Источники вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1 Общая характеристика и классификация источников вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) преобразуют переменное или постоянное напряжение, получаемое от первичных источников питания, в переменные или постоянные напряжения, требуемые для нагрузок [6, 9, 11, 47, 62].

Первичные источники питания - это сеть переменного тока, аккумулятор или генератор в подвижных объектах.

ИВЭП выполняются на мощности от нескольких Вт до десятков кВт.

Требования, предъявляемые к ИВЭП:

высокий КПД;

высокое качество выходного напряжения;

высокие динамические параметры;

хорошие массогабаритные показатели и минимальная стоимость;

надёжность (наличие защит);

совместимость с сетью и допустимый уровень радиопомех.

Источники вторичного электропитания классифицируются по следующим основным признакам:

по виду входного напряжения - на ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения и ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения;

по виду выходного напряжения - на ИВЭП с выходом на переменном токе (однофазные и многофазные), ИВЭП с выходом на постоянном токе и комбинированные ИВЭП - с выходом на переменном и постоянном токе;

по выходной мощности - микромощные источники питания с выходной мощностью до 1 Вт, малой мощности (от 1 до 10 Вт); средней мощности (от 10 до 100 Вт), повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт);

по номинальному значению выходного напряжения - низкое (до 100 В), среднее (от 100 до 1000 В), высокое (свыше 1000 В);

по степени постоянства выходного напряжения - нестабилизирующие и стабилизирующие ИВЭП;

по числу выходов питающих напряжений - одноканальные ИВЭП, имеющие один выход, и многоканальные, имеющие два и более выхода питающих напряжений.

В данной главе внимание будет уделено только наиболее широко применяемым ИВЭП с выходами на постоянном токе.

ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения, делятся на: 1) трансформаторные источники питания, в которых на вход подается переменное напряжение, которое с помощью низкочастотного трансформатора (50 - 60 Гц) преобразуется в одно или несколько переменных напряжений, а на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений;

2) бестрансформаторные источники питания, в которых на вход подается переменное напряжение, низкочастотный трансформатор на входе отсутствует, но применено промежуточное преобразование частоты, и на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений.

ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения, делятся на:

ИВЭП с гальванической связью входа и выхода;

ИВЭП без гальванической связи входа и выхода, в которых на вход подается постоянное напряжение, применено промежуточное преобразование частоты, а на выходе выдается одно или несколько постоянных напряжений.

1.2 Принципы построения ИВЭП

На рис. 17.1 приведена функциональная схема трансформаторного ИВЭП. Он построен по классической схеме выпрямления. Многообмоточный трансформатор подключен к сети, а на вторичной стороне несколько обмоток позволяют получить несколько напряжений. Приведен пример с тремя каналами на выходе. При этом третий канал наиболее мощный, первый канал наиболее точный, а второй канал без особых требований к стабильности. Напряжение на выходе наиболее точного первого канала стабилизируется с помощью непрерывного стабилизатора напряжения НСН. Напряжение на выходе наиболее мощного третьего канала стабилизируется с помощью импульсного стабилизатора напряжения ИСН.

Рис. 17.1. Функциональная схема трансформаторного ИВЭП (Тр - трансформатор, В - выпрямитель, Ф - фильтр, НСН - непрерывный стабилизатор напряжения, ИСН - импульсный стабилизатор напряжения, Н - нагрузка)

ИВЭП по приведенной функциональной схеме применяются все реже. Низкочастотный трансформатор, стоящий на входе ИВЭП имеет большую массу и габариты, а, следовательно, достаточно велики потери в нем. Поэтому в большинстве случаев применяют так называемые бестрансформаторные ИВЭП.

На рис. 17.2 приведены функциональные схемы бестрансформаторных ИВЭП. Приведены примеры с тремя каналами на выходе. При этом третий канал наиболее мощный, первый канал наиболее точный, а второй канал без особых требований к стабильности.

