Teoria Przekształtników - kurs elementarny

Transkrypt

1 W6. PRZEKSZTAŁTNIKI IMPLSOWE PRĄD STAŁEGO -(2) [L5:str ] Podstawowym parametrem branym pod uwagę przy projektowaniu przekształtników impulsowych jest częstotliwość łączeń. Zwiększanie częstotliwości umożliwia znaczne zmniejszanie elementów biernych filtrujących przebiegi napięcia i prądu na wejściu i wyjściu przekształtnika. W przypadku przekształtników dużej mocy duże częstotliwości nie mogą być stosowane z uwagi na znaczne straty łączeniowe (patrz W.1) i przeciążenie półprzewodnikowych łączników. W takich przypadkach możliwe jest zastosowanie łączenia równoległego pojedynczych przekształtników tak jak to przedstawiono na schemacie i objaśniających jego działanie przebiegach z rys.6.1. Rys.6.1. Równoległe połączenie 2 przekształtników do układu dwupulsowego: a) schemat; b) przebiegi napięć Zastosowany w układzie dławik L w o silnym ( M 1) sprzężeniu magnetycznym działa jak bezstratny dzielnik napięcia. Efektywna częstotliwość impulsów na odbiorniku jest dwa razy większa niż w każdym z oddzielnych przekształtników pod warunkiem przesunięcia fazy impulsów o pół okresu (Ts/2). Problem: Przebiegi z rysunku 6.1. odpowiadają wysterowaniu przekształtników przy współczynniku D<0,5. Jak będą wyglądały przebiegi przy D>0,5 Przekształtnik Ĉuk a Przedstawiane układy przekształtników impulsowych tupu zstępującego i wstępującego są klasyfikowane jako bezpośrednie tzn. energia jest przekazywana bezpośrednio przez łączniki zastosowane w obwodzie. Przekształtnik zstępującowstępujący (W5 RYS. 5.9) jest przekształtnikiem pośrednim, w którym indukcyjność spełnia funkcję pośredniczącą w przekazywaniu energii. Inną interesującą wersję przekształtnika zstępująco-wstępującego stanowi układ wg. Ĉuk a charakterystyczny tym że od strony wejścia i wyjścia występują

2 indukcyjności co w zastosowaniach wysokoczęstotliwościowych jest zaletą gdyż od strony zasilania i odbiornika dopuszczane są indukcyjne doprowadzenia (np. kable łączące). Schemat układu przedstawiono na rys.6.2 a przebiegi z podane obok pozwalają na wyjaśnienie zasady działania. Rys.6.2. Przekształtnik Ĉuk a: a) schemat układu, b) charakterystyczne przebiegi napięć i prądów ilustrując zasadę działania Przedstawione przebiegi dotyczą przykładowego przypadku gdy współczynnik D 1/3. W stanie ustalonym napięcie na kondensatorze jest z uwagi na znaczną pojemność C stałe i równe różnicy napięć d-o. Korzystając z warunku równej zeru wartości średniej napięcia na jednej z indukcyjności można wyznaczyć zależność na napięcie wyjściowe w funkcji D. Na tej podstawie : L ( AV ) = D d + (1 D)( d C ) = D = 1 D o d co odpowiada znanej charakterystyce sterowania dla układu zstepującowstępującego ( patrz W5). kład ma cechy odwracającego napięcie ( znak -) W analizowanym przykładzie dla D 1/3 o = - 2 d. Zgodnie z zasadą zachowania energii dla układu bezstratnego Io(av) = 0,5 Id. Prąd kondensatora w jednym cyklu pracy składa się z dodatnich i ujemnych segmentów prądu id i prądu io a jego wartość średnia jest równa zero. Pytanie: Od czego zależy tętnienie prądu w obwodzie wejściowym i wyjściowym przekształtnika. Jak dobrać dla określonej mocy i określonych napięć o i d kondensator by tętnienia napięcia na nim nie przekraczały 5% Zmniejszanie strat łączeniowych [L1: str L6: str ] 0

