Wybrany układ ac/dc o sinusoidalnym prądzie wejściowym

W większości, klasyczne układy napięcia stałego, np. tyrystorowe przekształtniki sieciowe o sterowaniu fazowym, cechuje mała wartość współczynnika mocy oraz duże odkształcenie przebiegu prądu pobieranego z sieci zasilającej.

W najprostszych rozwiązaniach, przekształtnik połączony z linią zasilającą ma strukturę mostka diodowego. Do zacisków wyjściowych takiego przekształtnika są podłączone kondensatory o dużych pojemnościach zapewniających filtrację napięcia wyprostowanego. Cykliczne doładowywanie kondensatora jest również przyczyną dużego odkształcenia prądu pobieranego z sieci i małej wartości współczynnika mocy (
).

Dla polepszenia kształtu prądu pobieranego z sieci zasilającej stosuje się elementy pasywne (dławiki i kondensatory) w postaci odpowiednio dobranych filtrów na wejściu (po stronie zasilania) oraz wyjściu układu. Mogą one polepszać kształt prądu i współczynnika mocy układu, przy takim samym (w przybliżeniu) współczynniku sprawności, jednak zwiększają koszt i wielkość układu, a także w dużym stopniu uzależniają napięcie wyjściowe od zmian napięcia zasilania oraz parametrów obciążenia.

Znacznie lepsze właściwości mają układy, w których pomiędzy prostownikiem niesterowanym a kondensatorem filtru włączone są przekształtniki DC/DC, wykorzystujące tranzystory sterowane metodą modulacji szerokości impulsów. Układy takie, nazywane zasilaczami impulsowymi AC/DC są stosowane coraz częściej do zasilania różnego rodzaju urządzeń elektronicznych, komputerów, ładowarek akumulatorów itp.

Zadaniem impulsowych przekształtników AC/DC jest głównie: stabilizacja napięcia wyjściowego na zadanym poziomie, przy minimalnej zawartości składowej przemiennej (minimalne tętnienia), odporność na zmiany napięcia zasilającego (sieciowego) oraz prądu obciążenia. Układy te powinny umożliwiać regulację napięcia w zadanych granicach, a także utrzymywać napięcie wyjściowe na określonym poziomie, gdy napięcie wejściowe zanika częściowo lub całkowicie na określony czas. Powinny także cechować się małymi wymiarami i ciężarem oraz dużą sprawnością. Dodatkowo prąd źródła zasilającego taki układ powinien mieć przebieg prawie sinusoidalny, nie przesunięty w stosunku do przebiegu napięcia.

Realizacja tych wymagań powoduje, że przekształtniki impulsowe aktywnie kształtujące prąd zasilający muszą pracować jako układy zamknięte (z odpowiednimi sprzężeniami zwrotnymi). Przykładowy schemat blokowy takiego zamkniętego układu sterowania pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Schemat blokowy zamkniętego układu sterowania przekształtnika impulsowego.

Nadrzędną w tym układzie jest pętla regulacji napięcia wyjściowego
, które jest porównywane z wartością zadaną (wzorcową)
. Różnica obu tych napięć jest podawana na regulator o odpowiedniej strukturze (najczęściej PI lub PID). Sygnał wyjściowy regulatora jest mnożony przez napięcie sieci, dla uzyskania odpowiedniej amplitudy prądu
oraz jego synchronizacji z napięciem sieci. Sygnał prądu
jest w tym przypadku sygnałem wzorcowym prądu sieci, porównywanym z aktualnym prądem układu. Różnica tych prądów jest kierowana do bloku sterowania (o strukturze zależnej od zastosowanej metody sterowania), którego wyjściem są sygnały sterujące zaworami układu. Z uwagi na impulsowe działanie przekształtnika prądu stałego DC/DC, niezależnie od przyjętego układu regulacji, przebieg czasowy prądu pobieranego z linii zawiera tętnienia o częstotliwości równej częstotliwości przełączeń łącznika wchodzącego w skład przekształtnika DC/DC. W zależności od tego, która wartość prądu jest kontrolowana, rozróżnia się układy sterowania reagujące np. na chwilową wartość szczytową lub średnią prądu linii czy układy o dwustanowej kontroli przebiegu prądu linii (tzw. układy o zmiennej histerezie).

Zasadę działania układu aktywnego kształtowania prądu sieci przedstawiono na przykładzie najczęściej stosowanego jednofazowego układu zasilacza impulsowego, w którym funkcję tzw. korektora współczynnika mocy pełni przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie - rysunek 2.

Rys. 2. Ogólny schemat ideowy przekształtnika impulsowego AC/DC

o sinusoidalnym prądzie wejściowym

Po załączeniu łącznika
następuje przepływ prądu przez mostek i dławik
przy
. W tym czasie w polu magnetycznym dławika gromadzona jest energia. Dioda
zabezpiecza kondensator wyjściowy
przed zwarciem przez łącznik
. Po rozwarciu łącznika
prąd sieci zasilającej płynie przez diodę
do obciążenia pod wpływem napięcia
i napięcia
. W układzie sterowania sygnał wyjściowy regulatora napięcia jest proporcjonalny do amplitudy składowej czynnej prądu niezbędnej dla dostarczenia odpowiedniej energii do obciążenia. Wymagany przebieg prądu źródła powstaje na podstawie wymnożenia sygnału wyjściowego regulatora napięcia z falą sinusoidalną będącą w fazie z napięciem zasilającym.

Przykładowe, wybrane wyniki badań symulacyjnych układu o strukturze jak na rys.2 pokazano na rysunku 3.

a)

b)

Rys. 3. Przykładowe przebiegi napięć i prądów układu - rysunek 2

Na rys. 3a) przedstawiono wybrane napięcia układu: wyjściowe
, zasilające sieci
oraz jego podstawową harmoniczną
. Rysunek 3b) pokazuje przebiegi prądów: odbiornika
, zadanego (wzorcowego)
oraz sieci
. Badania przeprowadzono przy odkształconym napięciu zasilającym (
) oraz przy skoku obciążenia (w dół) w chwili
. Prąd sieci jest w fazie z podstawową harmoniczną napięcia zasilającego, a zawartość harmonicznych w tym prądzie nie przekracza 1,5%. Układ praktycznie nie reaguje na skok obciążenia, co świadczy o prawidłowym doborze regulatora napięcia, a tym samym prawidłowej pracy układu zamkniętego. W napięciu wyjściowym
(rys. 3a)) widoczne są pulsacje o podwójnej częstotliwości, ponieważ napięciowe sprzężenie zwrotne nie może skompensować tych pulsacji bez wpływu na aktualny prąd linii.

Do korekcji współczynnika mocy można zastosować różne przekształtniki DC/DC (układy podwyższające, obniżające, obniżająco- podwyższające czy układy o strukturze Čuka ). Praktycznie proponowane są już obecnie układy scalone małej mocy, umożliwiające realizację przedstawionych metod aktywnego kształtowania prądów wejściowych jednofazowych zasilaczy impulsowych o różnych strukturach.

---