Nazwa forum

Przekształtniki prądu stałego podwyższające napięcie

Zadanie przekazywania energii elektrycznej ze źródła o niskim napięciu stałym do odbiornika wymagającego wyższego napięcia można zrealizować za pomocą przekształtnika przedstawionego na rysunku poniżej



Przekształtnik prądu stałego podwyższający napięcie:
a)       schemat układu;
b)      stany przewodzenia zaworu sterowanego oraz przebiegi czasowe napięć i prądów przy ciągłym prądzie dławika;
c)       stany przewodzenia zaworu sterowanego oraz przebiegi czasowe napięć i prądów przy impulsowym prądzie dławika
d)      zależności napięć i prądów w układzie
W przedziałach czasu w których przewodzi zawór sterowany T prąd dławika id wzrasta pod wpływem napięcia źródła zasilania Ud. Gdy zawór nie przewodzi, prąd id płynie nadal przez dławik L przekazując nagromadzoną w nim energię, poprzez diodę D, do obwodu odbiornika Co-Zo. W trakcie przewodzenia diody D prąd id zmniejsza się powodowany napięciem o wartości Uo-Ud. Pełniący rolę filtru kondensator Co może, dzięki diodzie D, rozładowywać się tylko w obwodzie odbiornika.

Przyjmując pewne założenia upraszczające, można napisać, że napięcie odbiornika wynosi
Uo = Ud Ti / tw
Z powyższej zależności wynika, że napięcie odbiornika zależy od czasu przewodzenia zaworu sterowanego, ale jego wartość zawsze jest większa od napięcia źródła zasilania Ud.


Przykładem tranzystorowego przekształtnika podwyższającego napięcie, stosowanego do przekazywania energii elektrycznej z odbiornika do źródła zasilania jest układ z rysunku poniżej.


Tranzystorowy przekształtnik podwyższający napięcie:

a) schemat układu;

b) przebiegi czasowe napięcia i prądów;

c) obszar charakterystyk napięciowo-prądowych
Odbiornikiem może być w tym przypadku hamowana odzyskowo maszyna prądu stałego. Wielkością zadaną jest średnia wartość prądu maszyny Ioz, która powinna być utrzymana poprzez generowanie impulsów sterujących tranzystora T za pomocą układu regulacji złożonego z członu pomiaru prądu io i regulatora prądu RIo. Indukcyjność obwodu twornika Lo pełni funkcję indukcyjności magazynującej energię w trakcie przewodzenia tranzystora. Przy załączonym zaworze prąd maszyny zwiększa się od wartości Io1 do Io2 pod wpływem napięcia wewnętrznego Eo. Gdy tranzystor znajduje się w stanie blokowania, prąd odbiornika płynie poprzez diodę D do źródła zasilania Ud i zmniejsza się ponownie do wartości Io1 pod wpływem napięcia Ud - Eo. Napięcie odbiornika, będące w tym przypadku źródłem energii, wyraża się zależnością
Uo= Ud ( 1 - tp / Ti )
przy czym tp / Ti - względny czas przewodzenia łącznika.

Ze względu na przepływ energii od odbiornika do źródła zasilania charakterystyki zewnętrzne odbiornika znajdują się w drugim kwadrancie układu współrzędnych .


Podobnie jak w przypadku przekształtników obniżających napięcie, strukturę układów podwyższających można wykorzystać do impulsowego sterowania rezystancją .
                                   


Impulsowy sterownik rezystancji zasilany ze źródła prądu
W trakcie przewodzenia zaworu sterowanego T prąd wejściowy id płynie przez łącznik i napięcie na rezystorze jest w przybliżeniu równe zeru. Przy wyłączonym zaworze prąd płynie przez rezystor, na którym występuje napięcie id R. Rezystancję zastępczą takiego układu określa zależność
Rz = R ( 1 - tp / Ti )
Przekształtniki prądu stałego podwyższające napięcie są najczęściej wykorzystywane do przetwarzania energii ogniw słonecznych charakteryzujących się niskimi wartościami napięć.





