PRZEKSZTAŁTNIKI DC DC

background image

Przekształtniki DC/DC.

Wiadomości podstawowe

Regulatory napięcia i prądu stałego jako układy energoelektroniczne

służą do sterowania przepływu energii elektrycznej prądu stałego.

Wykorzystywane

są do zasilania prądem stałym odbiorników takich

jak: źródła światła, źródła ciepła, silniki prądu stałego - zapewniając
jednocześnie możliwość regulacji parametrów przekształcanej energii.

Przekształtniki te są najczęściej zasilane z sieci prądu stałego lub

baterii akumulatorów.

Dynamiczny rozwój sterowalnych elementów półprzewodnikowych

pozwolił na osiągnięcie mocy jednostkowych tych urządzeń do
kilkudziesięciu kilowatów.

Dużą zaletą regulatorów jest łatwa i prosta regulacja przekształcanej

energii. Przy projektowaniu urządzeń energoelektronicznych występują
istotne różnice podczas stosowania w pełni sterowalnych tranzystorów a
półsterowalnych tyrystorów, które wymagają dodatkowych obwodów do
ich wyłączenia. Dzięki prostocie układów z tranzystorami mocy są one
częściej wykorzystywane w układach przekształtnikowych.

Ogólne właściwości regulatorów napięcia stałego.

Każdy układ regulacji może być przedstawiony w postaci czwórnika,

dla którego wielkości wejściowe stanowią napięcia wejściowe,
zmieniające się w określonych granicach, i prąd wejściowy, a wielkości
w

yjściowe - prąd obciążenia i napięcie wyjściowe

Napięcie wyjściowe u

d

jest zawsze zależne od następujących

zmiennych:

- napięcia wejściowego U,
- prądu wyjściowego I

d

,

- nastawy regulacji napięcia wyjściowego,
- temperatury

,

- czasu t,

Ogólnie możemy zapisać,

,t)

,

f(U,I

U

d

d

,t)

,

f(U,I

I

d

d

background image


Charakterystycznymi parametrami dla regulatorów napięcia stałego

są:

- zakres regulacji napięcia wyjściowego

U

d

min

max

d

d

d

U

U

ΔU

- współczynnik tętnień

T

d

T

T

U

U

χ

dla I

d

;

; t = const.

gdzie:

U

T

-

wartość międzyszczytowa napięcia tętnień

U

d

– wartość średnia napięcia wyjściowego

- rezystancja wyjściowa r

0





d

d

I

U

r

0

dla U ;

; t = const.

Wielkości występujące w/w równaniach zmieniają swe wartości w

dość szerokich granicach wraz ze zmianami temperatury, czasu lub
obciążenia. Dlatego też dla określonego zakresu zmian do rozważań
przyjmuje się ich średnie wartości.

Ze względu na dużą złożoność obliczeń, do analizy tych układów

zakłada się że wszystkie elementy są idealne.

Klasyfikacja regulatorów napięcia stałego.

Ze względu na sposób regulacji napięcia rozróżniamy dwa typy

regulatorów:

Pierwszy typ regulatora to regulator

działający w sposób ciągły.


Istota regulacji napięcia wyjściowego polega na „traceniu” części

napięcia wejściowego na sterowniku S. Ideę działania tego typu
regulatorów przedstawiono na rys.1


Napięcie sterujące U

s

lub inna wielkość sterująca powoduje

zmianę rezystancji sterownika S i spadek napięcia ΔU

R

.( rys. 1a).

W regu

latorze równoległym (rys.14.1b). zmienna rezystancja

sterownika włączona jest równolegle do zacisków wyjściowych i
wywołuje dodatkowy spadek napięcia na rezystancji R

S

regulując tym

samym wartość napięcia wyjściowego U

d

.


Ujemną cechą tych regulatorów jest mała sprawność układu

wynikająca z tego, że cała nadwyżka mocy jest tracona w sterowniku.

background image

Rys. 1. Schematy regulatora typu ciągłego: a) - szeregowy,

b)

– równoległy.

Drugi typ regulatora, to regulator działający w sposób

impulsowy.

