РадиоЛоцман - Все об электронике

Почему гальваническая развязка увеличивает размеры импульсных преобразователей электрической энергии. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2019

Александр Руссу, Одесса, Украина

Индуктивные элементы являются одними из самых больших, тяжелых и дорогих узлов преобразователей электрической энергии, поэтому вопросы уменьшения их размеров и массы всегда будут оставаться приоритетными для разработчиков. Как известно, существуют два фактора, непосредственно влияющих на эти параметры: рабочая частота и величина преобразуемой мощности. Чем выше частота и чем меньше преобразуемая мощность, тем более компактным и легким можно сделать индуктивный элемент. Однако максимальное значение рабочей частоты ограничено потерями, вызванными неидеальностью элементной базы, поэтому самым эффективным способом миниатюризации трансформаторов и дросселей, не приводящим к ухудшению КПД, остается только уменьшение величины преобразуемой мощности – скорости передачи энергии через их магнитные поля.

Если в схеме вся энергия, отдаваемая преобразователем в нагрузку, проходит через магнитное поле хотя бы одного индуктивного элемента, тогда его преобразуемая мощность РПМ равна выходной мощности РВЫХ (Рисунок 1а). Такие устройства обычно необходимы для приложений, требующих гальванической развязки входа и выхода. В этом случае вариантов для уменьшения массы и габаритов индуктивных элементов немного, и наиболее эффективным из них является преобразование как можно большего количества энергии с помощью трансформаторов [1], ведь в [2] было показано, что при прочих равных условиях трансформатор может быть до восьми раз меньше и легче дросселя.

Варианты включения выхода активной части преобразователя.
Рисунок 1. Варианты включения выхода активной части преобразователя.

Если гальваническая развязка не требуется, тогда выходное напряжение можно изменять путем включения активной части схемы (той части, что непосредственно преобразует параметры электрической энергии) по схеме вольтодобавки (Рисунок 1б) или вольтовычитания (Рисунок 1в). Нетрудно определить, что в этом случае величина РПМ становится зависимой от соотношения напряжений на входе UВХ и выходе UВЫХ преобразователя:

  (1)

Отсутствие гальванической развязки позволяет также уменьшить уровень преобразуемой мощности в случаях, когда вход активной части включен в разрыв между входом и выходом преобразователя, что характерно для импульсных преобразователей понижающего типа (Рисунок 2а). В [3] было показано, что для «классических» понижающей и повышающей схем (Рисунок 2) величину преобразуемой мощности можно определить по формуле:

  (2)

При этом для повышающей схемы (Рисунок 2б), использующей принцип вольтодобавки, величина преобразуемой мощности совпадает с формулой (1).

Схема включения активной части преобразователей понижающего (а) и повышающего (б) типов.
Рисунок 2. Схема включения активной части преобразователей понижающего (а)
и повышающего (б) типов.

Однако кроме этих, существует еще несколько способов уменьшения величины преобразуемой мощности, о которых и пойдет речь в данной статье. Идеальным вариантом практического применения предлагаемых решений являются преобразователи переменного напряжения промышленной сети с частотой 50(60) Гц: стабилизаторы или регуляторы (ЛАТРы). Их особенностью является то, что в большинстве случаев гальваническая развязка для них не только не требуется, но и категорически противопоказана, ведь некоторые устройства, например, большинство моделей современных газовых котлов, требуют для своей работы неразрывного нулевого провода, электрически соединенного с землей.

Статьи о том, что импульсный метод преобразования электрической энергии пригоден не только для преобразования постоянного тока, уже публиковались на сайте РадиоЛоцман [4]. Кроме этого в [5] было показано, что импульсные преобразователи при выполнении определенных условий прекрасно поддерживают режимы холостого хода и рекуперации. А это означает, что схемы, о которых пойдет речь ниже, могут работать с любым видом нагрузки, в том числе и реактивной: индуктивной или емкостной, минимальный коэффициент мощности которой равен нулю.

Как устроены существующие преобразователи переменного напряжения

Поскольку в преобразователях напряжения промышленной сети гальваническая развязка не требуется, то для их построения чаще всего используются автотрансформаторы (Рисунок 3). Принцип работы автотрансформатора аналогичен трансформатору, за исключением того, что через его магнитное поле проходит не вся мощность нагрузки, а только ее часть, которую можно определить по формуле (1). Использование автотрансформатора дает значительный выигрыш в массе и габаритах, особенно, если разница между входным и выходным напряжениями невелика. Так, например, в диапазоне входного (для стабилизаторов) или выходного (для ЛАТРов) напряжения от 150 В до 290 В величина преобразуемой мощности (мощности автотрансформатора) не превышает 35% от мощности нагрузки (Рисунок 4).

