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:

1. Понижающие;
2. Повышающие;
3. Бестрансформаторные;
4. Инверторные;
5. Регулируемые с настройкой частоты и величины выходного переменного напряжения;
6. 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:

1. Мощность;
2. Величина входного и выходного напряжения;
3. Возможность стабилизации и её пределы;
4. Величина тока на нагрузке;
5. Минимизация нагрева, то есть лучше чтобы преобразователь работал в режиме с запасом по мощности;
6. Вентиляция устройства, может быть естественная или принудительная;
7. Хорошая шумоизоляция;
8. 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.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ряде случаев в нагрузке, питаемой переменным током от первичной сети, требуется осуществить плавное или ступен­чатое изменение мощности без изменения частоты. Для этой цели наиболее подходят тиристорные преобразователи, основанные на применении коммутатора, состоящего из двух встречно-параллельно включенных обычных тиристоров (рис. 1, а), симистора (рис. 1, 6) или схем, включающих тиристоры и диоды (рис. 1, в, г). Естествен­но, что регулирование мощности в нагрузке производится только в сторону уменьшения от номинальной до нуля.

Рис. 1. Схема преобразователей переменного напряжения

Первая схема обеспечивает протекание тока в нагрузке в одну сто­рону при отпирании одного тиристора, например VD 1, а в другую - при отпирании VD 2. Во второй схеме роль двух тиристоров играет один симистор, способный проводить ток в обе стороны, но имеющий не­сколько более сложную схему управления, в третьей схеме могут ис­пользоваться тиристоры, не рассчитанные на работу под обратным напряжением, а в четвертой предусмотрен только один тиристор, но включаемый всегда последовательно с двумя диодами. Эта схема мо­жет работать только на активную нагрузку.

В зависимости от способа управления таким преобразователем и от способа формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров возможны различные способы регулирования: фазовый, ступенчатый, комбинированный фазо-ступенчатый, широтно-импульсный и некоторые другие.

Самым простым и создающим минимум помех является такой метод регулирования, когда тиристоры пропускают ток в течение не­скольких периодов питающего напряжения, затем несколько периодов заперты и т. д. (рис. 2). При этом средние значения тока и мощности в нагрузке определяются относительной длительностью работы ти­ристоров за некоторый промежуток времени, который может быть установлен постоянным и равным нескольким (2 ... 10) периодам питающей сети. Тогда

, где

(

- период).

Рис. 2. Диаграммы работы простей­шего преобразователя переменного напряжения - НПЧ

Такая схема может играть роль простейшего преобразователя частоты, но в этом случае необходимо сначала пропускать в нагрузку несколько полуволн положительного напряжения, затем несколько полуволн отрицательного. Если не регулировать работу тиристоров в интервале проводимости (

), то в нагрузке будут формироваться прямоугольные импульсы напряжения (по среднему значению). Если изменять угол, то можно менять или среднее значение напряжения или даже его форму. На рис. 3 показаны три варианта работы схемы:

без регулирования (

); по­лучается просто преобразователь частоты

,зависит от числа полупериодов, в течение которых работают по очереди тиристоры (рис. 3, а);

Рис. 3. Варианты работы схемы простейшего преобразователя частоты

с регулируемым

, но с постоянным его значением в течение ряда периодов (амплитуда меняется) (рис. 3, б);

угол

меняется в течение периода формируемой частоты; если закон изменения, то на нагрузке формируется квазисинусоидальное напряжение с частотой (рис. 3, в).

В преобразователях переменного напряжения при использовании фазового регулирования (при этом меняется длительность открытого состояния каждого тиристора в течение соответствующего полупе­риода питающего напряжения) можно получить процессы с отстающим (рис. 4, а), опережающим (рис. 4, б) и двухсторонним (рис. 4, в) углами регулирования.

Рис. 4. Диаграммы работы простейшего ППН с различ­ными методами регулирования

Как видно из диаграмм, работа схемы напоминает работу управ­ляемого выпрямителя, только здесь токи в нагрузке протекают в обе стороны.