W regulatorach

tych sterownik pracuje jako łącznik, który w cyklu

pracy kolejno przewodzi i przerywa prąd wejściowy I.

Napięcie sterujące U

s

powoduje w przetworniku impulsowym zmianę

wartości współczynnika wypełnienia przebiegu w takt którego sterownik
przewodzi lub jest zablokowany.


Przez regulację stosunku czasu włączenia do czasu wyłączenia

otrzymujemy regulację średniej wartości napięcia wyjściowego U

d

.


Regulator impulsowy odznacza się wyższą sprawnością od

regulatora ciągłego ze względu na mniejsze straty mocy w sterowniku S.
Wynika to z tego, że podczas przewodzenia spadek napięcia na
sterowniku jest niewielki, natomiast w czasie odcięcia płynie przez niego
tylko niewielki prąd.


Podstawową wadą regulatorów impulsowych jest stosunkowo długi

czas reakcji na sta

ny przejściowe (np. gwałtowną zmianę prądu

obciążenia).

background image

Zasada impulsowej regulacji napięcia.

Analizę impulsowego regulatora napięcia można przeprowadzić na

podstawie uproszczonego schematu przedstawionego na rys. 2.
Podstawowym elementem regulatora j

est łącznik W, który cyklicznie

łączy źródło napięcia wejściowego U na czas T

z

i odłącza na czas T

w

=T-

T

z

.

Indukcyjność L połączona szeregowo z rezystancją obciążenia R

pozwala na utrzymanie ciągłości prądu i

d

.

Rys. 2. Uproszczony schemat impulsoweg

o regulatora napięcia.

Dioda D zamyka obwód obciążenia w czasie T

w

. Na rys.3.przedstawiono

przebiegi czasowe prądów i napięć regulatora impulsowego z rys.3

Rys. 3.

Przebiegi czasowe napięć i prądów w układzie z rys. 2.

background image

Jeżeli indukcyjność dławika będzie odpowiednio duża, to tętnienia

prądu obciążenia będą tak małe, że będzie można uważać prąd ten za
praktycznie stały.

Zakładając że regulator napięcia zbudowany jest z idealnych elementów,
moc pobrana równa jest mocy oddanej. Otrzymujemy więc:

T

T

U

U

z

d

W układach impulsowych stosunek czasu trwania impulsu T

z

do

okresu repetycji T nazywa się współczynnikiem wypełnienia impulsu

T

T

δ

z

Wartość średnia napięcia wyjściowego U

d

wynosi więc:

U

δ

U

d

Ze wzoru

wynika, że regulacja napięcia wyjściowego U

d

odbywa się

poprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsu

przy U = const.

Warto tu zauważyć, że sterowanie napięcia wyjściowego może odbywać
się poprzez zmianę szerokości impulsu sterującego T

z

przy T = const,

lub przez zmianę częstotliwości repetycji T przy T

z

= const.

Rodzaje impulsowych regulatorów napięcia.

Wyróżniamy trzy podstawowe typy impulsowych regulatorów

napięcia:

1.

Regulator z szeregowym tranzystorem i szeregowym dławikiem

background image

Rys. 4. Regula

tor z szeregowym tranzystorem i szeregowym dławikiem

Schemat regulatora przedstawiono na rys.

4. Różni się on od

przykładu przedstawionego na rys. 2. tym, że łącznik zastąpiono
tranzystorem T a rezystancję obciążenia zbocznikowano dodatkowo
pojemnością C dla zmniejszenia tętnień napięcia wyjściowego.

