Przekształtniki prądu stałego
advertisement
Przekształtniki napięcia stałego na stałe Buck converter S1 – łącznik w pełni sterowalny, przewodzi prąd ze źródła zasilania do odbiornika S2 – łącznik diodowy – zwiera prąd odbiornika przy otwartym S1 U2 = U1/A, I1 = I2/A (dla przypadku idealnego), A ≥ 1 Przekształtnik obniżający napięcie Przykład obwodu Odbiornik nie jest idealnym źródłem prądowym (indukcyjność + rezystancja) – stąd oscylacje prądu Regulacja napięcia wyjściowego: z z A = const., regulacja przez zmianę częstotliwości (PFM) T = const., regulacja przez zmianę A (PWM) Boost converter U1 = (1-1/A)U2, I2 = (1-1/A) I1, A ≥ 1 Układ podwyższający napięcie Przykład układu Gdy tranzystor przewodzi, energia ze źródła napięciowego E jest magazynowana w indukcyjności dławika. Po otwarciu tranzystora, przez diodę jest ona przekazywana do źródła U2 Buck-boost converter Połączenie dwóch poprzednich układów Wszystkie przedziały pracy są aktywne z z Przy zamkniętym S1 ze źródła U1 pobierana jest energia Przy „zamkniętym” S2 energia przekazywana jest do źródła U2 Źródło prądowe służy wyłącznie do przekazywania energii między U1 i U2; średnia wartość napięcia na jego zaciskach musi być równa zeru: 1 U ⎛ 1⎞ stąd U = U + ⎜1 − ⎟U = 0 U =− 1 A 1 ⎝ A⎠ 2 2 A −1 Dla A > 2 U2 < U1; dla A = 2 U2 = U1, dla A < 2 U2 > U1 Przykładowe rozwiązanie Przy założeniu A < 2 Energia z U1 przez dławik jest przekazywana do źródła U2 Rozwiązanie np. regulatora ładowania akumulatora z ogniw słonecznych Dla A > 2 ze źródła U1 pobierany byłby tylko prąd magnesujący dławika. Przetwornica Cuka (buck-boost) Układ dualny do poprzedniego I= 1 ⎛ 1⎞ I 2 + ⎜1 − ⎟ I 1 = 0 A ⎝ A⎠ U2 = − I 2 = −( A − 1)U1 U1 A −1 Cykl pracy przetwornicy Cuka W pierwszym etapie (klucz włączony) energia z VIN jest magazynowana w dławiku L1 Rozłączenie klucza powoduje ładowanie kondensatora C1 energią ze źródła powiększoną o tę z dławika (dioda przewodzi) Ponowne załączenie klucza powoduje dołączenie kondensatora C1 równolegle do diody; C1 staje się źródłem napięcia dla obwodu obniżającego napięcie L2,C2 Charakterystyki przekształtników DC-DC Charakterystyki poprzednich obwodów przebiegały w I ćwiartce układu współrzędnych napięcie wyjściowe – prąd wyjściowy Istnieją aplikacje praktyczne wymagające przebiegów charakterystyk w dwóch (lub więcej) ćwiartkach układu z z z Przykład – maszyna prądu stałego Konieczne jest uzyskanie obu znaków wielkości zależnych Źródło zasilania musi być zdolne do przyjmowania energii, a odbiornik do jej oddawania Przekształtniki dwukwadrantowe ⎛2 ⎞ ⎛2 ⎞ U d 2 = ⎜ − 1⎟U1 , I d 1 = ⎜ − 1⎟ I 2 ⎝A ⎠ ⎝A ⎠ Oba łączniki aktywne (S1 i S1a) sterowane jedną funkcją Dla A = 2 energia nie jest przekazywana do odbiornika Dla 1 ≤ A < 2 Ud2 i Id1 są dodatnie Dla A > 2 Ud2 i Id1 przyjmują wartości ujemne – energia ze źródła prądowego jest przekazywana do napięciowego W obu przypadkach Ud2 ≤ U1 i Id1 ≤ I2 (jak w przetwornicy buck) Przykładowy obwód Praca silnikowa Praca generatorowa Drugi sposób sterowania Praca silnikowa Praca generatorowa Jeśli T1a stale włączony, zaś T1 sterowany (lub odwrotnie), to charakterystyki w I ćwiartce. Jeden z łączników D1, D1a jest wówczas sterowany odwrotnie niż T, zaś drugi jest stale wyłączony Pracę w drugiej ćwiartce uzyskuje się wyłączając na stałe jeden z tranzystorów i sterując drugim. Jedna z diod przewodzi przez cały czas Tętnienia prądu dwukrotnie mniejsze niż w przypadku sterowania symetrycznego Przekształtnik dwukwadrantowy zasilany ze źródła prądowego ⎛ 2⎞ ⎛ 2⎞ U d 1 = ⎜1 − ⎟U 2 , I d 2 = ⎜1 − ⎟ I d 1 ⎝ A⎠ ⎝ A⎠ Topologia i schemat sterowania dualna do poprzedniego przypadku 1 ≤ A < 2 – praca w zakresie drugiej ćwiartki W obu przypadkach U2 > Ud1 i I1 > Id2 (jak w przetwornicy boost) Przykładowy układ Układ regulacji prędkości kątowej maszyny obcowzbudnej prądu stałego Przekształtnik czterokwadrantowy Możliwa praca silnikowa i generatorowa przy obu kierunkach wirowania twornika Równoległe łączenie przekształtników Składowe oscylacyjne napięć i prądów przekształtników DC-DC są źródłem problemów z z W prądzie twornika maszyny prądu stałego powodują wzrost strat mocy, mogą generować pasożytnicze momenty elektromagnetyczne W zasilaczach elektroniki mogą być przyczyną nieprawidłowej pracy Im mniejsza amplituda i większa częstotliwość składowych oscylacyjnych, tym mniejsze wymagana stawiane obwodom filtrującym Łączenie pojedynczych układów o przesuniętych w fazie przebiegach sterujących wymaga zastosowania dławika kojarzącego Połączenie równoległe dwóch przekształtników Ilustracja zasady redukcji wyższych harmonicznych w wielkościach zależnych Występowanie wyłącznie parzystych harmonicznych Zerowanie harmonicznych parzystych, dla których n/A jest liczbą całkowitą.