При регулировании преобразователя с отстающим углом

за­пирание работающего тиристора происходит естественным путем после перехода кривой напряжения через нуль, а при опережающем или двухстороннем регулировании угла

работающий тиристор необхо­димо выключать принудительно, что требует использования или коммутирующих устройств, или двухоперационных тиристоров.

Регулировочная характеристика преобразователя

при активной нагрузке для фазового регулирования с отстающим илиопережающим углами

может быть получена из соотношений

;

,

или в относительных единицах

,

где U - действующее значение переменного напряжения на входе схемы, при



.

Для двухстороннего фазового регулирования

Регулировочные характеристики для этих случаев приведены на рис. 5: 1 - для первых двух случаев, 2 - для последнего.

Рис. 5. Регулировочные характеристи­ки ППН для разной нагрузки и разных ме­тодов регулирования

Если нагрузка преобразователя активно-индуктивная, то форма тока не повторяет форму напряжения, индуктивность нагрузки пре­пятствует резким изменениям тока и затягивает длительность проте­кания тока через тиристор. Временная диаграмма напряжений и токов в преобразователе для случая

(

) показана на рис. 6, а, для

- на рис. 6,б.

Рис. 6. Диаграммы работы ППН при активно-индуктивной нагрузке

Как видно из диаграммы, в момент

управляющий импульс подается на тиристор VD 1, он открывается, к нагрузке подается на­пряжение, соответствующее этому моменту (уже не равное нулю, если только

), и начинает нарастать ток нагрузки. На интервале до момента

мощность из сети поступает в нагрузку, энергия частич­но запасается в индуктивности. В момент

напряжение меняет знак, но ток продолжает протекать в прежнем направлении,VD 1 остается открытым, следовательно, идет отдача запасенной индуктив­ностью энергии в сеть (угол ). В момент

этот процесс закан­чивается и ток становится рав­ным нулю,VD 1 запирается. До момента отпирания VD 2 имеет место бестоковая пауза, т. е. режим прерывистого тока. В момент

отпираетсяVD 2 и процесс повторяется, только ток через нагрузку протекает в обратном направлении. При увеличении угла регулирования

интервал, в те­чение которого энергия по­дается к нагрузке, будет уменьшаться, и напряжение на ней уменьшается.

Так как бестоковый ин­тервал в кривой выходного напряжения сокращается до значения

, то

.

Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора определяется из следующей формулы:

,

где - угол сдвига тока по отношению к напряжению,

.

При чисто активной нагрузке (L н = 0,

,

это соотношение приобретает вид

.

т. е. кривая тока определяется синусоидой напряжения питания.

Если в формулу для i н при RL -нагрузке подставить

, соответствующееi н = 0, получается уравнение

из которого можно найти значение угла .

При уменьшении угла регулирования

интервал проводимости тиристоров возрастает, и при его критическом значении

исче­зает бестоковая пауза, т. е. токi н спадает до нуля к моменту

. Иначе говоря, момент запирания одного тиристора совпадает с момен­том отпирания второго, длительность проводящего состояния каждого из них становится равной 180°. Ток нагрузки становится непрерывным и синусоидальным, сдвинутым по отношению к напряжению на угол

. При этом

а ток можно определить из выражения

Для обеспечения указанного режима длительность сигнала управ­ления на каждый тиристор должна быть достаточно большой (см. рис. 6), но не меньше , чтобы при малых

сохранить сигнал управления на открывающемся тиристоре до момента перехода тока через нуль. При дальнейшем изменении угла

от

до нуля характер работы преобразователя не изменяется, т. е. он становится неуправляе­мым, нагрузка постоянно связана с сетью.

Регулировочные характеристики преобразователя при различных вариантах его нагрузки приведены на рис. 5: кривая 3 - для RL - нагрузки, кривая 4 - для чисто индуктивной нагрузки.

