Teoria Przekształtników - kurs elementarny

Transkrypt

1 Teria Przekształtników - kurs elementarny W5. PRZEKSZTAŁTNIKI IMPSOWE PRĄD STAŁEGO -(1) [2 str , str , 6 str ] Jest t grupa przekształtników najliczniejsza bwiem znajduje zastswanie jak zasilacze urządzeń infrmatycznych i multimedialnych. Częst współpracują ne z przekształtnikami sieciwymi - prstwnikami. Pdstawą d klasyfikacji przekształtników impulswych są : 1. Relacja napięcia wyjściweg i wejściweg, bniżający,(zstępujący, step-dwn, buck) pdwyższający (wstępujący, step-up. bst) bniżając-pdwyższający ( up-dwn, buck-bst) 2. Izlacja galwaniczna lub jej brak ( transfrmatrwe, bezpśrednie) 3. Jeden lub dwa kierunki przepływu energii 4. Spsób przełączania: tward lub miękk przełączające. Pwszechnie przyjęł się znaczanie tej grupy symblem z j. angielskieg - DC/DC. Pdstawwe tplgie przekształtników DC/DC są twrzne z zastswaniem kanniczneg trójnika jak na rys a. Zrealizwane z jeg zastswaniem układy dpwiadające pdziałwi w punkcie 1 przedstawin na rys. 5.1.b-d Rys Pdstawwe układy przekształtników impulswych: a) pstać kanniczna łącznika w przekształtniku impulswym, b) przekształtnik zstępujący ( bniżający), c)przekształtnik wstępujący (pdwyższający), d) przekształtnik zstępując-wstępujący (bniżając-pdwyższający). Prblem: Dlaczeg p jednej strnie zestawu łączników twrzących przekształtnik bwód ma charakter prądwy (filtr indukcyjny) t p drugiej musi mieć charakter napięciwy (filtr pjemnściwy)? Czy układy z rys b..c spełniają t kryterium? Przekształtnik zstępujący - bniżający napięcie [ ] Dla przeanalizwania pdstawwych zjawisk i właściwści grupy przekształtników psłuży w pierwszym rzędzie układ d regulacji napięcia stałeg w sytuacji gdy napięcie dbirnika jest mniejsze d napięcia źródła zasilająceg.

2 Teria Przekształtników - kurs elementarny Rys.5.2. Przekształtnik bniżający napięcie (zstępujący): schemat a) i pdstawwe przebiegi napięcia i prądu b) Przekształtnik pracuje przy kreślnej (zadanej) częsttliwści f s = 1/T s raz przy nastawianym współczynniku wypełnienia D (ang. duty rati) definiwaneg jak tn D T Wielkścią nastawianą na wyjściu jest wartść średnia napięcia w kresie impulswania T s S D d Prblem: Jaki warunek jest knieczny aby wzór 0 =D d był spełniny? Prblem: Jak prąd średni źródła zasilania zależy d współczynnika D i prądu dbirnika I Odbirnik (wraz z filtrem) mże być traktwany jak bwód E( R0) Prąd w dbirniku mże być prądem ciągłym (tryb pżądany) lub prądem impulswym (przy małych bciążeniach). Przy przewdzeniu ciągłym przebieg prądu w warunkach pracy ustalnej ( (AV) = E ) mże być wyznaczny na pdstawie równań uwzględniających liniwą zmianę prądu w czasie wynikającą z rzwiązania równania: di dt gdzie - napięcie na indukcyjnści Zgdnie z rysunkiem 5.2.b mżna napisać równania w kresie łączeń dla przedziałów przewdzenia tranzystra i przewdzenia didy rzładwczej. i i ( t t ( t t 1 ) I 2 1 ) I 2 d E ( t t E ( t t2 ) 1 )

