Андрей Кашкаров - Устройства импульсного электропитания для альтернативных энергоисточников
2.4. Методы стабилизации напряжения в ИИП
Одним из основных преимуществ ИИП является возможность преобразования первичной электрической энергии с более высоким КПД, по сравнению с обычными трансформаторными источниками питания. Чаще всего это достигается за счет стабилизации выходного напряжения воздействием на процесс функционирования силового усилительного каскада преобразователя напряжения. Только в многоканальных ИБП с различными нагрузочными возможностями каналов при необходимости применяются дополнительные линейные или импульсные стабилизаторы вторичного напряжения.
Для стабилизации величины выходного напряжения в ИИП, задействованных в системе преобразования от нетрадиционных источников питания, используются методы регулирования количества энергии, поступающей во вторичную цепь. Основными среди них являются: ШИМ (широтно-импульсная модуляция), ЧИМ (частотно-импульсная модуляция) и РСН (релейная стабилизация напряжения).
Эти методы отличаются способами воздействия на силовой (усилительный) каскад высокочастотного преобразователя, активные элементы которого работают в ключевом режиме. Как правило, система управления выполняется на маломощных компонентах, представляющих собой комбинацию аналоговых и цифровых элементов.
Согласно рис. 2.2, узел регулирования состоит из:
• измерительной цепи, определяющей отклонение напряжения нагрузки от номинального значения;
• схемы управления — формирователя конечной формы ВЧ-сиг-нала, непосредственно воздействующего на силовые элементы преобразователя. В состав этого узла включены элементы, которые согласуют уровни сигналов и нагрузочную способность каскадов;
• задающего генератора — маломощная схема формирования колебаний с базовыми характеристиками, которые подвергаются изменениям в схеме управления.
Принцип действия ШИМ-стабилизации заключается в изменении длительности импульсов, усиливаемых силовым каскадом, без коррекции собственно частоты колебаний и их амплитуды. Длительность импульсов, формируемых схемой управления, должна быть обратно пропорциональна величине напряжения на нагрузке.
В отличие от предыдущего способа, ШИМ-стабилизация характеризуется модификацией частоты управляющего сигнала при постоянной длительности импульсов.
В релейной системе стабилизации цепи управления отслеживают изменения напряжения на нагрузке, и, когда его значение выходит за пределы допустимой зоны стабилизации, производится формирование импульсов, при воздействии которых и происходит «подкачка» энергии в цепь нагрузки.
Способ ШИМ-стабилизации, несмотря на некоторые схемотехнические усложнения узла, по сравнению с двумя другими методами, нашел наиболее широкое применение на практике.
Поэтому этот метод стабилизации вторичного напряжения будет рассмотрен наиболее подробно. ШИМ-регуляторы имеют следующие преимущества:
• обеспечение высокого КПД и поддержание основной частоты преобразования независимо от изменения напряжения первичного питания и величины нагрузки. При этом частота пульсаций на нагрузке имеет постоянное значение, что важно при проектировании и использовании фильтров с расчетными характеристиками и может быть критичным для нагрузок с различным характером входного сопротивления;
• возможность применения цепей синхронизации частоты с внешним задающим генератором, обладающим заданными параметрами.
И в этом случае структурная схема ШИМ-регулятора и его подключение к каскадам ПН представлены на рис. 1.12.
Напряжение на нагрузке в общем случае может быть произвольным, и поэтому устройство сравнения подключается к ней через делитель напряжения.
Кроме того, предполагается, что напряжение на нагрузке находится в пределах, определяемых диапазоном регулировки, и во время работы в ней не возникает внештатной ситуации (короткое замыкание и т. п.).
Устройство сравнения вырабатывает сигнал рассогласования, знак которого определяется соотношением сравниваемых входных сигналов — опорного напряжения и напряжения с выхода делителя напряжения.
После необходимого усиления сигнал рассогласования U и сигнал специальной формы U, выдаваемый формирователем опорного сигнала, подаются на второе устройство сравнения и компаратор напряжения. Компаратор выполняет квантование входного сигнала рассогласования. После компаратора сигнал управления U приобретает форму импульсов с заданными частотой и длительностью.