в)

Рис. 17.2. Бестрансформаторные ИВЭП: с РИН на входе (а); с ИСН на входе (б); с ИН на входе и ИСН и НСН на выходе (в) (Вх.Ф - входной фильтр, НВ - неуправляемый выпрямитель, Ф - фильтр, РИН - регулируемый инвертор напряжения, ИСН - импульсный стабилизатор напряжения, ИН - инвертор напряжения, Тр - трансформатор, НСН - непрерывный стабилизатор напряжения, В - выпрямитель, Н - нагрузка)

На рис. 17.2 а на входе ИВЭП после неуправляемого выпрямителя НВ и сглаживающего фильтра Ф включен регулируемый инвертор напряжения РИН. РИН выдает на выходе напряжение высокой частоты, что позволяет во много раз уменьшить габариты трансформатора Тр. Поэтому и возникло название «бестрансформаторные» ИВЭП, т.е. в них отсутствуют громоздкие трансформаторы на частоту 50 Гц. На вторичной стороне трансформатора включены неуправляемые выпрямители В со сглаживающими фильтрами Ф на выходе. Обратная связь с третьего, наиболее мощного, канала подается на РИН, так обеспечивается стабилизация напряжения на этом канале. Напряжение на выходе второго канала не будет столь стабильным. Напряжение на выходе наиболее точного первого канала дополнительно стабилизируется с помощью непрерывного стабилизатора напряжения НСН.

На рис. 17.2 на всех входах ИВЭП при любой структуре включены входные фильтры Вх.Ф, уменьшающие вредное влияние преобразователей с импульсной модуляцией на питающую сеть и на уровень радиопомех.

На рис. 17.2 б на входе ИВЭП после неуправляемого выпрямителя НВ и сглаживающего фильтра Ф включен импульсный стабилизатор напряжения ИСН. К его выходу после сглаживающего фильтра Ф подключен нерегулируемый инвертор напряжения ИН. ИН подает на трансформатор напряжение высокой частоты. Обратная связь с третьего, наиболее мощного, канала подается на ИСН. На вторичной стороне трансформатора схема совпадает со схемой рис. 17.2 а.

На рис. 17.2 в на входе ИВЭП после неуправляемого выпрямителя НВ и сглаживающего фильтра Ф включен нерегулируемый инвертор напряжения ИН, который подает на трансформатор Тр напряжение высокой частоты. Таким образом, на первичной стороне трансформатора нет регулирующих элементов. На вторичной стороне трансформатора предусмотрена стабилизация напряжения по двум каналам: с помощью импульсного стабилизатора напряжения ИСН по мощному каналу и с помощью непрерывного стабилизатора напряжения НСН по точному каналу.

Все описанные структуры находят применение на практике в зависимости от конкретных условий.

Бестрансформаторные ИВЭП за счет резкого уменьшения габаритов и массы высокочастотного трансформатора позволяют на порядок улучшить массогабаритные показатели по сравнению с классическими схемами.

Эти ИВЭП получили широчайшее применение в источниках питания систем автоматики, компьютеров, бытовой электроники.

ИВЭП без гальванической связи входа и выхода, питаются от первичного источника постоянного напряжения. Обычно это имеет место в автономных (бортовых) системах. В этих ИВЭП применяются те же системы, что приведены на рис. 17.2, но без входного выпрямителя.

ИВЭП с гальванической связью входа и выхода выполняются на основе преобразователей постоянного напряжения, подробно изложенных в главе 10. Поэтому они далее не рассматриваются.

В приведенных на рис. 17.2 схемах содержатся двухзвенные преобразователи постоянного напряжения (ППН), содержащие регулируемый или нерегулируемый автономный инвертор напряжения, трансформатор и один или несколько выпрямителей на его вторичной стороне. Часто они составляют неразрывное целое и выполняются по специальным схемам.

1.3 Регулируемые и нерегулируемые двухзвенные ППН

Регулируемые двухзвенные ППН малой мощности в зависимости от применяемого в них АИН делятся на однотактные и двухтактные [6, 11, 62].

Любой регулируемый двухзвенный ППН может работать, как нерегулируемый.

На рис. 17.3 а приведена схема регулируемого двухзвенного ППН на базе АИН с прямым включением диода (прямоходовая).

+ о Вп

п п,

- о

а) б)

Рис. 17.3. ППН на базе однотактного инвертора напряжения с прямым включением диода (а), диаграмма тока коллектора (б) и характеристика перемагничивания трансформатора