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку кривые тока, потребляемого от сети, и тока нагрузки i н совпадают по форме с кривой напряжения U н и при

отличаются по форме от сину­соиды. Поэтому для этих преобразователей, как и для выпрямителей, важное значение имеет коэффициент мощности

, гдеk - коэффициент искажения формы кривой тока. При использовании спо­соба регулирования, указанного на рис. 4, а, первая гармоника тока отстает от напряжения питания, при регулировании по схеме 4, б - опережает.

Не вдаваясь в подробности определения

иk , следует отме­тить, что окончательный результат приводит к выводу:

, т. е. в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент ли­нейно зависит от относительного напряжения на нагрузке (кривая1, рис. 7). Если же нагрузку питать от двух параллельно работающих преобразователей, выполненных по схемам 4, а, б, тогда коэффи­циент может быть существенно выше (кривая2, рис. 7).

Рис. 7. График коэффициента мощности ППН

Схемы трехфазных преобразователей переменного напряжения с фазовым регулированием выполняют по аналогии с однофазными. Наиболее распространенные схемы таких преобразователей приведены на рис. 8, а их работу студенты могут проанализировать самостоятельно. Отметим только, что к схеме 8, а вывод нулевого про­вода может отсутствовать и один из тиристоров в каждой паре может быть заменен диодом, что недопустимо в однофазной схеме. Вместо пары тиристоров, включенных встречно-параллельно, с успехом мо­гут использоваться симисторы. На рис. 8, г приведена реверсивная схема регулирования асинхронного электродвигателя АД.

Рис. 8. Трехфазные ППН

В современной технике иногда возникает необходимость получать регулируемый переменный ток относительно высокого напряжения. Применение высоковольтных тиристоров с гальванически связанным с ними схемами управления (даже с импульсными трансформаторами) не всегда целесообразно. В этих случаях выгоднее использовать схему, приведенную на рис. 9: пре­образователь переменного напряжения включен в цепь первичной обмотки повышающего трансформатора, т. е. в сеть с относительно невысоким на­пряжением, а нагрузка - во вторичную обмотку этого же трансформатора. При этом может быть снижена стоимость силовых элементов и упрощены требо­вания к схеме управления. Иногда эта же схема применяется и при обратной ситуации - когда во вторич­ную цепь приходится включать параллельно большое количество вентилей на большой ток при низком напряжении.

Рис. 9. ППН для высоко­вольтной нагрузки

Еще один вариант применения преобразователей переменного напряжения показан на рис. 10. Как видно из схемы, вторичная обмот­ка трансформатора имеет дополнительный отвод (их может быть не­сколько), а нагрузка питается от двух групп преобразователей VD 1- VD 2, VD 3- VD 4, подключенных к выводам трансформатора. При так называемом ступенчатом регулировании работает либо одна (VD 1- VD 2), либо обе группы преобразователей, причем угол регулирования

. Если работаетVD 1- VD 2, то к нагрузке подводится переменное напряжение

. Если сигналы управления подаются и наVD 3- VD 4, то на нагрузке напряжение увеличивается до

, а тиристорыVD 1 и VD 2 не работают, так как находятся под обратным напряжением (

).

Рис. 10. Схема ступенчатого регу­лирования в ППН

Недостаток схемы - ступенчатый характер регулирования, до­стоинство - отсутствие искажений в кривой потребляемого тока и его фазового сдвига при чисто активной нагрузке.

Недостаток дискретного характера регулирования можно устра­нить (ценой ухудшения указанных выше качеств) фазовым регулиро­ванием сначала низшей, а затем и высшей групп тиристоров. Если, на­пример, не подавать управляющих сигналов на VD 3 и VD 4, а регули­ровать

дляVD 1 и VD 2, то напряжение на нагрузке можно плавно изменять от нуля до

. Затем, сохраняя

для этих тиристоров, изменять

дляVD 3 и VD 4, которые будут, открываясь в нужные моменты, шунтировать тиристор нижней группы и подавать к нагрузке регулируемое от

до

напряже­ние в функции своего угла регулирования. Нали­чиеVD 1 и VD 2 позволяет более плавно осущест­влять регулирование в первом диапазоне, чем при использовании только VD 3 и VD 4. Схемы с боль­шим количеством ступеней применения не нашли ввиду их сложности.