3 W stanie ustalnym bwiązuje: I E Teria Przekształtników - kurs elementarny E t D d I t n 2 1 n; I 1 I 2 tff ; d d Ts względniając pwyższe mżna wyprwadzić wzór na tętnienie prądu definiwane dla stanu ustalneg jak dchyłka wartści maksymalnej wartści średniej prądu I d 2 f S E D(1 D) Wartść średnia prądu dbirnika jest wielkścią wynikającą z bciążenia dbirnika i rezultatem działania bwdu regulacji Rys.5.3. Zależnść względneg tętnienia d współczynnika D Wykres dwzrwujący pwyższą zależnść ( Rys. 5.3) wskazuje, że przy ustalnej (!) wartści napięcia d największe tętnienia występują dla współczynnika D = 0,5. W zastswaniach impulsweg sterwnika jak zasilacza napięciweg ważne jest kreślenie tętnienia napięcia wyjściweg na kndensatrze wyjściwym filtru. Przy przewdzeniu ciągłym i kreślnym tętnieniu prądu wpływająceg d kndensatra mżna tętnienia napięcia wyznaczyć na pdstawie zależnści wyprwadznej w parciu przebiegi z rys.5.4. Rys.5.4. Przebiegi ilustrujące metdę wyznaczania tętnienia napięcia przy kreślnych parametrach C filtru

4 Teria Przekształtników - kurs elementarny Ładunek dpwiadający półfali tętnień prądu pwduje zmianę napięcia kndensatra pdwójną wartść tętnień. Oznacza t że: C Q 2C TS I 2 2 2C C Pnieważ 16 C I (1 D) T T 2 2 S S (1 D) Pwyższa zależnść zapisana w pstaci uwzględniającej względne tętnienia dniesine d wartści napięcia wyjściweg: C 2 f (1 ) 4 r D f S 2 gdzie mże służyć d dbru parametrów C filtru ( fr częsttliwść reznanswa) Prblem: Jaką wartść współczynnika D nastawianeg w przedziale (D min...d max ) należy uwzględnić w pdanym wzrze prjektując filtr d zasilacza stałym napięciu wyjściwym i zadanej maksymalnej wartśći C / Metdy sterwania przekształtnikiem DC/DC a) Sterwanie napięciem przez zmianę współczynnika D przy stałej częsttliwści (f S = cnst) przy stałym czasie przewdzenia łącznika i zmiennej częsttliwści Isttę bydwu dmian sterwania ilustruje rys f r 2 1 C t Rys.5.5. Ilustracja metdy regulacji przy stałej częsttliwści i zmiennym czasie przewdzenia (a) i przy zmiennej częsttliwści i stałym czasie przewdzenia łącznika sterwaneg (b)

5 Teria Przekształtników - kurs elementarny b) Sterwanie prądem przez zastswanie regulacji nadążnej (regulacja histerezwa) Isttę teg sterwania wyjaśnia rysunek 5.6. Rys.5.6. Ilustracja metdy regulacji histerezwej: schemat idewy (a) i przebiegi ilustrujące działanie układu przy zmianie zadanej wartści prądu i nie zmieninym napięciu dbirnika ( na górze) i przy niezmieninym prądzie i zmieninym napięciu dbirnika ( na dle) Jak widać, w zależnści d wartści napięcia wewnętrzneg zmienia się częsttliwść łączeń. Zależnść częsttliwści łączeń d parametrów bwdu i zadanej wartści histerezy prądu mże być wyprwadzna z zależnści na tętnienia prądu z uwzględnieniem, że D= E /d raz że I = I h. f S E E (1 d 2I h d d ) Prblem: Jak wygląda charakterystyka zależnści częsttliwści łączeń d wartści napięcia wewnętrzneg E dbirnika przy regulacji histerezwej? Prblem: Dlaczeg regulacja histerezwa jest dynamicznie najbardziej efektywna w prównaniu z sterwaniem z regulatrem liniwym? Prblem: Jaka jest pdstawwa wada metdy regulacji nadążnej prądu