При включении транзистора VT на обмотках трансформатора появляются напряжения (со знаками, указанными без скобок). Диод VD1 открывается и через LC-фильтр на нагрузку проходит ток. Диоды VD2 и VD3 заперты. Под действием напряжения, приложенного к обмотке W1, нарастает ток намагничивания трансформатора, а, следовательно, и ток коллектора (см. рис. 17.3 б, в). При выключении VT за счёт энергии, запасённой в индуктивности намагничивания трансформатора, на всех обмотках трансформатора наводятся ЭДС (со знаками, указанными в скобках). Диод VD1 запирается. Под действием ЭДС на обмотке W3 трансформатора открывается диод VD3 и энергия, запасённая в индуктивности намагничивания трансформатора, возвращается в источник питания. Напряжение на транзисторе VT при этом равно сумме напряжения питания и ЭДС самоиндукции на обмотке W1 и может в несколько раз превышать напряжение питания. За время выключенного состояния транзистора энергия, запасённая в индуктивности намагничивания трансформатора, должна полностью возвратиться в источник питания. За счет энергии, запасённой в дросселе фильтра L, продолжает проходить ток через диод VD2. При следующем включении транзистора процессы повторяются. Напряжение на выходе зависит от длительности включенного состояния транзистора.

В этой схеме передача энергии в нагрузку происходит через диод, когда транзистор включен, отсюда название схема с прямым включением диода. Такие ППН применяются для мощностей до 70 - 100 Вт.

На рис. 17.4 приведена усовершенствованная схема регулируемого ППН на базе АИН по однотактной мостовой схеме с прямым включением диода.

При включении транзисторов VT1 и VT2 на обмотках трансформатора появляются напряжения с полярностями указанными на рисунке без скобок. Диод VD3 открывается и в нагрузку идёт ток, при запирании VT1 и VT2 за счёт энергии запасённой в индуктивности намагничивания трансформатора возникает ЭДС самоиндукции, полярность указана в скобках, диоды VD1 и VD2 открываются и эта энергия отдаётся в источник питания. ЭДС на обмотке W2 запирает диод VD3 и открывает диод VD4, питание нагрузки продолжается за счёт энергии, запасённой в дросселе L.

Рис. 17.4. ППН на базе АИН по однотактной мостовой схеме с прямым включением диода (а) и диаграмма тока коллектора (б)

Преимуществом этой схемы является то, что напряжение на транзисторах не превышает напряжения источника питания. Чтобы энергия, запасённая в индуктивности намагничивания трансформатора, полностью возвращалась в источник питания, относительное время включения транзисторов должно быть меньше 0,5. Данная схема применяется в одноканальных источниках питания мощностью до 200 Вт.

На рис. 17.5 приведена схема регулируемого ППН на базе АИН с обратным включением диода (обратноходовая).

Рис. 17.5. ППН на базе однотактного инвертора напряжения с обратным включением диода (а) и диаграмма тока коллектора (б)

При включении VT на обмотках появляются напряжения со знаками, указанными без скобок, диод VD закрыт, энергия запасается в индуктивности намагничивания трансформатора. При выключении VT возникает ЭДС самоиндукции, с полярностью указанной в скобках, и энергия, запасённая в индуктивности намагничивания трансформатора, передаётся в нагрузку.

В этой схеме при включении транзистора ток через диод на нагрузку не идет, поэтому схема называется с обратным включением диода. Преимуществом этой схемы является простота. Она получила наиболее широкое применение в многоканальных источниках питания при мощностях до 100 Вт.

На рис. 17.6 приведена схема регулируемого ППН на базе АИН по комбинированной однотактной мостовой схеме.

а)

Рис. 17.6. Комбинированная однотактная мостовая схема (а) и диаграмма тока (б)

При открытых VT1, VT2 на обмотках трансформатора появляются напряжения с полярностями, указанными без скобок, VD3 открывается и энергия передаётся в нагрузку. Одновременно запасается энергия в индуктивности намагничивания трансформатора. При закрывании транзисторов VT1, VT2 на обмотках трансформатора появляется ЭДС самоиндукции, с полярностью, указанной в скобках, диод VD3 закрывается, а диод VD4 открывается, энергия, запасённая в индуктивности намагничивания трансформатора, отдаётся в нагрузку, а если ток в нагрузке мал (режим холостого хода), она через VD1 и VD2 возвращается в источник питания.

Данная схема применяется в одноканальных источниках питания мощностью до 200 Вт.

Для уменьшения габаритов фильтров применяют сдвоенные однотактные ячейки, работающие в противофазе. На рис. 17.7 приведена схема регулируемого ППН на базе АИН по двухтактной полумостовой схеме.

При поочерёдном включении транзисторов VT1 и VT2, поочерёдно проводят диоды VD1 и VD2, а конденсаторы С1, С2 создают искусственную среднюю точку источника питания. Преимуществом этой схемы является то, что невозможно несимметричное перемагничивание трансформатора. Схема применяется при мощностях до 500 Вт.

