотки возбуждения Т_в значительно больше периода квантования Т = 1/f  (периода замыканий транзисторного ключа).

Для выявления основных свойств импульсного метода управления рассмотрим квазистационарные процессы. Для интервала t_o(рис. 3.11), в течение которого обмотка возбуждения подключена к источнику питания (допустим, что сопротивление импульсного элемента равно нулю), баланс напряжений и э. д. с. определяется уравнением

                                                                                                                                         (3.4)

где r_в — сопротивление обмотки возбуждения; L _в — индуктивность обмотки возбуждения.

Для интервала t_з , в течение которого транзистор закрыт, и при условии, что i_в2 > 0, справедливо уравнение

                                                                                                                                                    (3.5)

Среднее значение тока возбуждения за период Т = t_о + t_зможно получить, интегрируя уравнения (3.4) и (3.5):

                                    (3.6)

так как  i _в1(0) = i _н2 (t_о + t_з), а   i _в1(t_о) = i _в2(t_о)

Таким образом, регулировать напряжение можно, изменяя среднее значение тока возбуждения, воздействуя на скважность (S == t_o/T) импульсов. В качестве примера на рис. 3.12 приведен транзисторный широтно-импульсный регулятор напряжения, поддерживающий в симметричных режимах среднее фазное напряжение и ограничивающий наибольшее из фазных напряжений в несимметричных режимах работы трехфазного генератора. Наибольший из этих четырех сигналов суммируется с пилообразным напряжением и поступает на вход компаратора, где сравнивается с опорным напряжением. Полученный широтно-модулированный сигнал поступает на базу силового транзистора, управляющего током возбуждения возбудителя. На рис. 3.13 показано изменение сигнала на выходе компаратора при повышении напряжения генератора.

Рис. 3.12. Транзисторный регулятор напряжения:

Ф — фильтр; С — схема выделения наибольшего напряжения; ГП — генератор пилы; ЭС — эталонный сигнал; УМ — усилитель мощности; УР — устройство рекуперации; КЗ — корректирующее звено

Опорное напряжение представляет собой сумму трех сигналов: собственно эталонного сигнала, сигнала с распределителя реактивной мощности (при параллельной работе) и сигнала гибкой обратной связи, обеспечивающей необходимое качество переходных процессов.

Рис. 3.13. Диаграмма работы регулятора напряжения:

1— сумма U_вх и  «пилы»; 2 —  эталон; 3 — выход регулятора.