3 Prezentowane układy przekształtników impulsowych napięcia stałego należą do twardo przełączających. Trajektorię punktu pracy łącznika na wykresie -I przy typowym twardym załączaniu ilustruje wykres z rys Przy tego rodzaju przełączaniu nie daje się uzyskać bardzo wysokich częstotliwości łączeń (fs<50 khz) i tym samym nie jest możliwe wydatne zmniejszenie objętości i wagi zasilaczy oraz powiększenie ich sprawności. Zastosowanie techniki rezonansowej z pomocniczymi obwodami LC prowadzi do układów przełączających przy zerowym napięciu (ZVS - Zero Voltage Switching) lub/ oraz przy zerowym prądzie (ZCS) dzięki czemu możliwe są częstotliwości nawet powyżej MHz i uzyskanie gęstości upakowania przekształtników do 10W/cm3. Na rys przedstawiono podstawowe konfiguracje łączników zapewniających miękkie załączanie i wyłączanie łączników. Rys.6.3. kłady prostych sterowników napięcia stałego o przełączaniu przy zerze napięcia i zerze prądu: a) trajektoria punktu pracy przy przełączaniu twardym ( czerwona) i miękkim ( zielona), b) przełączanie przy zerze prądu, c) przełączanie przy zerze napięcia, d) przełączanie przy zerze napięcia i zerze prądu Przekształtnik o przełączaniu przy zerowym napięciu (ZVS) Analiza zostanie przeprowadzona dla układu wg. schematu z rys Przy analizie uwzględniono 2 przypadki: pierwszy przy założeniu, że łącznik sterowany nie ma zdolności blokowania napięcia wstecznego (A) drugi przy założeniu, że taka zdolność występuje (B). W analizowanym układzie łącznik sterujący S jest w stanie spoczynkowym zamknięty (tzw. normalnie zamknięty nz) co znaczy, że napięcie na wyjściu jest równe d. Generacja impulsów sterujących wiąże się z rozwarciem łącznika ( funkcja sterująca S=0). Zwiększanie częstotliwości generacji impulsów prowadzi do obniżenia napięcia wyjściowego.

4 Rys.6.4. kład przekształtnika ZVS (możliwe dwa typy łącznika S: A łącznik o jednokierunkowym napięciu i dwukierunkowym prądzie, B- łącznik o dwukierunkowym napięciu) Odpowiednie przebiegi z rys.6.5. ilustrują zasadę miękkiego przełączania przy zerowym napięciu na łączniku; Przy analizie jednego cyklu pracy można wydzielić 4 przedziały czasu którym można przypisać schematy zastępcze tak jak przedstawiono na rys. 6.5.a. Obwód wyjściowy z uwagi na dużą indukcyjność filtrującą L F jest zastąpiony przez źródło prądu (i o ) Rys.6.5. Schematy zastępcze występujące w cyklu pracy (a), przebiegi charakterystyczne dla układu z łącznikiem typu A (b) i przebiegi w układzie z łącznikiem typu B ( c) Przekształtnik o przełączaniu przy zerowym prądzie (ZCS) kładem o cechach dualnych w stosunku do rozpatrzonego powyżej jest układ wg. rysunku 6.6. I w tym przypadku możliwe są dwa tryby pracy układu w zależności od tego czy łącznik sterowany jest w stanie przewodzić prąd tylko w

5 jednym kierunku (przypadek A) czy też w obydwu kierunkach (przypadek B). (!! Przeciwna konwencja do tej, która była stosowana w przekształtniku ZVS). Rys.6.6. kład przekształtnika ZCS (możliwe dwa typy łącznika S: A łącznik o dwukierunkowym napięciu, B- łącznik o jednokierunkowym napięciu i dwukierunkowym prądzie) Odpowiednie przebiegi dla obu przypadków (Ai B) wraz z charakterystycznymi przedziałami i przypisanymi im schematami zastępczymi podano na rys 6.7. Rys.6.7. Schematy zastępcze występujące w cyklu pracy (a), przebiegi charakterystyczne dla układu z łącznikiem typu A (b) i przebiegi w układzie z łącznikiem typu B ( c) Obydwa przedstawione powyżej układy z uwagi na zastosowanie w obwodzie obwody rezonansowe (oscylacyjne) LC, które narzucają czas trwania impulsu jako jedyną możliwość sterowania należy uznać sterowanie poprzez zmianę częstotliwości. Odpowiednie charakterystyki przedstawiające zależność napięcia wyjściowego od stosunku częstotliwości łączeń f S do częstotliwości rezonansowej fr przedstawiono na rys Częstotliwość rezonansowa jest w tym przypadku jest zdefiniowana jako:

6 f r = 2π 1 L C a parametr A {A1..A4} określa wartość obciążenia A = r / C L o r r r r Rys.6.8. Charakterystyki sterowania przekształtnika - zależność napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwiści łączeń: a)charakterystyka dla układu wg. rys (ZVS)( B- łącznik typu B, A1=0.1, A2=0.2, A3=0.3); b) charakterystyka dla układu wg. rys (ZCS)( B- łącznik typu B, A1=1, A2=2, A3=5,A4=10) Transformatorowe przekształtniki prądu stałego. [L6: , L1: ] Istnieje szereg zastosowań gdzie z uwagi na znaczne różnice napięć źródła zasilania i odbiornika (czemu odpowiada znacząca różnica prądów wejściowych i wyjściowych przekształtnika) jest niezbędne zastosowanie transformatora dopasowującego. Niekiedy transformator może być niezbędny z uwagi na wymóg izolacji galwanicznej obwodów. Wysoka częstotliwość pracy transformatorów zapewnia zmniejszenie ich wymiarów i wagi urządzeń przekształcających. Niedopuszczalny dla transformatorów z rdzeniem ferromagnetycznym jednokierunkowe napięcie (ze składową stałą nie zerową) narzuca potrzebę stosowania specyficznych rozwiązań, w których zapewnione będzie rozmagnesowanie rdzenia tak by punkt pracy nigdy nie przesuną się za kolano krzywej magnesowania. Istota współpracy przekształtników impulsowych napięcia i prądu stałego z transformatorem zostanie przedstawiona na przykładzie prostego układu współbieżnego przekształtnika (przetwornica jednotaktowa, forward converter) wg. schematu z rys Posłużą do tego przebiegi prądów i napięć zamieszczone na tym samym rysunku.

7 Rys.6.9. Przekształtnik transformatorowy: a schemat, b) przebiegi ilustrujące funkcjonowanie układu W czasie trwania impulsu gdy przewodzi tranzystor T1 i na uzwojeniu pierwotnym występuje napięcie d i pod jego wpływem narasta składowa magnesująca prądu uzwojenia pierwotnego - i µ. Jednocześnie na uzwojeniu wtórnym występuje napięcie dodatnie przepływa prąd i 2 i energia jest dostarczany do obwodu odbiornika. Po wyłączeniu tranzystora składowa prądu magnesującego podtrzymywana energia magnetyczną zgromadzoną w rdzeniu zamyka się przez diodę D1 i kondensator naładowany do napięcia cp. Warunkiem zmniejszania się prądu magnesującego jest aby cp > d. Jeżeli czas załączenia jest równy t on to uwzględniając warunku zerowej wartości średniej napięcia na uzwojeniu pierwotnym 1 ( AV ) = D d + (1 D)( Cp d ) = 0 można wyznaczyć niezbędną wartość napięcia cp przy której w końcu cyklu Ts prąd magnesujący zmaleje do zera Cp d = 1 D max W rozpatrywanym przykładzie kondensator jest ładowany do napięcia cp kosztem energii zwracanej z rdzenia przy czym ograniczenie napięcia uzyskuje się dobierając rezystor umożliwiający rozładowanie kondensatora do źródła d. kład z dodatkowym źródłem w postaci pomocniczego kondensatora z rezystorem jest dosyć niepraktyczny z uwagi na straty. Rozwiązaniem innego rodzaju jest układ przedstawiony na rys Zastosowanie dodatkowego uzwojenia N3 z włączoną szeregowo diodą tak by uniemożliwić przepływ prądu

8 pod wpływem napięcia d umożliwia rozmagnesowanie rdzenia w przedziale czasu gdy tranzystor jest wyłączony. Konieczne jest przy tym zastosowanie odpowiedniej przekładni zwojowej czyli stosunku N3/N1. Decyduje w tym przypadku maksymalny przewidywany współczynnik wypełnienia Dmax. Nie trudno wykazać, że musi obowiązywać relacja N 3 D = N1 1 D Należy zauważyć, żę gdy przewodzi dioda na tranzystorze występuje napięcie = ( 1 N1 N3) natomiast gdy przewodzi tranzystor na diodzie T d + występuje napięcie = ( 1 N3 N1). W modyfikacja tego układu D d + dodatkowe uzwojenie może być dołączone do obwodu wyjściowego pod warunkiem, że układ jest zawsze dostatecznie obciążony. max max Rys Przekształtniki transformatorowe: przekształtnik współbieżny z dodatkowym uzwojeniem magnesującym (a) i przekształtnik dwutaktowy typu fly back z przekazaniem energii magnetycznej rdzenia do odbiornika Inną koncepcję przekazywania energii za pośrednictwem transformatora prezentuje układ przekształtnika powrotnego (dwutaktowego, fly back) w którym zamiana początku i końca uzwojenia wtórnego (względem diody prostowniczej na wyjściu) pozwala na zwrot energii magnetycznej rdzenia do obwodu odbiornika. W czasie gdy tranzystor przewodzi na wyjściu napięcie ma taką polaryzację, że dioda jest w stanie zaworowym. Prąd w uzwojeniu pierwotnym narasta zwiększając energię obwodu magnetycznego. Wyłączenie tranzystora powoduje przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym i przekazanie energii magnetycznej do obwodu odbiornika. Warunek równowagi obwodu magnetycznego dla określonego względnego czasu przewodzenia tranzystora D prowadzi do wzoru na napięcie wyjściowe średnie. = N2 D o d N1 1 D

