Параметрические стабилизаторы напряжения являются наиболее простыми стабилизирующими устройствами, широко применяемыми в схемах малой мощности. в основе принципа действия параметрических стабилизаторов напряжения лежит использование свойств нелинейности полупроводниковых стабилитронов, вольтамперная характеристика которыхобладает большой крутизной.
На рис. 7.41,а представлена простейшая схема параметрического стабилизатора, выполненная на стабилитроне Ст. Резистор Rб выполняет роль балластного сопротивления, ограничивающего ток в стабилитроне и воспринимающего избыток напряжения источника питания.
Входное напряжение
Uвх = Uб +Ucт = Iвx Rб+Uст = (Iн + Iст) Rб+Uст,
где Uб - падение напряжения на резисторе Rб; Uст - напряжение стабилизации; Iвx - входной ток; Iн - ток нагрузки; Iст - ток, проходящий через стабилитрон.
При изменениях входного напряжения меняется входной токи падение напряжения на Rб, а напряжение стабилизации остается практически неизменным. качество стабилизации напряжения оценивается с помощью коэффициента стабилизации, который показывает, во сколько раз относительное изменение входного напряжения больше относительного изменения стабилизированного выходного напряжения.
Для обеспечения нормального режима стабилизации необходимо, чтобы токв стабилитроне находился в диапазоне Iст mln ≤ Iст ≤ Iст тах, где Iст min и Iст тах - допустимые значения токов в стабилитроне, которые указываются для каждого типа стабилитронав справочниках. По мере увеличения тока Iн нагрузки ток через стабилитрон уменьшается, поэтому величина резистора R б выбираетсяпо режиму холостого хода, когда нагрузка не подключена.
Для повышения рабочего напряжения применяют последовательное соединение стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов для уменьшения токов и нагрева не используется, так как ток проходит через тот стабилитрон, который обладает меньшим сопротивлением.
С т а б и л и з а т о р ы н а п р я ж е н и я н е п р е р ы в н о г о д е й с т в и я используют зависимость вольтамперной характеристики транзистора от базового тока. Транзистор можно рассматривать как резистор с регулируемым сопротивлением перехода эмиттер - коллектор, которое определяется током базы. в качестве регулируемого сопротивления переход эмиттер - коллектор транзистора может включаться последовательно или параллельно с нагрузкой и выполнять функции основного исполнительного органа в процессе регулирования (стабилизации) выходного напряжения.
Наиболее широко применяют стабилизаторы напряжения компенсационного типа (рис. 7.41,б), действие которых основано на использовании принципа отрицательной обратной связи. Усиленный сигнал подается с выхода схемы на ее вход таким образом, чтобы компенсировать изменение выходного напряжения.
Рисунок 7.41. Стабилизаторы напряжения:
а) схема параметрического стабилизатора напряжения; б) схема компенсационного типа.
В цепи обратной связи включен усилитель на транзисторе Т2. Последний усиливает разность потенциалов, образованную опорнымнапряжением Uо и падением напряжения на резисторе R2, которыйвходит в состав делителя R1 - R2. Стабилитрон Cт обеспечивает неизменный потенциал эмиттера транзистора VT2.
Допустим, что при увеличении Uвх напряжение Uвых в первый момент начнет возрастать. это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, и потенциал базы транзистора VT2 станет ниже. Увеличатся ток базы и ток. коллектора транзистора VT2, который пройдет через резистор Rн. Потенциал базы транзистора VT1 станет выше. Cопротивление перехода эмиттер - коллектор транзистора Т1 и падение напряжения на нем возрастут. Напряжение Uвых становится приблизительно равным прежнему значению.
Существует много модификаций схем рассмотренного типа, отличающихся в основном системой управления, в частности числом транзисторов усилительного звена и использованием в схеме дополнительных источников питания элементов системы управления.
Рассмотрим схему преобразователя – стабилизатора индивидуального питания усилителя микрофона судового телефона парной связи (рис.7.42)
Рисунок 7.42. Преобразователь – стабилизатор судового телефона
парной связи.
КПД стабилизатора - не менее 70 %. Стабилизация сохраняется при уменьшении напряжения источника питания ниже выходного стабилизированного напряжения преобразователя, чего не может обеспечить традиционный стабилизатор напряжения.
При включении преобразователя ток через резистор R1 открывает транзистор VT1, коллекторный ток которого, протекая через обмотку II трансформатора Тр1, открывает мощный транзистор VT2. Транзистор VT2 входит в режим насыщения, и ток через обмотку I трансформатора линейно увеличивается. В трансформаторе происходит накопление энергии. Через некоторое время транзистор VT2 переходит в активный режим, в обмотках трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна приложенному к ним напряжению (магнитопровод трансформатора не насыщается). Транзистор VT2 лавинообразно закрывается, и ЭДС самоиндукции обмотки I через диод VD2 заряжает конденсатор С3. Конденсатор С2 способствует более четкому закрыванию транзистора. Далее циклы повторяются.
Через некоторое время напряжение на конденсаторе С3 увеличивается настолько, что открывается стабилитрон VD1 и базовый ток транзистора VT1 уменьшается, при этом уменьшается и ток базы, а значит, и ток насыщения транзистора VT2. Поскольку накопленная в трансформаторе энергия определяется током насыщения транзистора VT2, дальнейшее увеличение напряжения на конденсаторе С3 прекращается. Конденсатор разряжается через нагрузку. Таким образом, обратная связь поддерживает на выходе преобразователя постоянное напряжение. Выходное напряжение задает стабилитрон VD1. Изменение частоты преобразования лежит в пределах 20...140 кГц.