Рис. 17.7. Схема регулируемого ППН на базе АИН по двухтактной полумостовой схеме

При больших мощностях применяются АИН по однофазной мостовой схеме (см. гл. 11). Основной трудностью в двухтактных схемах является несимметричное перемагничивание трансформатора, при котором ток намагничивания нарастает и достигает величины тока короткого замыкания. В полумостовых схемах это явление предотвращается конденсаторами С1 и С2, не пропускающими постоянную составляющую тока.

В ИВЭП без гальванической связи входа и выхода, питающихся от источника постоянного напряжения, могут применяться те же схемы, что и в бестрансформаторных источниках питания, только без входных выпрямителей.

В ИВЭП с целью повышения надежности часто применяют многофазные преобразователи постоянного напряжения. На рис. 17.8 силовые преобразовательные ячейки (СПЯ) представляют собой маломощные двух-звенные ППН, описанные выше. Многофазный широтно-импульсный модулятор обеспечивает их работу со сдвигом во времени. Все ячейки получают питание через общий входной фильтр (Вх.Ф) и работают на общий выходной фильтр (Вых.Ф) и нагрузку Н. Стабилизация напряжения обеспечивается за счет общей обратной связи (ОС).

Работа ячеек со сдвигом обеспечивает повышение результирующей частоты пульсаций, что уменьшает габариты фильтров.

Рис. 17.8. Многофазный преобразователь постоянного напряжения

1.4 Неуправляемые выпрямители с корректором коэффициента мощности

источник вторичный питание выпрямитель

В бестрансформаторных ИВЭП на входе стоит выпрямитель, работающий на фильтр (см. рис. 17.2). Обычно к этому фильтру не предъявляются высокие требования по сглаживанию пульсаций, так как это лучше выполнить в последующих звеньях при более высоких частотах. Поэтому используется емкостной фильтр.

У емкостного фильтра имеются серьезные недостатки (см. главу 15): начальный бросок тока при включении, тяжелые условия работы вентилей выпрямителя и вредное влияние на питающую сеть из-за малого угла проводимости вентилей.

На рис. 17.9 приведены однофазные мостовые схемы с активной нагрузкой без фильтра и с емкостным фильтром, а также временные диаграммы токов и напряжений для этих схем.

При активной нагрузке напряжение сети u и ток, потребляемый из сети i₁ синусоидальны, выпрямленное напряжение u_d и выпрямленный ток i_d имеют форму полуволн синусоид. Выпрямитель не оказывает вредного влияния на питающую сеть, потребляя энергию с cosц = 1 и не генерируя в сеть высшие гармоники.

При емкостном фильтре ток, потребляемый из сети i₁, имеет форму импульсов, он протекает только в то время, когда напряжение сети превышает напряжение на конденсаторе u_c. Конденсатор в эти моменты заряжается выходным током выпрямителя i_d и напряжение на нем растет. После окончания импульса тока i_d начинается разряд конденсатора на сопротивление нагрузки R_d. Напряжение на конденсаторе u_c и, следовательно, на нагрузке u_н спадают до прихода следующего импульса тока. Если считать вентили идеальными, то в цепи заряда конденсатора нет сопротивлений, ограничивающих амплитуду импульса тока. Амплитуда импульса ограничивается только внутренним сопротивлением сети. Поэтому в моменты прохождения импульсов тока i₁ из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении сети искажается форма напряжения сети (срезаются верхушки, показанные штриховой линией).

cot

Рис. 17.9. Однофазные мостовые схемы с активной нагрузкой (а), с емкостным фильтром и активной нагрузкой (б), а также временные диаграммы токов и напряжений для этих схем (в, г)

Выпрямитель оказывает вредное влияние на питающую сеть, генерируя в сеть высшие гармоники. Коэффициент мощности существенно уменьшается.

Начальный бросок тока при заряде конденсатора фильтра может быть уменьшен при применении предварительного заряда конденсатора через токоограничивающий резистор, включаемый последовательно во входной цепи, с последующим шунтированием его.

Возникла задача уменьшить вредное влияние выпрямителя с емкостным фильтром на питающую сеть и повысить коэффициент мощности.

Если нет требований к необходимости рекуперации энергии, то схемы управляемых выпрямителей напряжения (активных выпрямителей) упрощаются. Эти упрощенные схемы получили название выпрямители с корректором коэффициента мощности (ККМ) [6, 9, 11, 47, 62].

