12. Импульсное регулирование постоянного  напряжения

Импульсное регулирова­ние постоянного напряжения осуществляется при помощи импульсных преобразователей (прерывателей постоянного тока), включенных последо­ва­тельно в цепь нагрузки (рис. 12.1). В зависимости от мощности нагрузки применяют транзисторные или  тиристорные прерыватели (ТП).

Импульсный преобразователь или прерыватель постоянного тока предназначен для включения и отключения нагрузки, а также для непосредствен­ного преобразования нерегулируемого напряжения источника постоянного тока в регулируемое. В качестве источника может быть применен аккумулятор, выпрямитель, генератор постоянного тока.

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить из соотношения:

,                       (12.1)     

где tи – длительность проводящего состояния преобразователя; tп – длительность непроводящего состояния преобразователя; Тк – период коммутации; fк = 1/ Тк – частота коммутации; δ – коэффициент передачи выпрямителя. Величина, обратная δ, называется  скважностью.

Из формулы (12.1) видно, что среднее значение напряжения на нагрузке (U2ср) можно регу­ли­ровать двумя способами:

1) путем изменения интервала проводимости (tи) ключа при постоянстве частоты комму­тации (fк) прерывателя; такое регулирование называется широтно-импульсным (ШИМ) и изображено на рис. 12.2, а;

2) путем изменения частоты коммутации (fк) при постоянстве интервала проводимости (tu); такое регулирование называется частотно-импульсным (ЧИМ), изображено на рис. 12.2, б.

Преимущественное использование на практике ШИМ объясняется наличием следую­щих недостатков у ЧИМ:

· возможностью появления прерывистого тока при низких часто­тах;

· появлением радиопомех на высоких частотах.

Широтно-импульсное регулирование находит все более широкое приме­нение для регулирования и стабилизации электрических параметров на­грузок различного рода (на электротранспорте, в приводе металлообрабатывающих станков, для питания бортовых систем и т.д.) Это объясняется рядом их преимуществ: высоким КПД; высоким быстродействием; точностью регулирования выходного напряжения в широком диапа­зоне; высокой точностью управления при сохранении устойчивости; слабой чувствитель­ностью к изменениям температуры окружающей среды.

Однако им свойственны и некоторые недостатки: наличие пульсаций выходного на­пряже­ния создает необходимость устанавливать фильтры, что вызывает инерционность преоб­разователя и сложность управления для обеспечения устойчивости работы на им­пульсную нагрузку.

Схема импульсного коммутатора постоянного тока (рис. 12.3) содержит силовой тиристор VSc и узел принудитель­ного выключения силового тиристора, содержащий коммутирующий тиристор VSк, ком­му­тирующие индуктивность Lк и емкость Ск, коммутирующий ди

од VDк.

Подготовка схемы к работе начинается с заряда коммутирующей емкости  Cк с по­ляр­ностью, указанной на рис. 12.3. Заряд коммутирующей емкости Cк можно осуществить с помощью кнопки Кз через сопротивление Rз по цепи «+» — Cк Кз  — Rз — «-», или при по­мощи специальной системы управления коммутатором, которая первый импульс по­дает на коммутирующий тиристор VSк, и после его открытия происходит заряд Cк.

Работа схемы начинается после включения силового тиристора  VSс. При этом обра­зуется две цепи: одна для протекания тока нагрузки, другая – для перезаряда ком­му­тирующей емкости Cк. Время перезаряда емкости Cк определяется параметрами ко­леба­тельного контура, образованного коммутирующими элементами  Lк и  Ск.

После перезаряд Cк происходит вынужденное выключение силового тиристора VSc с помощью приложенного к нему обратного напряжения через коммутирующий тиристор VSк<
/sub>. В процессе выключения VSc емкость Cк разряжается. После запирания силового ти­ристора в работе остается коммутирующий тиристор VSк и, осуществляя заряд емкости Cк, подготавливает схему к дальнейшей работе.

Импульсный коммутатор переменного тока (рис. 12.4) обладает двухсторонней про­водимостью тока. В одну из диагоналей диодного моста включается ТП с ШИМ, а через другую диагональ подключается нагрузка к сети переменного напряжения. Процессы, происходящие в данной схеме, поясняются диаграммой (рис. 12.5).

В положительную полуволну напряжения сети работают диоды VD1, VD4 им­пульсный коммутатор. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют со­вместно с диодами VD2, VD3 тот же импульсный коммутатор. Процесс регулирования первой гармонической составляющей выходного напряжения осуществляется изменением длтельности работы силового тиристора  VSc.

На практике питание нагрузок постоянного тока чаще осуществляется выпрямленным на­пряжением, поэтому представляет интерес работа ТП с ШИМ в цепи нагрузки выпрямителя (рис. 12.7).        

Особенностей в работе импульсного коммутатора в цепи выпрямленного тока и в цепи постоянного тока нет, отличие заключается лишь в форме выходного напряжения (рис. 12.7). Выходное напряжение состоит из регулируемых импульсов, полученных из двухполупериодного выпрямленного напряжения. Регули­рова­ние импульсов среднего выпрямленного напряжения осуществляется широтно-ипульсным способом.

Поскольку в обеих схемах (рис. 12.4 и 12.6) тиристорный коммутатор вклю­чен в диагональ выпрямленного тока, то процессы, происходящие собственно в ТП с ШИМ, анало­гичны.