Przekształtniki prądu stałego obniżające napięcieW obniżających przekształtnikach prądu stałego napięcie wejściowe jest doprowadzane do odbiornika za pomocą cyklicznie załączanego i wyłączanego zaworu półprzewodnikowego w pełni sterowalnego. Najczęściej spotykanymi w praktyce obciążeniami są odbiorniki typu RLE (maszyna prądu stałego) i układy z wyjściowym filtrem indukcyjno-pojemnościowym LC (zasilanie falowników napięcia). W obu tych przypadkach, ze względu na występowanie indukcyjności obciążenia, konieczne jest zastosowanie diody rozładowczej D0, zwanej także diodą zerową.


Przekształtnik prądu stałego obniżający napięcie:

a) schemat układu przy obciążeniu RLE;
b) obciążenie z filtrem wyjściowym LC;

c) przebiegi czasowe sygnału sterującego T oraz napięć i prądów przekształtnika;

d) uproszczone przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika przy pominięciu rezystancji odbiornika
Załączenie zaworu sterowanego T (może to być dowolny ppm w pełni sterowalny) powoduje pojawienie się na odbiorniku napięcia równego napięciu zasilania Ud, pomijając niewielki jego spadek na przewodzącym zaworze. Przy wyłączonym zaworze sterowanym napięcie na zaciskach odbiornika jest równe zeru, a prąd odbiornika płynie przez diodę rozładowczą.

Średnia wartość napięcia na odbiorniku Uo zależy od iloczynu czasu przewodzenia prądu tp przez zawór sterowany i częstotliwości przełączeń f równej odwrotności okresu przełączeń Ti
Uo = Ud tp f = Ud tp / Ti

Średnią wartość napięcia wyjściowego przekształtnika obniżającego napięcie, przy stałej wartości napięcia zasilania Ud, można regulować zmianą stosunku tp / Ti. Stosuje się przy tym dwie podstawowe metody. Pierwsza z nich, najczęściej spotykana, polega na zmianie czasu przewodzenia tp zaworu sterowanego, przy tym samym okresie przełączeń Ti. Druga metoda polega na zmianie częstotliwości przełączeń f przy zachowaniu tej samej wartości czasu przewodzenia zaworu tp. W obu przypadkach średnia wartość napięcia wyjściowego jest zawsze mniejsza od napięcia źródła zasilania.

Przebieg prądu odbiornika rezystancyjno-indukcyjnego przedstawiono na rys.c. W trakcie przewodzenia zaworu T prąd odbiornika wzrasta wykładniczo od wartości Io1 do Io2. Po jego wyłączeniu maleje, także zgodnie z krzywą wykładniczą, do wartości Io1. Prąd odbiornika ma charakter ciągły. W przypadku obciążenia zawierającego źródło napięcia prąd odbiornika może mieć również przebieg impulsowy, co jest na ogół niepożądane. Zjawisko to można ograniczyć włączając w szereg z odbiornikiem dodatkowy dławik.


Oprócz dwóch wymienionych sposobów regulacji napięcia i prądu odbiornika stosuje się także dwustanową regulację prądu. Realizuje się ją w układzie automatycznej regulacji, którego głównym członem jest komparator z histerezą


Dwustanowa regulacja prądu w układzie z przekształtnikiem obniżającym napięcie:

a) schemat układu; b) przebieg czasowy prądu odbiornika;

c) zależność względnej częstotliwości łączeń od względnego napięcia odbiornika
Wartością zadaną jest wartość średnia prądu odbiornika Ioz, a o stanie pracy zaworu sterowanego decyduje różnica pomiędzy Ioz i wartością chwilową prądu odbiornika io, mierzoną za pomocą czujnika prądu PP.

Omawiane do tej pory układy charakteryzuje występowanie dużych tętnień prądu pobieranego ze źródła zasilania oraz napięcia i prądu odbiornika. W celu ich zmniejszenia stosuje się przekształtniki wielopulsowe złożone z połączonych równolegle kilku przekształtników jednopulsowych o przebiegach napięć wyjściowych wzajemnie przesuniętych w fazie . Połączenie równoległe wymaga zastosowania dławików wyrównawczych.


Dwupulsowy przekształtnik obniżający napięcie:

a) schemat układu; b) przebiegi czasowe napięć wyjściowych
Przekształtniki obniżające napięcie są stosowane najczęściej do zasilania obcowzbudnych i szeregowych silników prądu stałego (np. napędy trakcyjne). Sama struktura tych przekształtników bywa także wykorzystywana do impulsowego sterowania rezystancją.