Для пояснения принципа действия выпрямителя с ККМ на рис. 17.10 приведена схема силовых цепей и временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу. По существу схема работает, как повышающий преобразователь постоянного напряжения (см. главу 10).

ККМ (см. рис. 17.10 а) содержит индуктивный накопитель энергии L_d, транзистор VT, блокирующий диод VD и конденсатор C_d. С выхода выпрямителя на вход ККМ подается напряжение u_d. На выходе ККМ действует противо-ЭДС u_c (предварительно заряженный конденсатор). Пусть противо-ЭДС больше амплитуды напряжения на входе (u_c > U_m), тогда тока в цепи не будет. Зададим мгновенные значения заданного входного тока ККМ i_зад изменяющимися по кривой, совпадающей по форме с напряжением u_d. Переключения транзистора VT будут происходить при увеличении тока i_d до i_зад.max и уменьшении до i_зад.min. Если в момент t₁ (см. рис. 17.10 б) включить транзистор VT, то в цепи возникнет короткое замыкание и ток пойдет по контуру: «+», L_d , VT, «-». Ток в индуктивности будет нарастать. В момент t₂ при достижении заданного значения i_зад.max транзистор VT выключается, и на индуктивности L_d возникает ЭДС самоиндукции u_L. Под действием суммарного напряжения (u_d + u_L) происходит заряд конденсатора (участок t₂ - t₃). В момент t₃ при спаде тока i_d до заданного значения i_зад.min транзистор VT включается снова. На участке t₃ - t₄ происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки. Далее процессы повторяются.

Рис. 17.10. Однофазная мостовая схема с ККМ (а) и временные диаграммы напряжений и токов в ней (б)

Если емкость достаточно велика, то пульсации напряжения будут очень малы, и ими можно пренебречь.

Чтобы обеспечивать стабильное напряжение на выходе, нужна обратная связь, которая будет изменять амплитуду тока i_зад при отклонении напряжения на нагрузке от заданного значения. Входной фильтр Вх.Ф, защищает питающую сеть от высокочастотных помех, возникающих при ШИМ.

Сейчас существует широкая номенклатура микросхем (контроллеров), содержащих схемы управления ККМ. Они реализуют различные способы импульсной модуляции:

метод «граничного» управления, при котором входной ток находится на границе между непрерывными и прерывистыми токами;

метод управления по пиковому значению тока, при этом ток на входе непрерывен;

метод управления по среднему значению тока, при этом ток на входе непрерывен, и отрабатывается, в среднем, мгновенное значение синусоидального тока;

релейное управление, при этом ток на входе непрерывен, и отрабатывается заданный ток с отклонением мгновенных значений не более, чем на половину ширины токового коридора.

Функциональная схема реализации последнего метода представлена на рис. 17.11. Входное синусоидальное напряжение от питающей сети u подается на выпрямитель В через входной фильтр Вх.Ф, защищающий питающую сеть от высокочастотных помех корректора. Выпрямленное напряжение u_d диодного выпрямителя В через датчик напряжения ДН1 подается на умножитель, тем самым формируется требуемая форма заданного тока i_зад. Расчет амплитуды заданного тока I_m.зад осуществляется усилителем обратной связи УОС как разность сигналов снимаемого с датчика напряжения ДН2 на нагрузке U_н и задания U_зад. Эта обратная связь обеспечивает стабилизацию выпрямленного напряжения на нагрузке. В блоке умножения формируются мгновенные значения заданного тока i_зад = I_m.задsinwt . В модуляторе М сравниваются мгновенные значения тока i_d с мгновенными значениями заданного тока i_зад. Модулятор представляет собой регенеративный компаратор, сравнивающий сигналы, поступающие на его вход, и переключающий выход, если отклонения превышают половину ширины токового коридора, соответствующего ширине петли гистерезиса компаратора. Сигнал с выхода модулятора усиливается в усилителе мощности УМ и подается на транзистор VT.

ККМ получили применение в однофазных источниках питания промышленной и бытовой аппаратуры. В многофазных промышленных установках, когда требуется обеспечивать рекуперацию энергии, следует применять обратимые преобразователи напряжения (активные выпрямители), рассмотренные в гл. 12.

Рис. 17.11. Функциональная схема системы управления ККМ

Размещено на Allbest.ru