Регулировать значение подводимого к двигателю напряжения можно за счет включения в цепь статора дополнительных элементов (резисторов, дросселей насыщения) или с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Использование ТРН по сравнению с другими способами регулирования напряжения дает ряд преимуществ: электроприводам:

· повышает коэффициент полезного действия (КПД);

· осуществляет бесступенчатое регулирование;

· понижает инерционность;

· уменьшает массо-габаритные показатели.

Существует большое разнообразие схем (рис. 1.1) включения силовых вентилей (тиристоров, диодов), позволяющих осуществить бесконтактную коммутацию статорных цепей, асинхронных двигателей и регулировать уровень подводимого напряжения . В приведенных схемах статорные обмотки соединены как в звезду, так и треугольник.

Тиристорные регуляторы напряжения выполняют по симметричным и несимметричным схемам. В симметричных схемах (рис. 1.1 а, б, г, д) коммутирующий элемент состоит из двух встречно-параллельных тиристоров в каждой фазе, при этом управляющие импульсы подаются на тот тиристор, к аноду которого в данный момент времени приложен положительный потенциал сетевого напряжения. В несимметричных схемах (см. рис. 1.1, в) в каждой фазе коммутирующий элемент представлен встречно-

параллельно включенными тиристором и диодом. Наличие диода в коммутирующем элементе упрощает схему управления ТРН, повышает надежность, но несколько снижает диапазон регулирования выходного напряжения.

Во всех приведенных схемах регулирование выходного напряжения достигается за счёт изменения угла сдвига отпирающих импульсов тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Задача точного определения напряжения, подводимого к статору двигателя при фазовом управлении, достаточно сложна, так как её решение связано с учётом взаимосвязанных электромагнитных процессов, происходящих в цепях ротора и статора. Поэтому точное математическое описание электромагнитных процессов используется при углубленных исследованиях электропривода с ТРН. Для приближенных инженерных расчетов асинхронный двигатель может быть представлен в виде трехфазной активно-индуктивной нагрузки, параметры которой определяются из схемы замещения двигателя, Т-образной (рис.1.2, а) и Г-образной (рис. 1.2, б).

Работу ТРН на активно-индуктивную нагрузку удобно рассмотреть для случая симметричной схемы. Если симметричная активно-индуктивная нагрузка включена в звезду по нулевой схеме, то ток в каждой фазе не зависит от тока других фаз.

В схеме включения одной фазы (рис.1.3, а) в каждый момент времени значение действующего напряжения сети уравновешивается падением напряжения на вентилях и на элементах RL-цепи:

, (1.1)

где – падение напряжения на вентиле; i – ток нагрузки; – соответственно, активное сопротивление и индуктивность двигателя; – амплитуда фазного напряжения.

При закрытых тиристорах падение напряжения на вентиле равно:

. (1.2)

При открытом тиристоре, например, VS1 в предположении, что вентили идеальные (прямое сопротивление равно 0), в положительный полупериод напряжение сети можно записать:

. (1.3)

Решение уравнения (1.3) относительно тока нагрузки (i) имеет две составляющие: принужденную (i пр) и свободную (i c в):

i = i пр + i c в. (1.4)

Принужденная составляющая определяется фазным напряжением и сопротивле-нием нагрузки:

Src=http://electrono.ru/wp-content/image_post/sistupravlelpriv/pic3_9.gif> , (1.5)

где – полное сопротивление цепи нагрузки (двигателя); – угол сдвига между током и напряжением.

