Принцип импульсного регулирования напряжения

В основе работы импульсных преобразователей лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент “к”, который периодически замыкается и размыкается.

Время замкнутого (t_р) и разомкнутого (t₀) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления “СУ”. В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис 64б.

Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояний ключа К.

Согласно определению среднего значения напряжения можно записать:

(4-67)

где U_d - среднее значение напряжения на нагрузке;

t = t_р + t₀ - период переключения ключа или время цикла регулирования;

¦ = 1/t - частота переключения ключа.

Отношение (t_р /t) = g (4-68) называют коэффициентом заполнения периода рабочим импульсом. Изменяя g, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке.

Иногда рассматривается обратная величина q = (1/ g) = (t / t_р), которая называется скважностью работы ключа.

При установлении соотношений между входным и выходным напряжениями, выявляя зависимость тока импульсного преобразователя от регулирующей переменной мы будем использовать коэффициент g.

Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения коэффициента g можно рассматривать как широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке.

Возможны три способа регулирования напряжения:

Широтно-импульсное регулирование (ШИР), когда время t_р - переменное, а частота ¦- постоянная;

Частотно- импульсное регулирование (ЧИР), когда время t_р - постоянное, а частота ¦- переменная;

Широтно-частотное регулирование, когда время t_р и частота ¦ - переменные.

Чаще всего используется первый способ регулирования выходного напряжения. Его мы будем рассматривать.

Таким образом время рабочего импульса и время паузы связаны с g соотношениями:

t_р = gt (4-69)

t₀= (1- g)t (4-70)

Схема регулирования напряжения и диаграмма, изображенные на рис 64, могут быть реализованы лишь при активном сопротивлении нагрузки.

При использовании импульсного регулирования в системах электропривода нагрузка имеет активно- индуктивный характер и часто в составе нагрузки присутствует источник ЭДС.

В таком случае должен быть предусмотрен обратный вентиль. Он обеспечивает непрерывность тока в нагрузке при разрыве цепи импульсным элементом (ключом). На рис 65 изображена схема диаграммы напряжения и тока при активно- индуктивной нагрузке с противо-ЭДС.

На основании баланса энергии, поступающей в нагрузку из сети (от U_пит) и энергии, которая тратится в нагрузке, выявим зависимость, (связь) между средним значением тока, напряжением питания U_пит , ЭДС нагрузки E_н и коэффициентом g. При получении этой зависимости введем допущение, что среднее и действующее значение тока в нагрузке равны. Это может иметь место при идеальной сглаженности тока (если L_н = ¥).

U_н I t_р = E_н I t_р + I² R_н t_р + W_L (1)

W_L = E_н I t₀ + I² R_н t₀

U_н I t_р = E_н I t + I² R_н t (2)

U_н t_р = E_н t + I R_н t

Разделим левую и правую части на t, тогда:

U_н g = E_н + I R_н

g = (E_н + I R_н )/ U_н (4-71)

I = (U_н g - E_н )/ R_н (4-72)

Рис 65

Уравнение (1) представляет собой уравнение баланса поступающей в нагрузку из сети энергии за время одного рабочего импульса (t_р) и энергии, тратящейся в нагрузке за время t. W_L - энергия, накапливаемая в индуктивности за время t_р. Этой энергии достаточно для поддержания тока в нагрузке, равного I за время паузы (t₀).

Прибавив к правой части уравнения значение W_L , получаем уравнение баланса энергии (2). Дальнейшие действия ясны без пояснений.

Уравнение (4-71) дает связь переменной g с переменными I ,U_н ,E_н .

Уравнение (4-72) показывает, что регулирование тока в цепи нагрузки можно осуществлять изменением g при неизменных R_н ,U_н ,E_н.