В отличие от обычных тиристоров, полностью управляемые силовые электронные ключи позволяют обеспечить синусоидальность выходного напряжения регулятора методами импульсной модуляции. При этом обычно используются двунаправленные ключи, способные блокировать прямое и обратное напряжение, примеры схем которых даны на рис. 13.3. Условно регуляторы с учетом выполняемых функций можно разделить на две группы:
• регуляторы с непосредственным регулированием входного напряжения;
• регуляторы с добавлением (вычитанием) определенного значения напряжения к входному напряжению основного источника питания.
Регуляторы первой группы предназначены для регулирования выходного напряжения в диапазоне от нуля до максимального входного. Регуляторы второй группы применяются для стабилизации выходного напряжения при относительно неглубоких отклонениях входного напряжения и других возмущающих факторах.
Пример схемы регулятора первого типа приведен на рис.13.3. Принцип работы схемы аналогичен принципу работы понижающего преобразователя (регулятора) постоянного тока в постоянный. Наличие ключа S2 в данном случае необходимо, если нагрузка не является чисто активной. В большинстве случаев нагрузка носит активно-индуктивный характер, поэтому разрыв цепи нагрузки недопустим, так как необходимо создать условия корректной коммутации, исключающей скачки тока в индуктивности нагрузки. С этой целью параллельно нагрузке подключается ключ S2, шунтирующий ток нагрузки на интервалах выключенного состояния ключа S1. Таким образом ключи S1 и S2 включаются и выключаются в противофазе.
Система управления СУ, управляя ключами S1 и S2, обеспечивает ШИМ входного напряжения. Возможны различные законы модуляции. При значительных отклонениях формы входного напряжения от синусоидальной посредством соответствующего алгоритма ШИМ может быть обеспечена синусоидальность выходного напряжения. Следует отметить, что даже при незначительных расхождениях в интервалах включенного и выключенного состояний ключей S1 и S2 на них возможно возникновение перенапряжений.
б
Рис.13.3. Регулятор с непосредственным регулированием: a -схема; б -диаграммы выходного напряжения и тока
Для устранения перенапряжений необходимо использовать цепи формирования траектории переключения ключей (снабберы) S 1 и S2. Перенапряжения могут возникать из-за индуктивностей источника входного напряжения. Для устранения перенапряжений следует ставить входные LС -фильтры.
Варианты схем регуляторов второй группы представлены на рис. 13.4. В схеме на рис. 13.4, а выходное напряжение может изменяться в диапазоне напряжений входного автотрансформатора АТ от U 1 до U 2. Величина добавляемого напряжения определяется скважностью работы ключей S 1, S2, переключающихся в противофазе (рис.13.4, б). Пример схемы с последовательным включением источника напряжения приведен на рис. 13.4, в.
В качестве источника напряжения используется преобразователь напряжения с синусоидальной модуляцией, способный работать в общем случае в четырех квадрантах. На вход инвертора подается напряжение от выпрямителя В. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения инвертора, создаваемых импульсной модуляцией, на выходе необходимо включать LС -фильтр.
Рис. 13.4. Регулятор с добавлением напряжения к входному напряжению основного источника питания: а — схема регулятора; б — диаграмма выходного напряжения регулятора; в — структурная схема регулятора с п оследовательным включением источника напряжения; г — векторная диаграмма
Из векторной диаграммы (рис. 13.4, г) видно, что выходное напряжение может изменяться не только по величине, но и по фазе.
Такая структура регулятора используется в электроэнергетике. При этом выпрямитель является управляемым также в четырех квадрантах и может одновременно выполнять функции компенсатора реактивной мощности. Очевидно, что в соответствии со структурой регулятора, представленного на рис. 13.4, в, могут создаваться сложные устройства с различными техническими характеристиками и функциональными возможностями. Наиболее простая схема представлена на рис. 13.5, a. Напряжение вторичной обмотки трансформатора Тр может формироваться в противофазе к основному напряжению посредством ключей S 1—S4.
Повышение или понижение выходного напряжения регулятора относительно входного реализуется не только введением последовательно включенного источника напряжения, но также и посредством сдвига фаз входного и
выходного напряжения, создаваемого включенным между ними реактивным элементом, например реактором индуктивностью L (рис.13.5, б).
В зависимости от значения и характера тока, потребляемого из сети, равного сумме токов нагрузки I н и компенсатора I к, изменяется входное напряжение. Таким образом можно обеспечить стабильность напряжения на нагрузке при изменениях входного напряжения или нагрузки Z n.
a б
Рис. 13.5. Регуляторы переменного напряжения: а — схема с последовательным включением источника напряжения; б— схема регулятора с реактором