Свободная составляющая тока определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки ():

, (1.6)

где t вкл – момент включения тиристора.

Показатель функции в выражении (1.6) можно представить в виде:

, (1.7)

где α = ω t вкл – угол открывания тиристора.

Подставляя в выражение (1.4) значение свободной составляющей тока из выражения (1.6) и принужденной из выражения (1.5) получим:

. (1.8)

Значение коэффициента A можно найти из условия, что в момент срабатывания тиристора (w t = a) ток в нагрузке скачком измениться не может (i = 0):

(1.9)

Окончательно уравнение для тока и напряжения нагрузки будет иметь вид:

U = U m ×sin(w×t) при a £ w×t £ a + l;

I = 0 или U = 0 при a + l – p < w×t < a.

Угол проводимости (l) зависит от a и j и может быть определён из уравнения, которое получается подстановкой в выражение тока (i) значения угла w t = a + j:

sin(a+l-j) – sin(a -j)× e - l / tg = 0. (1.11)

Зависимость l от a и j может быть найдена с помощью ЭВМ.

Аналогичные выражения можно получить при анализе процессов в нагрузке при открывании тиристора VS2 (a vs2 = p + a vs1).

Графики изменения токов и напряжений при коммутации RL-нагрузки показаны на рис.1.3, б. Графики построены для случая, когда угол отпирания тиристора VS1 превышает угол сдвига (j) между током и напряжением. Угол a = j является минимальным углом открывания тиристоров. Действительно, если a < j, то угол проводимости каждого тиристора должен превышать половину периода l > p. При этом на некоторых отрезках времени оба тиристора должны проводить ток одновременно, что невозможно, так как падение напряжения на проводящем вентиле создает обратную полярность напряжения на закрытом вентиле.

Максимальный угол отпирания тиристоров для рассматриваемой схемы (см. рис.1.1, а) a = p. При изменении угла регулирования в пределах j £ a £ p к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение, и протекает прерывистый ток. Гармонический состав токов и напряжений на нагрузке зависит от схемы включения ТРН.

Характеристики ТРН рассматриваются, в виде семейства характеристик U трн =f(a,j) . Обычно выходное напряжение ТРН представляют только его первой

гармоникой, так как другие гармоники (высшие нечётные) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Для управляемого электропривода целесообразно построить семейство характеристик управления:

U 1 * = U 1 /U ном = f(a)

при фиксированных значениях угла нагрузки j = const . На рис.1.4. приведены регулировочные характеристики ТРН для двух вариантов схем построения преобразователя: симметричной (см. рис.1.1, б) и несимметричной (см. рис.1.1, в).

Система импульсно-фазового управления принципиально не отличается от СИФУ тиристорного преобразователя постоянного тока. Обычно она строится по вертикальному принципу, при этом на неё накладываются требования по ширине отпирающих импульсов. С учетом того, что значения угла нагрузки для асинхронных двигателей

находятся в пределах от j min ~20° до j max ~ 90°, ширина отпирающих импульсов должна быть больше:

j max – (a min = j min) &s
up3; 70°.

Одноканальная асинхронная СИФУ, используемая в промышленных тиристорных регуляторах напряжения типа тиристорные станции управления (ТСУ) СИФУ – аналогово-цифровые с вертикальным принципом управления (рис. 1.5), состоит из пяти основных узлов: аналогово-цифрового преобразователя, генератора, счетчика, дешифратора и шести схем «ИЛИ». По каждому синхроимпульсу «Синх.» в соответствии с сигналом управления аналогово-цифровой преобразователь вырабатывает импульс, который устанавливает счётчик в нулевое состояние, при этом запускается генератор, и счётчик начинает подсчитывать импульсы, вырабатываемые генератором. В соответствии с содержанием счётчика выдаётся сигнал с соответствующего выхода дешифратора (длительность 60º).