6 Teria Przekształtników - kurs elementarny Zmiana kierunku przekazywania energii (zwrt energii) [2str. 209] Rys.5.7. kład umżliwiający zwrt energii z dbirnika niższym napięciu wewnętrznym d źródła wyższym napięciu.: schemat a) i charakterystyczne przebiegi -b) Niekiedy jest knieczne dzyskanie energii z dbirnika w tzw. hamwaniu regeneracyjnym. Knieczne jest wtedy zamienienie w tplgii bwdu gałęzi tranzystra z didą rzładwczą, która przyjmie funkcję tzw. didy zwrtnej (Rys. 5.7.a) - w praktyce jest t związane z dknaniem przełączeń. Jeżeli uwzględnić, że współczynnik załączenia didy D* jest dpełnieniem współczynnika załączenia tranzystra D d jednści ( D*=1-D) t wartści napięć źródła dbirnika (wartść średnia) są związane relacją D* (1 D) d Rzwiązanie przekształtnika wg. rysunku 5.7 zapewniające zmieniny kierunku prądu w dbirniku przy zachwaniu kierunku (znaku) napięcia mżna uznać za kmplementarne w stsunku d rzwiązania z rys.5.2. Oznacza t że stsując bydwa układy dyspnuje się mżliwścią dstarczania i dbierania energii przez źródł zasilania wyższym napięciu niż źródł wewnętrzne dbirnika. Przekształtnik wstępujący - pdwyższający napięcie [5: str. 169] Praktycznie ten sam układ jak na rys.5.7 jednak innej przypisanej funkcji -jest analizwany jak przekształtnik wstępujący (step-up, bst). Wprwadzając niejak lustrzane dbicie d schematu z rys. 5.7.a uzyskuje się schemat wg rys.5.8. reprezentujący przekształtnik pdwyższający napięcie. d Rys.5.8. Przekształtnik pdwyższający napięcie : schemat (a) i przebiegi napięcia i prądu (b)

7 Teria Przekształtników - kurs elementarny Dla wyznaczenia pdstawwej charakterystyki sterwania takieg układu mże psłużyć pprzedni wzór w którym zamienin rlą napięcie i d. zyskuje się wtedy: d ( 1 D) Prblem: Jaka zależnść wiąże wartść średnią prądu na wejściu i wyjściu przekształtników wg. rys. 5,2, 5.7 i 5.8. Prblem: Jaka zależnść wiąże wartść skuteczną prądu na wejściu i wyjściu przekształtników wg. rys. 5,2, 5.7 i 5.8. Przekształtnik wstępujące mgą służyć tylk d pdwyższania napięcia w granicznym zakresie. Praktycznie siągany i senswny zakres zwiększania napięcia tą drgą wynsi 2 d 5. Przy większych przekładniach napięciwych niezbędne jest stswanie transfrmatrów dpaswujących i stswnych układów przekształtników Przekształtnik zstępując-wstępujący (bniżając-pdwyższający) Trzeci z pdstawwych przekształtników wywdzących się z pstaci kannicznej charakteryzuje się mżliwścią nastawiania napięcia pwyżej i pniżej wartści napięcia zasilania. unkcjnwanie teg układu bjaśnine zstanie skrótw przy pmcy schematu i przebiegów z rysunku 5.9. Rys Schemat układu przekształtnika zstepując-wstępująceg (a) i dpwiednie przebiegi napięcia i prądu (b) W czasie gdy przewdzi tranzystr T prąd w indukcyjnści narasta pwiększając zgrmadzną w niej energię. W przedziale kresu łączeń T s gdy tranzystr jest wyłączny prąd indukcyjnści przejmuje dida i energia z indukcyjnści jest przekazywana d bwdu wyjściweg ładując kndensatr d któreg jest dłączny dbirnik. Analiza wskazuje, że napięcie dbirnika ma przeciwną plaryzację d znacznej na rysunku. Dla wyznaczenia zależnści napięcia wyjściweg d współczynnika D i napięcia zasilania należy psłużyć się warunkiem równej zeru wartści średniej napięcia na dławiku w cyklu pracy. Zapisując

