Teoria Przekształtników - kurs elementarny

Transkrypt

1 Teria Przekształtników - kurs elementarny W5. PRZEKSZTAŁTNIKI IMPSOWE PRĄD STAŁEGO -(1) [ str199-16, str , 6 str ] Jest t grupa przekształtników najliczniejsza bwiem znajuje zastswanie w urzązeniach zasilających urzązeń infrmatycznych i multimeialnych. zęst współpracują ne z przekształtnikami sieciwymi - prstwnikami. Pstawą klasyfikacji przekształtników impulswych są : 1. Relacja napięcia wyjściweg i wejściweg, bniżający,(zstępujący, step-wn, buck) pwyższający (wstępujący, step-up. bst) bniżając-pwyższający ( up-wn, buck-bst). Izlacja galwaniczna lub jej brak ( transfrmatrwe, bezpśrenie 3. Jeen lub wa kierunki przepływu energii 4. Spsób przełączania: twar lub miękk przełączające. Przekształtniki te znaczane są symblem z j. angielskieg - D/D. Pstawwe tplgie przekształtników D/D są twrzne z zastswaniem kanniczneg trójnika jak na rys a. Opwienie ukłay pwiaające pziałwi w punkcie 1. przestawin na rys. 5.1.b- Rys Pstawwe ukłay przekształtników impulswych: a) pstać kanniczna łącznika w przekształtniku impulswym, b) przekształtnik zstępujący ( bniżający), c)przekształtnik wstępujący (pwyższający), ) przekształtnik zstępując-wstępujący (bniżając-pwyższający). Pytanie: Dlaczeg p jenej strnie zestawu łączników twrzących przekształtnik bwó ma charakter prąwy (filtr inukcyjny) t p rugiej musi mieć charakter napięciwy (filtr pjemnściwy) Przekształtnik zstępujący - bniżający napięcie [ ] Dla przeanalizwania pstawwych zjawisk i właściwści grupy przekształtników psłuży w pierwszym rzęzie ukła służący regulacji napięcia stałeg w sytuacji gy napięcie birnika jest mniejsze napięcia źróła zasilająceg. Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

2 Teria Przekształtników - kurs elementarny Rys.5.. Przekształtnik bniżający napięcie (zstępujący): schemat a) i pstawwe przebiegi napięcia i prąu b) Przekształtnik pracuje przy kreślnej (zaanej) częsttliwści fs 1/Ts raz przy nastawianym współczynniku wypełnienia D (ang. uty rati) efiniwaneg jak tn D T Wielkścią nastawianą na wyjściu jest wartść śrenia napięcia w kresie impulswania Ts D Prblem: Jak prą śreni źróła zasilania zależy współczynnika D i prąu birnika I Obirnik (wraz z filtrem) mże być traktwany jak bwó E( R 0) Prą w birniku mże być prąem ciągłym (tryb pżąany) lub prąem impulswym (przy małych bciążeniach). Przy przewzeniu ciągłym przebieg prąu w warunkach pracy ustalnej ( (AV) E ) mże być wyznaczny na pstawie równań uwzglęniających liniwą zmianę prąu w czasie wynikającą z rzwiązania równania: i gzie - napięcie na inukcyjnści t Zgnie z rysunkiem 5..b mżna napisać równani w kresie łączeń la przeziałów przewzenia tranzystra i przewzenia iy rzławczej. i i ( t t ( t t 1 ) I 1 ) I W stanie ustalnym: E + ( t t1 ) E + ( t t ) S Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

3 E Teria Przekształtników - kurs elementarny E n I I1 + tn... I1 I + tff... E Ts t D wzglęniając pwyższe mżna wyprwazić wzór na tętnienie prąu I f S D(1 D) Wartść śrenia prąu birnika jest wielkścią wynikającą z bciążenia birnika i rezultatem ziałania bwu regulacji Rys.5.3. Zależnść wzglęneg tętnienia współczynnika D Wykres wzrwujący pwyższą zależnść ( Rys. 5.3) wskazuje, że przy ustalnej (!) wartści napięcia największe tętnienia występują la współczynnika D 0,5. W zastswaniach impulsweg sterwnika jak zasilacza napięciweg ważne jest kreślenie tętnienia napięcia wyjściweg na knensatrze wyjściwym filtru. Przy przewzeniu ciągłym i kreślnym tętnieniu prąu wpływająceg knensatra mżna tętnienia napięcia wyznaczyć na pstawie zależnści wyprwaznej w parciu przebiegi z rys.5.4. Rys.5.4. Przebiegi ilustrujące metę wyznaczania tętnienia napięcia przy kreślnych parametrach filtru Łaunek pwiaający półfali tętnień prąu pwuje zmianę napięcia knensatra pwójną wartść tętnień. Oznacza t że: Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