При равенстве пяти содержимого счетчика на шестом выходе дешифратора появляется сигнал, блокирующий работу генератора. Генератор будет находиться в заторможенном состоянии до появления следующего импульса с аналогово-цифрового преобразователя.

Схемы «ИЛИ» производят попарно логическое суммирование выходных импульсов дешифратора, обеспечивая расширение выходных отпирающих импульсов (+А, -А, +В, -В, +С, -С) до 120º.

Аналогово-импульсный преобразователь выполнен на элементах А1, А2, D1, интегрирующей цепи С1R13 и дифференцирующей цепи C2R15. Преобразователь за период напряжения сети вырабатывает один кратковременный импульс, сдвинутый от синхроимпульса на время (угол), соответствующее значениям сигнала управления и сигнала обратной связи. Усилитель А2 выполняет функцию компаратора. Генератор выполнен на элементе D6 (микросхема К155АГ3), счётчик D5 (микросхема К155ИЕ5) своим входом соединён с выходом генератора, а выходом – с дешифратором D7 (микросхемой К155ИД4).

В зависимости от входной информации с соответствующего выхода дешифратора выдается сигнал нулевого уровня.

По переднему фронту каждого синхроимпульса «Синх.» дифференцирующей цепочкой С7R5 вырабатывается импульс, по которому элементы D1.3, D1.4 кратковременно открываются, и происходит разряд конденсатора интегрирующей цепи C1R13. По окончании этого импульса через R13 начинается заряд конденсатора С1.

Потенциал на инверсном входе усилителя А2 является опорным сигналом и соответствует значению напряжения сигнала управления, поступающего на вход СИФУ (U’ упр = U упр – U ос). Когда потенциал пилообразного напряжения на конденсаторе С1 (на прямом входе усилителя А2) начнёт превышать потенциал входа 4 этого усилителя, на выходе компаратора появляется сигнал положительной полярности, а с выхода дифференцирующей цепи C2R15 выдаётся кратковременный импульс единичного уровня, по которому счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние (конденсатор С1 продолжает заряжаться до прихода следующего синхроимпульса).

При сбросе счётчика D5 в нулевое состояние на шестом выходе дешифратора D7 устанавливается единичный уровень. Этот сигнал подаётся на вход заторможенного генератора D6 через элементы D2.1, D2.2. При этом обеспечиваются условия для самозапуска генератора, и он начинает генерировать кратковременные импульсы нулевого уровня.

Эти импульсы подсчитываются счётчиком D5, по выходной информации которого на соответствующем выходе дешифратора D7 появляется сигнал нулевого уровня. Для большей надёжности запуска генератора через элемент D2.3 подаётся импульс с дифференцирующей цепочки C2R15. Когда генератор выработает пять импульсов, сигналом с шестого выхода дешифратора, он затормаживается. По переднему фронту очередного синхроимпульса счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние, на выходе 6 элемента D7 устанавливается сигнал единичного уровня, и генератор начинает выработку очередной серии импульсов. Длительность импульсов определяется цепочкой C3R16, а период – цепочкой С6R19.

Каждому уровню сигнала управления соответствует определённое значение напряжения на выходе усилителя А1, а следовательно, и фаза выходного сигнала компаратора А2. Таким образом, с изменением уровня сигнала управления изменяется фаза выходных импульсов. Диапазон регулирования угла открытия тиристоров от 0º до 240º. Ключи «Работа» и «Торможение» обеспечивают подключение входа усилителя А1 к источнику управляющего сигнала или к источнику, определяющему интенсивность торможения.

Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Однофазный однополупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б

В этой схеме входное напряжение и вх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц . Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а , к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b , к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и вх оказывается приложенным к нагрузке R нагр , в которой начинает протекать ток нагрузки i нагр . При активной нагрузке (как это показано на рис. 1.21, б ) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение и вх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение и вх , которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки R нагр будет однополярное пульсирующее напряжение и d , среднее значение которого составит

, (1.52)

где , – амплитуда напряжения сети и его действующее значение.

Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

. (1.53)

Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 1.22 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т , вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а , b , с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R нагр . Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.

Рис. 1.22. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 1.22, б . Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а , б , в , г , д на рис. 1.22, б ). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку R нагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет

а коэффициент пульсаций

, (1.55)

где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.

Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 1.23), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.

Рис. 1.23. Трехфазный мостовой выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а , б , в , г , д на рис. 1.23, б ), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к , л , м , н на рис. 1.23, б ).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени - ток проводят диоды и , в интервале времени - – диоды и , в интервале - – диоды и , и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.

Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет

а коэффициент пульсаций

. (1.57)

Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 1.24).

При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а , б , в , г , д на рис. 1.24, б ), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол ). В этом случае (см. рис. 1.24, в ) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.

Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 1.24, б ) или увеличение (рис. 1.24, г ) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 1.22, б ).

Рис. 1.24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б , в , г – диаграммы напряжений

при различных углах управления

На рис. 1.25 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1 ) и трехфазной мостовой (кривая 2 ) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .

Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.

Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р , потребляемой преобразователем, к полной мощности S

. (1.58)

Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при до 0,3…0,45 при .

В. Д. Панченко, г.Киев

Отключение электроэнергии в наших домах, увы, становится традицией. Неужели ребенку придется делать уроки при свече? Или как раз интересный фильм по телевизору, вот бы досмотреть. Все это поправимо, если у вас есть автомобильный аккумулятор. К нему можно собрать устройство, называемое преобразователем постоянного напряжения в переменное (ипи по западной терминологии DC-AC преобразователь).

На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей. В схеме на рис.1 используются четыре мощных транзистора VT1…VT4, работающих в ключевом режиме. В одном полупериоде напряжения 50 Гц открыты транзисторы VT1 и VT4. Ток от аккумулятора GB1 протекает через транзистор VT1, первичную обмотку трансформатора T1 (слева направо по схеме) и транзистор VT4. Во втором полупериоде открыты транзисторы VT2 и VT3, ток от аккумулятора GB1 идет через транзистор VT3, первичную обмотку трансформатора TV1 (справа налево по схеме) и транзистор VT2. В результате ток в обмотке трансформатора TV1 получается переменным, и во вторичной обмотке напряжение повышается до 220 6. При использовании 12-вопьтового аккумулятора коэффициент К= 220/12=18,3.

Генератор импульсов с частотой 50 Гц можно построить на транзисторах, логических микросхемах и любой другой элементной базе На рис.1 показан генератор импульсов на интегральном таймере КР1006ВИ1 (микросхема DA1). С выхода DA1 импульсы частотой 50 Гц проходят через два инвертора на транзисторах VT7, VT8. От первого из них импульсы поступают через усилитель тока VT5 на пару VT2, VT3, со второго – через усилитель тока VT6 на пару VT1, VT4. Если в качестве VT1…VT4 использовать транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока (“супербета”), например, типа КТ827Б или мощные полевые транзисторы, например, КП912А, то усилители тока VT5, VT6 можно не ставить.

В схеме на рис.2 используются только два мощных транзистора VT1 и VT2, но зато первичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков и среднюю точку. Генератор импульсов в этой схеме тот же самый, базы транзисторов VT1 и VT2 подключаются к точкам А и Б схемы генератора импульсов на рис.1.

Время работы преобразователя определяется емкостью аккумулятора и мощностью нагрузки. Если допустить разряд аккумулятора на 80 % (такой разряд допускают свинцовые аккумуляторы), то выражение для времени работы преобразователя имеет вид:

Т(ч) = (0,7WU)/P, где W – емкость аккумулятора, Ач; U – номинальное напряжение аккумулятора, В; Р – мощность нагрузки, Вт. В этом выражении учтен также КПД преобразователя, составляющий 0,85…0,9. Тогда, например, при использовании автомобильного аккумулятора емкостью 55 Ач с номинальным напряжением 12 В при нагрузке на лампочку накаливания мощностью 40 Вт время работы

составит 10…12 ч, а при нагрузке на телевизионный приемник мощностью 150 Вт 2,5—3ч.