Impulsowy sterownik rezystancji zasilany ze źródła napięciaZmieniając wartość czasu przewodzenia tp zaworu sterowanego T można uzyskać efekt zbliżony do takiego, jaki wystąpiłby w przypadku rezystora o regulowanej rezystancji wynoszącej
Rz = R Ti / tp














WIKIPEDIA


Przekształtnik podwyższający napięcie



Przekształtnik podwyższający napięcie (. boost converter, step-up converter) - rodzaj przerywacza impulsowego prądu stałego, którego zadaniem jest przekształcanie stałego napięcia wejściowego DC na wyższe napięcie wyjściowe DC.

Podstawowy schemat przekształtnika podwyższającego napięcie. role przełącznika pełni zazwyczaj MOSFET, IGBT lub BJT.


Układ składa się z co najmniej dwóch zaworów półprzewodnikowych (tranzystora i diody) i co najmniej jednego elementu magazynującego energię. Ponadto aby dodatkowo niwelować zniekształcenia napięcia wyjściowego, stosuje się przy użyciu kondensatorów (również cewek) odpowiedni filtr.

Zasilanie układu może pochodzić z wszelakich źródeł napięcia stałego takich jak baterie, Ogniwa fotowoltaiczne jak i również z prostowników czy generatorów prądu stałego.

Analiza pracy układu
Zasada działania

rys. 1: schemat przetwornika boost converter


Kluczową rolę w przetworniku podwyższającym napięcie odgrywa zdolność cewki indukcyjnej do „przeciwstawiania sie” zmianom przepływającego prądu. Kiedy prąd zasilający płynie, cewka pochłania energie, natomiast kiedy zasilanie jest odłączone cewka wykorzystując wcześniej zmagazynowana energie sama stanowi swoiste źródło energii (w obwodzie płynie zmniejszający się prąd aż do rozładowania zmagazynowanej w cewce energii). Tak wytworzone napięcie podczas rozładowania cewki jest podobne w swoim przebiegu do aktualnego przebiegu prądu a nie do pierwotnego cyklu ładowania, dzięki czemu uzyskujemy różne napięcia wejściowe i wyjściowe.

rys. 2: Dwa przedziały pracy zależne od stanu przełącznika (tranzystora)


Podstawowy stan pracy składa się z 2 przedziałów:


   * przedział I – przełącznik S (tranzystor) jest w stanie przewodzenia. Napięcie zasilania (Vi) jest źródłem narastającego prądu płynącego tylko przez cewkę indukcyjną L i tranzystor, powoduje to magazynowanie energii w cewce. Dioda D spolaryzowana jest wstecznie poprzez napięcie odbiornika. Do odbiornika R dopływa jedynie prąd z rozładowywanego kondensatora C.
   * przedział II -przełącznik S (tranzystor) jest w stanie zaworowym. Pod wpływem napięcia (Vi)przez spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę D płynie do kondensatora C (ładowanie kondensatora) i odbiornika R malejący prąd (rozładowanie energii zgromadzonej w poprzednim cyklu w cewce)
Tryby pracy [edytuj]

   * Tryb pracy ciągłej.

Rys.3: Przebiegi prądu i napięcia dla pracy w trybie ciągłym.



Gdy tranzystor wysterowany jest w sposób zapewniający pracę ciągłą prąd płynący przez cewkę nigdy nie spada do zera. Wykres 3 przedstawia typowy przebieg prądu i napięcia dla ciągłej pracy przekształtnika.


   * Tryb pracy przerywanej.

Rys. 4:Przebiegi prądu i napięcia dla pracy w trybie przerywanym.



Załączenie tranzystora następuję dopiero gdy prąd zmagazynowany w cewce zostanie rozładowany, co powoduje przerwę w ciągłości prądu odbiornika(rys. 4)

Rys. 4: Przebieg napięcia na dławiku w przetwornicy boost względem masy. W punkcie 1 switch został włączony, w punkcie 2 wyłączony.




BEZ RYSUNKÓW NIE DODAŁY SIE WYSŁAŁEM NA MAILE

Ostatnio edytowany przez Mikołaj (2011-01-06 19:49:48)