8 Teria Przekształtników - kurs elementarny ten warunek jak Dd ( 1 D) 0 dchdzi się d wzru na charakterystykę sterwania. D ( 1 D) d Znak - uzyskany na drdze frmalneg przekształcenia ptwierdza zmianę znaku (dwrócenie fazy) napięcia wyjściweg względem przyjętych znaczeń. Wzór jest słuszny jedynie w przypadku ciągłeg prądu w indukcyjnści. Przekształtniki dwukierunkwe (wielkwadrantwe) [5: str ] Przekształtniki tzw. wielkwadrantwe są t układy złżne z przekształtników jednkierunkwym przepływie mcy. Dzięki zdwjeniu liczby elementów mżliwe jest kntrlwane, płynne, elektrnicznie sterwane zmienianie kierunku przepływu energii czyli zmianę znaku mcy. Klasyfikacja układów wielkwadrantwych jest parta usytuwanie bszaru mcy przekształtnika w układzie współrzędnych -I ( prąd i napięcie wyjściwe). Zgdnie z rysunkiem 5.10 mżna wyróżnić układy 2-kwadrantwe pracujące przy jednkierunkwym napięciu, 2-kwadrantwe pracujące przy jednkierunkwym prądzie i 4-kwadrantwe. Rys Przyprządkwanie kwadrantów pracy w układach wielkwadrantwych na płaszczyźnie -I Przekształtnik dwukierunkwym prądzie Schemat przekształtnika pdany na rys.5.11 wskazuje,że jest t kmpzycja układów wg. rys. 5.2 i 5.7. przy czym dla jedneg kierunku pracuje para zaznaczna symblem + a dla drugieg znaczna -. unkcje każdeg z układów dpwiadają dkładnie tym, które pisan pwyżej dla układów prstych. Spsób sterwania bydwu łączników, który należy uznać za najbardziej uzasadniny t naprzemienne załączanie bydwu tranzystrów w każdym cyklu niezależnie d kierunku prądu. O kierunku prądu decyduje czy wartść średnia napięcia na wyjściu przekształtnika (AV) = D 1 d jest większa

9 Teria Przekształtników - kurs elementarny czy mniejsza d napięcia dbirnika ( ) przy czym D jest dniesine d tranzystra T1. (tranzystr T2 jest załączany z współczynnikiem D 2 =1-D 1 ) Rys Schemat przekształtnika dwukierunkwym prądzie wyjściwym (T+, D+ - ddatni kierunek prądu, T-,D- ujemny kierunek prądu dbirnika) Przekształtnik dwukierunkwym napięciu. Schemat układu, który cechuje tylk jeden kierunek prądu dbirnika natmiast napięcie średnie na wyjściu mże zmieniać znak przedstawia rys Rys Schemat przekształtnika dwukierunkwym napięciu wyjściwym (a), przebiegi przy ddatnim napięciu wyjściwym ( D>0,5) -(b) ; przebiegi przy ujemnym napięciu (c) Tranzystry T1 i T2 są załączane jedncześnie a w części cyklu kiedy przewdzą na dbirniku typu E występuje napięcie ddatnie (+ d ) i prąd narasta (na indukcyjnści występuje napięcie ddatnie + d -E ). P wyłączeniu tranzystrów przewdzenie pdejmują didy, na dbirniku występuje ujemne napięcie(- d ). Prąd maleje b napięcie na indukcyjnści jest ujemne i równe - d -E

10 Teria Przekształtników - kurs elementarny Przy tak kreślnej sekwencji w cyklu i przy załżeniu, że prąd w dbirniku jest ciągły mżna zapisać zależnść na wartść średnią napięcia wyjściweg w funkcji D (charakterystykę sterwania) ( 2D 1) d Warunkiem uzyskania pprawnej pracy układu przy ciągłym prądzie przy <0 jest czywiście becnść ujemneg napięcia wewnętrzneg E <0. Prblem: Przy jakiej wartści D w układzie z rys wystąpi największe tętnienie prądu? Przekształtnik dwukierunkwym napięciu i prądzie dbirnika (czterkwadrantwy) Złżenie dwóch układów dwukierunkwym prądzie lub dwóch układów dwukierunkwym napięciu prwadzi d pełneg mstka schemacie jak na rys będąceg układem czterkwadrantwym Rys Mstkwy przekształtnik czterkwadrantwy Prblem: Jakie mżliwe sekwencje impulsów sterujących mżna przyjąć dla pracy przekształtnika mstkweg w wybranej ćwiartce układu -I? Czy mżna wskazać, która z nich jest krzystniejsza? Prblem: Należy prównać szkicując w jednym układzie współrzędnych charakterystyki sterwania dla przekształtników wg rysunków 5.2, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 5.11, 5.12 Prblem: Jak kształtuje się charakterystyka zewnętrzna =f(i ) przekształtnika step-dwn (rys.5.2) pracująceg z filtrem C i przy ustalnym współczynniku D (np.0,5) przy zmianie prądu bciążenia d zera d 5I g (wartść I g dpwiada przejściu prądu w indukcyjnści d impulsweg d ciągłeg).