Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока. азначение, принцип действия и классификация широтно-импульсных преобразователей постоянного тока

1.  Широтно-импульсные преобразователи постоянного тока

1.1.  Назначение, принцип действия и классификация широтно-импульсных преобразователей постоянного тока

Изменение величины напряжения потребителя посредством широтно-импульсных преобразователей (ШИП) называют импульсным регулированием.

С помощью ШИП источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе ШИП формируются импульсы напряжения.

В качестве прерывателя при импульсном управлении используется тиристор, соединяющий и разъединяющий нагрузку с питающей сетью и преобразующий постоянное напряжение сети в импульсное напряжение нагрузки. Этот процесс проиллюстрирован на рис. 1.1, где пунктиром очерчен прерыватель, в качестве которого использован тиристор. На интервале t_вкл, когда тиристор находится в проводящем состоянии, выводы сети соединены с выводами нагрузки. На интервале T– t_вкл тиристор закрыт, и выводы нагрузки закорочены через обратный диод VD₀, по которому протекает ток нагрузки. В результате на нагрузке создается импульсное напряжение U_н, среднее значение которого может быть определено по формуле

                (1.1)

где   t_вкл – длительность открытого состояния прерывателя;   T – период импульсов;  g = t_вкл/Т – скважность импульсов.

Рис. 1.1. Принцип действия преобразователя с широтно—импульсным управлением

Таким образом, регулирование напряжения на нагрузке можно осуществить путем изменения параметров выходных импульсов t_и и T, где t_и – длительность выходных импульсов; Т – период следования выходных импульсов. Наибольшее распространение получили широтно-импульсный (t_и=var, T= const), частотно-импульсный (t_и= const, T= var) и время-импульсный (t_и= var, T= var) способы регулирования. При этом регулируется относительное время проводимости управляемого вентиля, что приводит к плавному изменению среднего или действующего значения напряжения на нагрузке.ШИП постоянного напряжения можно классифицировать по ряду признаков .

В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов различают: а) ШИП на полностью  управляемых вентилях [транзисторах и запираемых (двухоперационных)].

Нереверсивные   ШИП   преобразуют  плавно   изменяющееся   входное 

напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но  различной длительности.

Реверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное  напряжение или в переменное, разной по полупериодам  длительности, или в импульсное постоянной амплитуды, разной длительности и полярности.

В качестве реверсивных обычно используют мостовые  преобразователи. Нереверсивные ШИП могут осуществлять полную или  частичную модуляцию напряжения питающей сети.

Нереверсивные ШИП с полной модуляцией в зависимости от места  включения управляемого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на  три  типа. В ШИП первого типа управляемый вентиль и дроссель фильтра  включены последовательно с нагрузкой (последовательный ШИП).  Характерной особенностью последовательных ШИП – является  невозможность получения напряжения на выходе выше напряжения источника питания. Параллельные ШИП – второго типа с последовательным  включением дросселя и параллельным включением управляемого вентиля  по отношению к нагрузке и третьего типа с последовательным включением  управляемого вентиля и параллельным включением дросселя по отношению  к нагрузке – позволяют получить напряжение на выходе выше напряжения источника питания.

Выходные каскады ШИП наиболее просто выполнять на полностью  управляемых вентилях – транзисторах и запираемых (двухоперационных)  тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью  управляющих импульсов.

При выходной мощности более нескольких киловатт в качестве ключей целесообразно применять тиристоры.

Импульсные преобразователи имеют следующие преимущества:

1) высокий к. п. д., так как потери мощности на регулирующем элементе   преобразователя    незначительны    по    сравнению    с    потерями мощности при непрерывном регулировании;

2) малую чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости управляемого вентиля, а не внутреннее сопротивление регулирующего элемента, как при непрерывном  регулировании;

3) малые габариты и массу; постоянную готовность к работе.          Однако импульсным преобразователям присущи и недостатки:          1) импульсный режим работы регулирующего элемента приводит к  необходимости устанавливать выходные и часто входные фильтры, что вызывает инерционность процесса  регулирования в замкнутых системах;     

2) высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи  ШИП приводят к возникновению радиопомех.

1.2.  Силовые схемы ШИП постоянного тока

1.2.1.  Силовые схемы нереверсивных ШИП

На рис. 1.2, а) изображена нереверсивная схема ШИП с тиристорным ключом. Функцию собственно ключа выполняет тиристор VS1, а тиристор VS2 служит для управления процессом коммутации VS1. Работает тиристорный коммутатор следующим образом. Пусть предварительно конденсатор С заряжен через VS2 с положительным зарядом на верхней обкладке. При подаче управляющего импульса на VS1 на двигателе М появляется импульс напряжения U_П и через VS1 протекает ток нагрузки. Одновременно по контуру, в который входят конденсатор С, тиристор VS1, диод VD2 и реактор L_К, происходит процесс перезаряда конденсатора, заканчивающийся через полупериод собственных колебаний контура с положительным зарядом на нижней  обкладке.  Диод  VD2  запирает  конденсатор  от  дальнейшей  перезарядки. Сигналом на закрывание VS1 является управляющий импульс, подаваемый на VS2. Через открытые тиристоры VS2 и VS1 разряжается конденсатор и своим током запирает VS1. После запирания VS1, ток протекающий через VS2, дозаряжает конденсатор до первоначального уровня с положительным зарядом на верхней обкладке.