Устройство согласования выполняет усиление импульсного сигнала управления до уровня и мощности, необходимой для возбуждения усилителя мощности. Временное положение выходных импульсов компаратора относительно сигнала специальной формы зависит от выбранного метода формирования последнего.
Формирователь сигналов специальной формы может генерировать три вида сигналов заданной частоты: треугольной формы, прямой пилы (положительное нарастание напряжения) и обратной пилы.
На устройстве сравнения 2 проводится сопоставление текущих значений усиленного сигнала рассогласования напряжений.
Фронт (начало) импульса появляется, когда результирующее напряжение сравнения U совпадает с некоторым значением напряжения А. Спад (окончание) импульса формируется при значении U, равном — А. Этот эффект называют гистерезисом. Параметры гистерезиса зависят от скорости изменения напряжения U, а инерционность срабатывания элементов определяется временем рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах. В случае генерации сигнала треугольной формы сформированная импульсная последовательность имеет некоторое отклонение от частоты исходного сигнала специальной формы.
По рис. 2.8 видно, что при совпадении величин этих сигналов происходит срабатывание компаратора.
Импульс положительного напряжения на его выходе появляется в момент превышения напряжением U импульсной последовательности как по длительности импульса, так и по частоте его следования.
Формирование импульсного напряжения на выходе компаратора происходит с некоторым запаздываем по времени и уровню, что отражает реальную картину управляющей последовательности с модуляцией положения фронта импульса. В данном случае производится генерация пилообразного сигнала с положительным нарастанием напряжения.
Рис. 2.8. Структурная схема стабилизатора напряжения
Пример оптронного стабилизатора для преобразователя напряжения
Схема оптронного стабилизатора сетевого напряжения представлена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Пример электрической схемы оптронного стабилизатора
Предлагаемая схема стабилизатора сетевого напряжения отличается от ранее описанных тем, что обратная связь по напряжению организована с помощью оптрона. За счет инерции осветительного прибора, входящего в оптрон ОЭП2, достигается некоторый гистерезис, обязательный в схемах с обратной связью. Без гистерезиса будет происходить релаксация схемы, которая будет выражена в мерцании лампочки HL1, которая является в данной схеме нагрузкой.
Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 2.9.
В момент включения сетевого напряжения синусоидальное напряжение, ограниченное резистором R4, поступает на диодный мост VD1. На нагрузке напряжение отсутствует, поэтому сопротивление оптрона велико, транзистор VT1 открывается за счет смещения поступающего с резистора R6. Ток, протекая через резистор R5 и открытый транзистор VT1, заряжает емкость С1. В тот момент, когда напряжение достигнет уровня пробоя аналога динистора, собранного на деталях VT2, VT3, R7, R8, конденсатор С1 разрядится на первичную обмотку импульсного трансформатора Т1. В результате импульс со вторичной обмотки откроет симистор VS1. Время скорости зарядки емкости, а значит, и время открывания симистора зависят от сопротивления R5 и сопротивления перехода эмитер-коллектор транзистора VT1.
При закрывании этот транзистор мы уменьшаем напряжение на нагрузке, что и происходит за счет уменьшения сопротивления резистора оптрона. Порог, на котором наступит баланс, регулируют резистором R2, находящимся за датчиком выходного напряжения.
Налаживание такого устройства заключается в установке максимального напряжения при помощи резистора R5 при отключенном проводе от потенциометра R2 и оптрона Ш.
Трансформатор Т1 намотан на ферритовом кольце М2000НМ размером К20х12х6. Первичная обмотка состоит из 100 витков, а вторичная — из 60 витков провода ПЭВ1 диаметром 0,15 мм.
2.5. Стабилизаторы напряжения для альтернативных источников электропитания
Высокоточные, надежные, бесшумные, с плавной регулировкой стабилизаторы напряжения серии Orion охватывают диапазон мощностей 2 кВА…450 кВА. Выпускаются модели как с регулировкой по среднефазному значению выходного напряжения (серия А), так и с независимой регулировкой по каждой фазе (серия Y). Эти модели широко используются в системах преобразования электроэнергии от альтернативных источников.