Приведем данные трансформатора Т1 для двух случаев: для максимальной нагрузки 40 Вт и для максимальной нагрузки 150 Вт.

В таблице: S – площадь сечения магнитопровода; W1, W2 – количество витков первичной и вторичной обмоток; D1, D2 – диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.

Можно использовать готовый силовой трансформатор, сетевую обмотку его не трогать, а домотать первичную обмотку. В этом случае после намотки нужно включить в сеть сетевую обмотку и убедиться, что напряжение на первичной обмотке равно 12 В.

Если использовать в качестве мощных транзисторов VT1…VT4 в схеме на рис.1 или VT1, VT2 в схеме на рис.2 КТ819А, то следует помнить следующее. Максимальный рабочий ток этих транзисторов 15 А, поэтому если рассчитывать на мощность преобразователя свыше 150 Вт, то необходимо ставить либо транзисторы с максимальным током свыше 15 А (например, КТ879А), либо включать параллельно по два транзистора. При максимальном рабочем токе 15 А мощность рассеяния на каждом транзисторе составит примерно 5 Вт, тогда как без радиатора максимальная рассеиваемая мощность – 3 Вт. Поэтому на этих транзисторах необходимо ставить небольшие радиаторы в виде металлической пластины площадью 15-20 см.

Выходное напряжение преобразователя имеет форму разнополярных импульсов амплитудой 220 В. Такое напряжение вполне подходит для питания различной радиоаппаратуры, не говоря уже об электрических лампочках. Однако однофазные электромоторы с напряжением такой формы работают плохо. Поэтому включать в такой преобразователь пылесос или магнитофон не стоит. Выход из положения можно найти, намотав на трансформаторе Т1 дополнительную обмотку и нагрузив ее на конденсатор Ср (на рис.2 показан пунктиром). Этот

конденсатор выбран такой величины, чтобы образовался контур, настроенный на частоту 50 Гц. При мощности преобразователя 150 Вт емкость такого конденсатора можно вычислить по формуле С = 0,25 / U2, где U -напряжение, образующееся на дополнительной обмотке, например, при U = 100 В, С = 25 мкФ. При этом конденсатор должен работать на переменном напряжении (можно использовать металлобумажные конденсаторы К42У или подобные) и иметь рабочее напряжение не меньше 2U. Такой контур забирает на себя часть мощности преобразователя. Эта часть мощности зависит от добротности конденсатора. Так, для металлобумажных конденсаторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,02…0,05, поэтому КПД преобразователя снижается примерно на 2…5%.

Во избежание выхода из строя аккумуляторной батареи преобразователь не мешает оборудовать сигнализатором разряда. Простая схема такого сигнализатора показана на рис.3. Транзистор VT1 является пороговым элементом. Пока напряжение аккумуляторной батареи в норме транзистор VT1 открыт и напряжение на его коллекторе ниже порогового напряжения микросхемы DD1.1, поэтому генератор сигнала звуковой частоты на этой микросхеме не работает. Когда напряжение батареи опускается до критического значения, транзистор VT1 запирается (точка запирания устанавливается переменным резистором R2), начинает работать генератор на микросхеме DD1 и акустический элемент НА1 начинает “пищать”. Вместо пьезоэлемента можно применить динамический громкоговоритель малой мощности.

После использования преобразователя аккумулятор необходимо зарядить. Для зарядного устройства можно использовать тот же трансформатор Т1, но количества витков в первичной обмотке недостаточно, так как она рассчитана на 12 В, а нужно, по крайней мере, 17 В. Поэтому при изготовлении трансформатора следует предусмотреть дополнительную обмотку для зарядного устройства. Естественно, при зарядке аккумулятора схему преобразователя необходимо отключить.