4 Teria Przekształtników - kurs elementarny Q T S I S Pnieważ I (1 D) t 16 T (1 D) T S Pwyższa zależnść zapisana w pstaci uwzglęniającej wzglęne tętnienia niesine wartści napięcia wyjściweg: π f (1 ) 4 r D f S gzie mże służyć bru parametrów filtru Pytanie: Jak należy brać częsttliwść reznanswą filtru wzglęem częsttliwści łączeń przy zmiennym współczynniku D Mety sterwania przekształtnikiem D/D a) Sterwanie napięciem przez zmianę współczynnika D przy stałej częsttliwści (f S cnst) przy stałym czasie przewzenia łącznika i zmiennej częsttliwści Isttę bywu mian sterwania ilustruje rys f r π 1 Rys.5.5. Ilustracja mety regulacji przy stałej częsttliwści i zmiennym czasie przewzenia (a) i przy zmiennej częsttliwści i stałym czasie przewzenia łącznika sterwaneg (b) b) Sterwanie prąem przez zastswanie regulacji naążnej (regulacja histerezwa) Isttę teg sterwania wyjaśnia rysunek 5.6. Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

5 Teria Przekształtników - kurs elementarny Rys.5.6. Ilustracja mety regulacji histerezwej: schemat iewy (a) i przebiegi ilustrujące ziałanie ukłau przy zmianie zaanej wartści prąu i nie zmieninym napięciu birnika ( na górze) i przy niezmieninym prązie i zmieninym napięciu birnika ( na le) Jak wiać w zależnści wartści napięcia wewnętrzneg zmienia się częsttliwść łączeń. Zależnść częsttliwści łączeń parametrów bwu i zaanej wartści histerezy prąu mże być wyprwazna z zależnści na tętnienia prąu z uwzglęnieniem że D E/ raz że I I h. f S E E (1 Ih Pytania: : (1) Jak wygląa charakterystyka zależnści częsttliwści łączeń wartści napięcia wewnętrzneg E birnika przy regulacji histerezwej? () Dlaczeg regulacja histerezwa jest ynamicznie najbarziej efektywna? Zmiana kierunku przekazywania energii ( zwrt energii z birnika) [str. 09] ) Rys.5.7. kła umżliwiający zwrt energii z birnika niższym napięciu wewnętrznym źróła wyższym napięciu.: schemat a) i charakterystyczne przebiegi -b) Niekiey jest knieczne zyskanie energii z birnika w tzw. hamwaniu regeneracyjnym. Knieczne jest wtey zamienienie w tplgii bwu gałęzi Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

6 Teria Przekształtników - kurs elementarny tranzystra z ią rzławczą która przyjmie funkcję tzw. iy zwrtnej (Rys. 5.7.a) - w praktyce jest t związane z knaniem przełączeń. Jeżeli uwzglęnić że współczynnik załączenia iy D* jest pełnieniem współczynnika załączenia tranzystra D jenści ( D*1-D) t wartści napięć źróła birnika ( wartść śrenia) są związane relacją ( 1 D) Rzwiązanie przekształtnika wg. rysunku 5.7 zapewniające zmianę kierunku prąu w birniku przy zachwaniu kierunku ( znaku) napięcia mżna uznać za kmplementarne w stsunku rzwiązania z rys.5.. w zrzumieniu starczania i zyskiwania energii w przypaku gy źrół zasilania ma wyższe napięcie niż źrół wewnętrzne birnika. Przekształtnik wstępujący - pwyższający napięcie [5: str. 169] Praktycznie ten sam ukła jak na rys. 5.7 jenak innej przypisanej funkcji - zwiększania napięcia stałeg metą impulswą jest analizwany jak przekształtnik wstępujący (- step-up, bst cnverter). Wprwazając niejak lustrzane bicie schematu z rys. 5.7.a uzyskuje się schemat wg rys.5.8. reprezentujący przekształtnik pwyższający napięcie. Rys.5.8. Przekształtnik pwyższający napięcie : schemat (a) i przebiegi napięcia i prąu (b) Dla wyznaczenia pstawwej charakterystyki sterwania takieg ukłau mże psłużyć wzór pwyższy w którym zamienin rlą napięcie i. zyskuje się wtey zależnść ( 1 D) Pytanie: Jaka zależnść wiąże wartść śrenią i skuteczną prąu na wejściu i wyjściu przekształtników wg. rys. 5,, 5.7 i 5.8. Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

7 Teria Przekształtników - kurs elementarny Przekształtnik wstępujące mgą służyć tylk graniczneg zwiększania napięcia. Praktycznie siągany i senswny zakres zwiększania napięcia tą rgą wynsi 5. Przy większych przekłaniach napięciwych niezbęne jest stswanie transfrmatrów paswujących i stswnych ukłaów przekształtników Przekształtnik zstępując-wstępujący (bniżając-pwyższający) Trzeci z pstawwych przekształtników wywzących się z pstaci kannicznej charakteryzuje się mżliwścią nastawiania napięcia pwyżej i pniżej wartści napięcia zasilania. unkcjnwanie teg ukłau bjaśnine zstanie skrótw przy pmcy schematu i przebiegów z rysunku 5.9. Rys Schemat ukłau przekształtnika zstepując-wstępująceg (a) i pwienie przebiegi napięcia i prąu (b) W czasie gy przewzi tranzystr T prą w inukcyjnści narasta pwiększając zgrmazną w niej energię. W przeziale kresu łączeń Ts gy tranzystr jest wyłączny prą inukcyjnści przejmuje ia i energia z inukcyjnści jest przekazywana bwu wyjściweg łaując knensatr któreg jest łączny birnik. Analiza wskazuje, że napięcie birnika ma przeciwną plaryzację znacznej na rysunku. Dla wyznaczenia zależnści napięcia wyjściweg współczynnika D i napięcia zasilania należy psłużyć się warunkiem równej zeru wartści śreniej napięcia na ławiku w cyklu pracy. Zapisując ten warunek jak D ( 1 D) 0 chzimy wzru na charakterystykę sterwania. D ( 1 D) + Znak (-) uzyskany na rze frmalneg przekształcenia ptwierza zmianę znaku (wrócenie fazy) napięcia wyjściweg wzglęem przyjętych znaczeń. Wzór jest słuszny jeynie w przypaku ciągłeg prąu w inukcyjnści. Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

