Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

Рис. 100. Мостовая схема преобразователя напряжения

обмоток выходных трансформаторов, в результате чего получается ступенчатое выходное-напряжелие, как пока­ зано на рис. 99. Однако'на практике обычно используют выходные каскады, выполненные по мостовым схемам

(рис. 100). '

С помощью мостовых каскадов можно получать как прямоугольное, так и ступенчатое выходное напряжение. В первом случае все четыре транзистора переключаются синхронно, во втором каждая пара последовательно со­ единенных транзисторов переключается с помощью от­ дельных синхронных источников прямоугольного напря­ жения, сдвинутых по фазе на некоторый угол.

Потенциалы выводов первичной обмотки трансфор­ матора и кривая напряжения на первичной обмотке для мостовой однофазной схемы показаны на рис. 101. И амплитуда первой, гармоники А(, и коэффициент гармо­ ник у0 в напряжении такой формы зависят от сдвига фаз управляющих напряжений. Обозначив этот угол сдвига как 2ф' (см. рис, 101), можно записать без учета падения напряжения на открытых транзисторах:

v

(223)

где Un— - напряжение питания h-реобразователя.

и т: — 2ф j

(224)

8 cos2 б

241

Рис. 101. Электрические процессы в мостовом преобразователе напряжения

А , .

1,0

0,9 ■

0,8 ■

0,7 -

06■

0.5-

Рис. 102. Зависимость амплитуды первой гармоники и коэффици­ ента гармоник выходного напряжения от задержки переключения в регулируемых преобразователях

Эти зависимости представлены графически на рис. 102. Как видно из графиков, величина у0 в большом диапазоне изменения угла ф значительно меньше, чем в

ке ф= 23°,2 и равняется 29,0%.

Поскольку нагрузка преобразователя обычно имеет реактивный характер, ток на выходе преобразователя не совпадает по форме с напряжением, формируемым в вы­ ходном каскаде. Если нагрузка носит индуктивный ха­ рактер, или если на выходе преобразователя включены фильтры, то по форме выходной ток приближается к си­ нусоиде. В этом случае основные расчетные соотноше­ ния для однофазного мостового каскада будут выгля­ деть следующим образом.

Мощность первой гармоники, отдаваемая в нагрузку,

где Ui вых — выходное напряжение первой гармоники, приведенное к первичной обмотке выход­ ного трансформатора;

/н — действующее значение тока нагрузки, при­ веденное к первичной обмотке;

г] — суммарный КПД трансформатора и вы­ ходного фильтра.

Напряжение H iBblx с учетом падения напряжения на открытых транзисторах равно:

где Uо — остаточное падение напряжения на открытом транзисторе.

Амплитуда тока первичной обмотки трансформатора не может превышать значения максимально допустимо­ го коллекторного тока транзистора /к. макс. ДОП. Отсюда

К. макс. ДОП

(227)

V 2

2 4 3

Таким образом, наибольшая мощность, отдаваемая каскадом в нагрузку, будет равна

Отсюда амплитуда коллекторного тока транзисторов выходного каскада определяется как

(Un- 2 U 0) cos ^ cos ®

Максимальное напряжение на транзисторах выходно­ го каскада, выполненного по мостовой схеме, равно на­ пряжению питания:

ТЛс. э. макс б / п.

По этим формулам рассчитывают параметры транзи­ сторов выходного каскада. В тех случаях, когда требуе­ мый ток коллектора превышает номинальные значения коллекторных токов транзисторов, выпускаемых про­ мышленностью, необходимо включать несколько транзи­ сторов параллельно в одном каскаде или увеличивать число выходных каскадов, причем вторичные обмотки выходных трансформаторов соединяют последователь­ но. Второй метод дает возможность получить равномер­ ное распределение тока нагрузки между силовыми транс­ форматорами без применения уравнительных сопротив­ лений, хотя общие габариты выходного каскада при этом несколько возрастают.

Расчет силового трансформатора ведут, исходя из действующего значения токов обмоток и среднего выпря­ мленного значения напряжений. Принимая ток близким

2 4 4

Установленная мощность трансформатора может быть определена из уравнения:

5Т= 0,28Я„ —----(232) cos б

В большинстве расчетных формул для выходного каскада входит величина фазового сдвига ф. Как указы­ валось в начале этого параграфа, в преобразователях с постоянным углом величина его принимается равной 30°,

7Г

или — .При этом соэтф = 0,87. В преобразователях с изме-

6

няемым сдвигом фаз диапазон изменения угла ф обычно располагается симметрично относительно значения фо= 30°, а ширина его зависит от необходимого диапазо­ на регулирования напряжения. В этом случае в расчет­ ные формулы следует подставлять наиболее неблаго­ приятные значения угла ф, лежащие обычно па границах диапазона регулирования.

В преобразователях с трехфазным выходным напря­ жением также обычно используются выходные каскады, выполненные по мостовым схемам. Схема трехфазного мостового каскада показана на рис. 103. В этой схеме каждая пара последовательно соединенных транзисторов переключается отдельным источником управляющего напряжения, причем все эти источники работают син­ хронно с фазовым сдвигом 120°. В зависимости от схемы соединения обмоток выходного трансформатора выход­ ное напряжение может иметь различную форму, как по­ казано на рис. 103, б, однако спектральный состав вы­ ходного напряжения в обоих случаях одинаков.

Выходные фильтры, включаемые между выходным каскадом и нагрузкой преобразователя, предназначены для подавления высших гармонических составляющих в кривой напряжения, формируемого выходным каскадом. При этом первая гармоника выходного напряжения кас­ када должна передаваться к нагрузке практически без ослабления. Наилучшим с этой точки зрения является полосовой фильтр, схема которого показана на рис. 104. В этой схеме два резонансных контура L\C^ и £гС2 на­ страиваются на частоту первой гармоники выходного напряжения.

2 4 5

- 3

A B C

а

О

Рис. 103. Трехфазный мостовой преобразователь:

а — схема преобразователя; б — форма напряжений

о -

I

Рис. 104. Полосовой фильтр

Полагая элементы фильтра идеальными, можно счи­ тать, что для первой гармоники последовательная цепь обладает нулевым сопротивлением, а параллельная — нулевой проводимостью. Это обеспечивает прохождение первой гармоники через фильтр без затухания. Для всех высших гармонических составляющих этот фильтр представляет собой реактивный делитель напряже­ ния, состоящий из сопротивлений Z\ и Z2, причем сте­ пень ослабления повышается с увеличением номера гармоники.

Чем больше установленная мощность фильтра, тем эффективнее подавляются высшие гармоники, однако вместе с тем возрастают вес и габариты фильтра. Основ­ ной задачей расчета фильтра является определение его установленной мощности, обеспечивающей понижение коэффициента гармоник выходного напряжения до за­ данного уровня.

В полосовом фильтре при активном характере на­ грузки наилучшее ослабление высших гармоник получа­ ется в том случае, если установленные мощности всех элементов фильтра на частоте первой гармоники при пол­ ной нагрузке преобразователя равны между собой. При этом на частоте п гармоники коэффициент передачи фильтра равен:

вых

2 4 7

паиряжепия фильтра определяется следующим выраже­ нием:

емких вычислений. Расчеты, выполненные с помощью ЭЦВМ, позволили получить семейства кривых для опре­ деления параметров выходных фильтров. На рис. 105

Рис. 105. Зависимость коэффициента гармоник выходного напря­ жения преобразователя от угла ф при различных значениях установленной мощности выходного фильтра

2 4 8

представлено семейство кривых, изображающих зависи­

рис. 101.

Каждая из кривых этого семейства соответствует оп­ ределенному значению относительной реактивной мощ­

ности элементов фильтра ----- • Все кривые имеют ми­

нимум вблизи значения угла ф= 30°. Таким образом, эту величину угла ф следует считать наиболее целесообраз­ ной при проектировании нерегулируемых преобразовате­ лей.

В преобразователях с внутренней стабилизацией вы­ ходного напряжения угол .ф должен изменяться при из­ менении напряжения питания и тока нагрузки так, что­ бы величина напряжения первой гармоники на выходе преобразователя оставалась постоянной. Необходимые пределы изменения угла ф в зависимости от требуемого диапазона регулирования AU показаны на рис. 105 пунк­ тирными линиями. Минимальное значение угла ф следует принимать не меньше 10—15°.

Необходимую величину установленной мощности эле­ ментов фильтра при заданном диапазоне регулирования выходного напряжения удобнее определять с помощью видоизмененного семейства кривых, представленного па рис. 106. В зависимости от допустимого уровня коэффи­ циента гармоник в выходном напряжении необходимая относительная установленная мощность элементов фильтра определяется по кривой, соответствующей за­ данной величине диапазона регулирования. Диапазон регулирования первой гармоники выходногб напряже­ ния, определяемый как

должен иметь достаточную величину, чтобы компенсиро­ вать как колебание напряжения источника питания, так и изменение внутреннего падения напряжения в преобра­ зователе при изменении тока нагрузки.

2 4 9