9 Przekształtnik powrotny z uwagi na prostotę jest dosyć często stosowany w impulsowych zasilaczach małej mocy. Jeżeli maksymalna wartość współczynnika D zostanie ograniczona do0,5 to warunek pełnego rozmagnesowywania rdzenia jest uzyskiwany niejako samoczynnie przy zastosowaniu układu wg rys a. Impuls dodatniego napięcia jest doprowadzany do uzwojenia pierwotnego przy przewodzących tranzystorach T1 i T2. Po ich wyłączeniu prąd magnesujący zamyka się przez diody D1 i D2 a ujemne napięcie bliskie d na uzwojeniu pierwotnym powoduje zmniejszenie tego prądu do zera przed następnym cyklem. Aby uzyskać rozszerzenie zakresu sterowania impulsami wyjściowymi zasilacza do D max =1 można zastosować równoległe połączenie dwóch przekształtników tego typu jak na rys b. Dzięki przesunięciu fazowemu cykli obu przekształtników względem siebie o kąt odpowiadający połowie okresu impulsowania. Dodatkowym efektem tego rodzaju zabiegu jest podwojenie częstotliwości impulsów wyjściowych względem częstotliwości łączeń każdego z współpracujących przekształtników. Rys Schemat przekształtnika współbieżnego umożliwiającego rozmagnesowanie rdzenia przy współczynniku D<0,5- (a) oraz równolegle współpracujące przekształtniki o zdwojonej częstotliwości impulsów wyjściowych. Przekształtniki napięcia stałego z pośrednim obwodem napięcia przemiennego ( DC/AC/DC). Najkorzystniejsze warunki pracy transformatora pośredniczącego w przekazywaniu energii z jednego obwodu napięcia stałego do innego uzyskuje się w przypadku symetrycznej fali napięcia przemiennego. Stąd koncepcja przetworzenia napięcia stałego w napięcie przemienne średniej częstotliwości (zwykle powyżej 20 khz) a następnie wyprostowaniu napięcia i prądu po stronie wtórnej transformatora. Przykładem takiego rozwiązania jest układ z rys a. Po jednej stronie transformatora występuje falownik natomiast po drugiej prostownik. Jeżeli dwa ramiona falownika są sterowane z przesunięciem fazowym ( patrz W7) to możliwe jest regulowanie napięcia po stronie wtórnej na wyjściu prostownika. Obecność po stronie wtórnej prostownika niesterowanego

10 wyklucza mozliwość przekazywania energii w dwie strony. Podobne rozwiązanie z zastosowaniem falownika i prostownika trójfazowego w zasadzie nie jest dostosowane do regulacji napięcia a jedynie do przekazywania jednokierunkowego energii z dopasowaniem napięć za pomocą przekładni transformatora Rys Przekształtniki do jednokierunkowego przekazywania energii pomiędzy dwoma obwodami napięcia stałego za pośrednictwem transformatorowego obwodu pośredniego napięcia przemiennego: układ jednofazowy z pojedynczym aktywnym mostkiem (a), układ z mostkiem trójfazowym kłady podwójnych mostków aktywnych o dwukierunkowym przepływie energii Rozwiązaniem, które umożliwia dwukierunkowe przekazywanie energii jest zestaw dwóch mostków aktywnych (sterowanych) Dual Active Bridge. Jeżeli napięcia po obu stronach z uwzględnieniem przekładni transformatora są równe i nie występuje przesunięcie fazowe fal napięcia wytwarzanych przez oba falowniki układ jest w równowadze i energia nie przepływa. Wprowadzenie przesunięcia fazowego powoduje przepływ energii w kierunku zależnym od znaku fazy. Warunkiem poprawnej pracy układu jest dostateczna dla wybranej częstotliwości łączeń reaktancja rozproszenia transformatora. Problem: Jak wyglądają przebiegi prądu w uzwojeniach transformatora i w obwodzie napięcia stałego w przypadku gdy przesunięcie fazowe pomiędzy falami napięcia obu falowników