8 Teria Przekształtników - kurs elementarny Przekształtniki wukierunkwe (wielkwarantwe) [5: str ] Przekształtniki tzw. wielkwarantwe są t ukłay złżne z przekształtników jenkierunkwym przepływie mcy. Dzięki zwjeniu liczby elementów mżliwe jest kntrlwane, płynne sterwane elektrnicznie przestawienie kierunku przepływu energii czyli zmianę znaku mcy. Klasyfikacja ukłaów wielkwarantwych jest czywiści parta usytuwanie bszaru mcy przekształtnika w ukłazie współrzęnych -I ( prą i napięcie wyjściwe). Zgnie z rysunkiem mżna wyróżnić ukłay -kwarantwe pracujące przy jenkierunkwym napięciu, -kwarantwe pracujące przy jenkierunkwym prązie i 4-kwa-rantwe. Rys Przyprząkwanie kwarantów pracy w ukłaach wielkwarantwych na płaszczyźnie -I Przekształtnik wukierunkwym prązie Schemat przekształtnika pany na rys.5.11 wskazuje,że jest t kmpzycja ukłaów wg. rys. 5. i 5.7. przy czym la jeneg kierunku pracuje para zaznaczna symblem + a la rugieg znaczna -. Rys Schemat przekształtnika wukierunkwym prązie wyjściwym (T+, D+ - atni kierunek prąu, T-,Dujemny kierunek prąu birnika) unkcje każeg z ukłaów pwiaają kłanie tym, które pisan pwyżej la ukłaów prstych. Spsób sterwania bywu łączników który należy uznać za najbarziej uzasaniny t naprzemienne załączanie bywu tranzystrów w Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

9 Teria Przekształtników - kurs elementarny każym cyklu niezależnie kierunku prąu. O kierunku prąu ecyuje czy wartść śrenia napięcia na wyjściu przekształtnika (AV) D 1 jest większa czy mniejsza napięcia birnika ( ) przy czym D jest niesine tranzystra T1. (tranzystr T jest załączany z współczynnikiem D 1-D 1 ) Przekształtnik wukierunkwym napięciu. Schemat ukłau który cechuje tylk jeen kierunek prąu birnika natmiat napięcie śrenie na wyjściu mże zmieniać znak przestawia rys Tranzystry T1 i T załączane jencześnie a w części cyklu kiey przewzą na birniku typu E występuje napięcie atnie (+) a prą narasta (na inukcyjnści występuje napięcie atnie +-E). P wyłączeniu tranzystrów przewzenie pejmują iy, na birniku występuje ujemne napięcie(-). Prą maleje b napięcie na inukcyjnści jest ujemne i równe --E Rys.5.1. Schemat przekształtnika wukierunkwym napięciu wyjściwym (a), przebiegi przy atnim napięciu wyjściwym ( D>0,5) -(b) ; przebiegi przy ujemnym napięciu (c) Przy tak kreślnej sekwencji w cyklu, przy załżeniu, że prą w birniku jest ciągły mżna zapisać zależnść na wartść śrenią napięcia wyjściweg w funkcji D (charakterystykę sterwania) ( D 1) Warunkiem uzyskania pprawnej pracy ukłau przy ciągłym prązie przy <0 jest czywiście becnść ujemneg napięcia wewnętrzneg E <0. Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005

10 Teria Przekształtników - kurs elementarny Pytanie: Przy jakiej wartści D w ukłazie z rys. 5.1 wystąpi największe tętnienie prąu Przekształtnik wukierunkwym napięciu i prązie birnika (czterkwarantwy) Złżenie wóch ukłaów wukierunkwym prązie lub wóch ukłaów wukierunkwym napięciu prwazi pełneg mstka schemacie jak na rys bęąceg ukłaem czterkwarantwym Rys Mstkwy przekształtnik czterkwarantwy Prblem: Jakie mżliwe sekwencje impulsów sterujących mżna przyjąć la pracy przekształtnika mstkweg w wybranej ćwiartce ukłau -I. zy mżna wskazać która z nich jest krzystniejsza Mieczysław Nwak ISEP PW mnwak@ee.pw.eu.pl luty/marzec 005