И м п у л ь с н ы е с т а б и л и з а т о р ы построены на использовании транзисторных или тиристорных ключей, которые, работая в импульсном режиме, прикладывают к нагрузке импульсное напряжение. Среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени закрытого и открытого состояний ключа.
В силовой технике используются широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения, предназначенные для регулирования среднего значения напряжения. Такие преобразователи применяют для мощностей от единиц Ватт до сотен киловатт. С помощью ШИП можно реализовать регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока изменением напряжения. Их используют на электрифицированном транспорте (трамваи, метро, электропоезда, троллейбусы), в электрокарах и катерах с питанием от аккумуляторов.
В последнем случае исключаются контактные коммутаторы для переключения элементов аккумуляторной батареи или для регулирования сопротивления резисторов в цепи якоря электродвигателя. Принцип действия ШИП основан на импульсном питании якоря двигателя с частотой переключения порядка 1 кГц.
|
На рис. 7.43, а представлена схема трехфазного ШИП. На схему подается постоянное напряжение, катушка индуктивности Lbx и емкость Свх образуют LC- фильтрдля уменьшения искажений напряжения питающей сети. В схему включены тиристоры VT1 - VT3, которые переключаются в соответствии с графиком (рис. 7.43, б). Время открывания тиристоров сдвинуто на одну третью часть периода Т. В цепь каждого тиристора включены сглаживающие фильтры (дроссели) с индуктивностью L1 - L 3. В открытом состоянии тиристора на индуктивности дросселя создается падение напряжения u1 - u3, закрытое состояние ~ tзакр. В открытом состоянии тиристора токи фаз i1 - i3 нарастают постепенно, так как им противодействует ЭДС самоиндукции дросселей. В закрытом состоянии тиристора ток уменьшается постепенно под действием ЭДС самоиндукции, направленной в сторону тока. Цепи токов в фазах замыкаются через диоды VD 1 - VD3. Ток нагрузки iн, протекающий через резистор Rн, равен сумме токов в фазах. Ток нагрузки пульсирует с частотой, в 3 раза большей, чем частота тока в отдельных фазах. Входной ток iвx имеет импульсный характер, причем импульс тока возникает во время открытого состояния двух тиристоров. Входной ток также пульсирует с тройной частотой.
Схемы управления тиристорами должны предусматривать узлы коммутации для принудительного запирания тиристоров. При изменении времени импульса изменяется среднее выходное напряжение, которое может поддерживаться постоянным или изменяться по заданному закону регулирования.
Еще недавно, в конце 90-х годов прошлого столетия, в нашей стране утверждение о том, что обычный общепромышленный асинхронный двигатель может с успехом использоваться в регулируемом по скорости электроприводе, вызывало удивление или недоверие у многих главных и не очень главных конструкторов и инженеров. Сегодня же можно сказать, что страна вполне активно включилась в общемировой бум по использованию регулируемого по скорости асинхронного электропривода во всех областях промышленности и хозяйства.
Развитие асинхронного электропривода и вытеснение им других типов управляемых электроприводов, в первую очередь, связано с непревзойденными эксплуатационными свойствами асинхронного электродвигателя. Эта "рабочая лошадка" мирового прогресса не имеет аналогов по простоте и надежности.
Примерно в одно и то же время в России, Германии и Японии были разработаны принципы векторного регулирования скорости асинхронного двигателя, но реализовали эти принципы впервые на фирме "Сименс" в системе "Трансвектор"
В основу принципа регулирования оборотов заложена широтно-импульсная модуляция (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, т.е. использование широтно-импульсного преобразователя на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) В простейшем случае частотного регулирования управление скоростью вращения вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды трехфазного напряжения, подаваемого на двигатель.
Рисунок 7. 44. Частотный преобразователь асинхронного двигателя.
На рассматриваемом рисунке (см.рис.7.44) изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение. В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения UD в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение UИ изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.
При высокой несущей частоте ШИМ (2…15 кГц) обмотки двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.
В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1) изменение амплитуды напряжения UИ может достигаться регулированием величины постоянного напряжения UD, а изменение частоты – режимом работы инвертора.
При необходимости на выходе автономного инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре практически отсутствует.)
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (Uвых = var, fвых = var).
В ОАО “Электровыпрямитель” в течение уже ряда лет целенаправленно ведутся работы по созданию и освоению производства силовых модулей на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Эти приборы объединили в себе достоинства мощных высоковольтных тиристоров и частотных транзисторов с МОП управлением. Они являются сегодня во всем мире наиболее популярными и используемыми силовыми ключами для преобразователей частоты нового поколения, в том числе и для управляемого асинхронного электропривода.
В ОАО “Электровыпрямитель” разработана и внедрена в производство широкая гамма силовых модулей на основе IGBT и быстрых диодов с мягкими характеристиками обратного восстановления (SFRD) на токи от 25 до 3600 А и напряжение коллектор-эмиттер от 600 до 3500 В. Данная серия, включающая в себя около 200 типов модулей, реализована в десяти конструктивных исполнениях по схемам одиночных ключей,
Такие электроприводы могли бы иметь широкое применение в судовых грузовых и швартовных устройствах и в электроприводах тяжелого пуска.