Działanie układu przebiega następująco. Gdy tranzystor T zostaje

wysterowany do stanu nasycenia, na dławiku L pojawia się napięcie U-
U

d

. Pod wpływem tego napięcia prąd dławika i

L

narasta. Część prądu

dławika płynie przez odbiornik, a część ładuje kondensator C (od
momentu, w którym i

L

>I

d

). Gdy tranzystor przechodzi w stan odcięcia,

prąd dławika zamyka się poprzez odbiornik i diodę D. W tym czasie prąd
dławika maleje, gdyż zwrot jego jest przeciwny do zwrotu napięcia na
dławiku, które wynosi teraz – U

d

. Zwróćmy jeszcze uwagę na to, że

zmiany napięcia wyjściowego są nieporównywalnie małe w stosunku
zmian napięcia na dławiku. Pozwala to nam traktować napięcie U

d

jako

stałe regulowane współczynnikiem wypełnienia impulsu

według

zależności:

U

δ

U

d

Ponieważ współczynnik wypełnienia impulsu przyjmuje zawsze wartości
w zakresie 0 <

< 1, to napięcie wyjściowe U

d

w tym układzie zawsze

będzie mniejsze od napięcia zasilania U.

background image

2.

Regulator z równoległym tranzystorem i szeregowym dławikiem

Rys. 5. Regulator z równoległym tranzystorem i szeregowym dławikiem

Schemat regulatora przedstawiono na rys.5.
Praca tego układu przebiega następująco. W momencie, kiedy

tranzystor T zostaje wysterowany do nasycenia dioda D przestaje
przewodzić i dzięki temu rozłączają się obwody: wejściowy (dławik L,
tranzystor T) i wyjściowy (kondensator C i obciążenie R). W obwodzie
wejściowym prąd dławika narasta liniowo tak długo, dopóki tranzystor T
jest nasycony, tzn. przez czas T

z

=

T. W tym samym czasie

kondensator C rozładowuje się prądem obciążenia. W momencie kiedy
tranzystor T zostaje odcięty, dioda D zostaje spolaryzowana w kierunku
przewodzenia i prąd dławika doładowuje kondensator. W czasie T

w

= (1-

)

.

T prąd dławika maleje liniowo, gdyż

napięcie wyjściowe jest zawsze

nie mniejsze od U

. Gdy tranzystor T jest stale odcięty, wyjście układu

jest stale połączone z wejściem poprzez dławik L i w stanie ustalonym
napięcie U

d

(

=0)=U. Charakterystyka sterowania tego układu ujmuje

zależność:

U

δ

U

d

1

1

Ze wzoru tego wynika, że napięcie wyjściowe U

d

zawsze jest większe lub

równe od napięcia zasilającego U.

background image

3.

Regulator z szeregowym tranzystorem i równoległym dławikiem.

Rys. 6. Regulator z szeregowym tranzyst

orem i równoległym dławikiem

Założenia do analizy tego układu są te same co w poprzednich

przypadkach, tzn. praca przy małych tętnieniach napięcia wyjściowego i
bezstratność elementów składowych sterownika.

W przedziale czasu

z

T

t

0

, kiedy przewodzi tranzystor T i dioda D

jest spolaryzowana zaporowo, prąd dławika i

L

zmienia się zgodnie z

zależnością:

U

dt

di

L

L

Rozwiązaniem tego równania jest funkcja:

 

t

L

U

I

t

i

L

1

Po

kolejnych przekształceniach otrzymujemy charakterystykę sterowania

dla stanu ciągłego przewodzenia dławika

U

δ

δ

U

d

1

Istotną cechą tego układu jest to, że w zależności od wartości

współczynnika wypełnienia impulsu

napięcie wyjściowe może być

zarówno mniejsze jak i większe od napięcia zasilania

.

W celu wyznaczenia charakterystyki napięciowo prądowej korzysta

się z warunku równości ładunku dopływającego do kondensatora C i
odpływającego z niego w czasie jednego okresu

Przykładową charakterystykę napięciowo-prądową przedstawiono

na rys. 7

background image

Rys. 7. Charakterystyka U

d

/U = f(

; I

d

/I

d kr

)

Analizując charakterystykę napięciowo-prądową regulatora dla

stanu przewodzenia warto zauważyć, że dla prądu obciążenia I

d

dążącym do zera napięcie wyjściowe dąży do nieskończoności.

background image

PODSUMOWANIE

U

δ

U

d

U

δ

U

d

1

1

U

δ

δ

U

d

1

0 ≤ U

d

≤ U

U ≤ U

d

0 ≤ U

d

≤ k

.

U

(nieodwracający)

(nieodwracający)

(odwracający)


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron