Раздел: Документация

0 ... 29 30 31 32 33 34 35 ... 49

6х

Чыж

Рис 4.10. Импульсный регулятор с LC-фильтром. а-схема б-диаграммы токов н напряжений в режиме работы с непреглшным током iL, Г-диаграммы тока н напряжения в режиме работы с прерывистым током iL

Из (4.10) следует, что ток iL будет нарастать по линейному закону

»l=l(0)+-}-

(4.11)

где iL(0) — ток, проходящий через реактор в момент включения транзистора.

В момент времени t = tx происходит выключение транзистора (размыкание ключа). В схему введен диод VD, через который в момент размыкания ключа начинает протекать ток iL. При отсутствии диода на разомкнутом ключевом элементе возникли бы недопустимые перенапряжения, которые привели бы к выходу его из строя. Переход в проводящее состояние диода VD равнозначен закорачиванию входа фильтра (если считать диод идеальным, падение напряжения на котором равно нулю). В результате к реактору фильтра прикладывается напряжение нагрузки £/вых в направлении, уменьшающем ток iL, что можно выразить уравнением

dt

(4.12)

Из (4.12) следует, что ток в реакторе начнет убывать по

линейному закону: iL = iL(h)—jt, где iL(ti)—ток в момент

ti, когда происходит размыкание ключа.

Затем в момент t2 снова происходит включение ключа, и ток iL начинает увеличиваться.

Если к концу интервала разомкнутого состояния ключа ток iL не успевает снизиться до нуля, то такой режим работы называют режимом непрерывного тока. На рис. 4.10,6 представлены диаграммы токов и напряжений на элементах схемы в режиме работы с непрерывными токами, который является для большинства схем основным. Пульсация тока в реакторе

д,-£ J«-")-\(4.13)

Пульсацию выходного напряжения Д£/вых можно определить, исходя из следующих соображений. В установившемся режиме работы схемы с нагрузкой Rs средние значения токов в реакторе и нагрузке равны между собой. Следовательно, среднее значение тока, протекающего через конденсатор, равно нулю, и изменение напряжения на нем (т. е. пульсация) определяется только пульсацией тока iL. Когда ток iL выше среднего значения /н, напряжение на конденсаторе увеличивается, а когда меньше — уменьшается. Учитывая сказанное, можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи реактора и конденсатора в следующем виде:

l=2AUBmC,(4.14)

где Т—период переключения ключевого элемента; AiL/2— среднее значение тока, поступающего в конденсатор за время, равное Т/2, когда напряжение на конденсаторе изменяется на 2Ас7вых.

Подставив в (4.14) вместо AiL выражение (4.13) и учтя (4.6), полУчим

Для получения малых всплесков и провалов выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки необходимо индуктивность фильтра выбирать по возможности малую, а емкость — большую. В этом случае в области малых нагрузок схема будет - работать в режиме с прерывистыми токами. На рис. 4.10, в представлена диаграмма тока iL и напряжения на ключевом элементе (транзисторе) в прерывистом режиме. Когда ток в реакторе спадает до нуля, диод VD выключается и на ключевом элементе напряжение становится равным разности входного и выходного напряжений, что и отражено ступенчатообразной формой кривой напряжения на транзисторе.

При расчете схемы с последовательным ключевым элементом, работающей в режиме с непрерывным током

195

---

iL и регулируемой по способу ШИМ, исходными данными обычно являются среднее значение- выходного напряжения регулятора Ud и относительное изменение входного напряжения

§„=+Дс7вх/с7вх,и,

где с7вх„ — номинальное значение входного напряжения; AUBX— абсолютное отклонение входного напряжения (предполагается, что отклонения вверх и вниз относительно номинального

Учитывая возможности системы управления регулятора, задаются минимальным значением времени Разомк"У™™ стояния ключа tpmin и частотой его переключения она может обеспечить. Затем определяют минимальное значе ние входного напряжения согласно (4.6) по формуле

U

Hi (4.16)

вх min /

J

Зная относительные значения отклонений входного напряжения от номинального, определяют номинальное входное напряжение

UBX,H=UBxmiJ{\-bv).(4.17)

Согласно (4.17) выбирают напряжение регулятора источника постоянного тока, например выпрямителя с трансформатором, питающимся от сети с известным напряжением. Максимальное значение входного напряжения определяется по формуле

UBXmax=UBX,H{l+8v).(4.18)

По UBxmax определяют максимальное значение времени разомкнутого состояния ключа tpmax и соответственно диапазон изменения скважности работы ключа регулятора напряжения:

1 Л и*

tn max Л

р max

вх max

Л ик 1

(4.19)

ч mm \ ft

1 Jipmin

l

Я.max "

i-ft

p max

Параметры фильтра можно определить по q, используя выражение (4 15). Следует отметить, что в схеме может быть прим?неТи многозвенной фильтр, расчет параметров которого можно производить по формулам, приведенным в § z.b, определив предварительно кп по (4.9) при qmax.

S)

LBxmcn(t1)

Рис 4.11. Импульсный регулятор с параллельным ключевым элементом: о—схема; 6—диаграммы изменения магнитного потока и входного тока

Среднее значение тока через регулирующий элемент равно среднему значению тока нагрузки /н, а максимальное с учетом пульсации равно

/кт« = /н + А»ь.(4-20)

Рассмотрим теперь вариант схемы с параллельным ключевым элементом (рис. 4.11, а). Схемы подобного типа могут различаться соотношением чисел витков, определяемых отводом от обмотки реактора фильтра, с которой соединен ключевой элемент (транзистор VT). Соотношение чисел витков в принципе не изменяет характер процессов, протекающих в схеме, но влияет на параметры, характеризующие ее работу. Предположим, что в момент времени г = 0 транзистор VT включается. Часть обмотки реактора с числом витков w2 оказывается подключенной к источнику питания с напряжением £УВХ, и в ней начинает нарастать "входной ток регулятора iBx. Для интервала открытого состояния транзистора VT можно написать следующее уравнение:

= 2%,(4.21)

at

где L2 — индуктивность части обмотки реактора с числом

ВИТКОВ И>2-

Согласно (4.21) ток *вх изменяется линейно и за время замкнутого состояния ключа нарастает до

<(i) = ».

C(0) + f4

(4.22)

гДе (О)

w2 в момент

максимальный ток в обмотке

замыкания ключа (в моменты замыкания и размыкания ключа входной ток изменяется скачком, о чем подробнее говорится далее).

На интервале замкнутого состояния ключа происходит накопление энергии в индуктивности L2, а напряжение на

---

выходе регулятора равно напряжению на конденсаторе с, который разряжается на нагрузку ./?„. В момент времени t = t± происходит размыкание ключа. В результате к обмотке vf1; индуктивность которой равна Ll5 будет приложено напряжение, равное разности входного и выходного напряжений. Следовательно, для интервала разомкнутого состояния ключа можно записать

Um-Un = L.(4.23)

at

В рассматриваемой схеме и>1>и>2, поэтому выходное напряжение больше входного. Следовательно, ток будет уменьшаться, и в конце интервала разомкнутого состояния ключа при г = г2 он будет иметь минимальное значение

«« ты (h) = i„ min (tl)-{U"-U tp,(4.24)

где iBxmi„(ti) — минимальный ток /вх в момент размыкания ключа.

Скачкообразное изменение входного тока в моменты коммутации ключа объясняется следующими явлениями. Поскольку магнитный поток Ф в магнитопроводе реактора скачком изменяться не может, то в момент размыкания ключа должно сохраняться равенство магнитодвижущих сил его обмоток, т. е. при Ф = const

*вх max (t 1) W2 = lBX mi„ {tl)w1.(4.25)

Из (4.25) следует, что при включении транзистора vt (размыкание ключа) ток в обмотке w2 реактора скачком изменится и станет равным

<Mmi2) = .(4-26)

При разомкнутом состоянии ключа весь ток /вх будет поступать в нагрузку RH и конденсатор С, а следовательно, и энергия, накопленная в индуктивности L2, будут передаваться в нагрузку, частично запасаясь в конденсаторе для поддержания напряжения на нем в период замкнутого состояния ключа. Следует напомнить, что в данном случае рассматриваются установившиеся процессы работы ключа, характер которых идентичен в течение каждого периода. Поэтому ток /вх (0) в начале замкнутого состояния ключа с учетом (4.26) можно выразить соотношением

max (0) = /» max(t2) = -К .(4.27)

Диаграммы изменения входного тока (в обмотке и>2), а также тока транзистора КГ представлены на рис. 4.11,6. Из изложенного следует, что реактор в данной схеме выполняет две основные функции: ограничивает максимальное значение тока, потребляемого от регулятора источника, являясь таким образом входным фильтром, и накапливает энергию при замкнутом состоянии ключа для последующей передачи ее в нагрузку. Последнее позволяет получать на выходе регулятора более высокое напряжение, чем входное. Связь входного и выходного напряжений (средних значений), если полагать, что выходное напряжение достаточно сглажено, выражается следующим соотношением:

ивых=ивх\ 1+)=с7вх 1+-

*iW L w2(q-\)j

Очевидно, что, изменяя скважность q по определенному закону, можно регулировать выходное напряжение. Параметр и>! / и>2 позволяет при проектировании регулятора согласовывать значения входного и выходного напряжений. Однако при этом следует учитывать, что с уменьшением скважности растет максимальное значение напряжения на ключевом элементе, которое равно

Uxmax=U*xminqn?\(4.29)

где UBXmi„ — минимальное входное напряжение, определяющее минимальную скважность qmi„.

При проектировании регулятора, рассчитав по (4.27) допустимую скважность qmi„ при заданном значении UBxmin и значении ififmax, определяемом типом выбранного ключевого элемента, находят параметр m — w1/w2

ГП = ——-(tfm.n-l)-(4.30)

Свх min

Затем по заданному максимальному входному напряжению (7ИЛШ1 определяют максимальное значение скважности мг, используя формулу

Свых вх maxМ/ л 1 \

qmax =-j, п --■(4.31)

вых Свх max

Расчет параметров реактора в данной схеме можно производить по методике, приведенной в [18]. При этом обычно индуктивность L2 рассчитывается из условия обеспечения непрерывности тока jbx во всех режимах работы регуляторов.

Импульсные регуляторы на большие мощности разрабатываются обычно на основе тиристоров, которые выполняют функции ключевых элементов схемы. При использовании

0 ... 29 30 31 32 33 34 35 ... 49