Изменение величины входного напряжения с помощью автотрансформатора в сторону увеличения (а) и уменьшения (б).
Рисунок 3. Изменение величины входного напряжения с помощью
автотрансформатора в сторону увеличения (а) и
уменьшения (б).

Однако любой трансформатор имеет серьезный недостаток – фиксированный коэффициент передачи, равный отношению числа витков первичной (I) и вторичной (II) обмоток. Поскольку во время работы устройства отматывать или доматывать витки нет никакой возможности, то оперативная регулировка выходного напряжения становится серьезной технической проблемой.

Зависимость преобразуемой мощности от величины входного (для стабилизаторов) и выходного (для ЛАТРов) напряжения.
Рисунок 4. Зависимость преобразуемой мощности от величины входного
(для стабилизаторов) и выходного (для ЛАТРов) напряжения.

Одним из вариантов ее решения является использование специальной конструкции автотрансформатора со скользящим контактом (Рисунок 5а, 5б), позволяющим изменять его коэффициент передачи и, соответственно, относительно плавно регулировать выходное напряжение. Однако, несмотря на все старания инженеров, данное решение имеет крайне низкую надежность и быстродействие, поэтому на практике преобразователи на основе автотрансформаторов со скользящим контактом находят применение или в самых простых и дешевых устройствах, или в приложениях, не требующих частых регулировок.

Схемы стабилизаторов и регуляторов переменного напряжения промышленной сети на основе автотрансформаторов со скользящим контактом (а, б) и отпайками (в, г).
Рисунок 5. Схемы стабилизаторов и регуляторов переменного напряжения
промышленной сети на основе автотрансформаторов со
скользящим контактом (а, б) и отпайками (в, г).

Более сложным, но и более надежным решением является использование автотрансформаторов, обмотки которых содержат отводы (отпайки) (Рисунок 5в, 5г). В этом случае стоимость преобразователя напрямую зависит от количества отводов, ведь каждый из них должен коммутироваться с помощью мощного силового ключа (реле или тиристоров/симистора), общая стоимость которых вместе с радиаторами охлаждения полупроводниковых компонентов может превышать стоимость автотрансформатора. Точность установки выходного напряжения также определяется количеством отпаек. В самых простых устройствах регулировка выходного напряжения осуществляется с шагом 20 В, в самых дорогих – до 1 В. В некоторых случаях для точной стабилизации используют метод ФИМ, однако из-за искажений формы выходного напряжения он пригоден далеко не всегда.

Несмотря на одинаковый принцип работы, схемотехника стабилизаторов и ЛАТРов имеет некоторые отличия. Стабилизаторы работают в широком диапазоне входного напряжения – обычно от 150 В до 290 В, поддерживая выходное напряжение постоянным, как правило – 220 В. ЛАТРы – наоборот, предназначены для работы при относительно стабильном входном напряжении 220 В, в то время как их выходное напряжение может изменяться в широких пределах. На практике это приводит к тому, что коэффициент передачи автотрансформатора в стабилизаторах регулируется путем изменения количества витков обмотки, связанной с входом (Рисунок 5а, 5б), а в регуляторах – с выходом (Рисунок 5в, 5г). Такой подход позволяет использовать в стабилизаторах более дешевый автотрансформатор, однако при резких изменениях входного напряжения, например, при его резком увеличении, может произойти насыщение сердечника и срабатывание защиты от перегрузки по току.

Использование автотрансформатора, работающего на низкой частоте, до недавнего времени было практически единственным способом регулировки переменного напряжения. Даже сегодня, если проанализировать, например, рынок стабилизаторов напряжения промышленной сети, то окажется, что большинство моделей основаны на использовании либо автотрансформатора со скользящим контактом (сервоприводные), либо с отпайками (релейные, тиристорные/симисторные). Те же самые принципы стабилизации напряжения сети используются и в источниках бесперебойного питания класса Line-Interactive, в которых выходное напряжение регулируется ступенчато с некоторым фиксированным шагом. Однако сейчас современная элементная база, в первую очередь, мощные высокочастотные диоды, MOSFET и IGBT, позволяет использовать для решения этих задач импульсные высокочастотные преобразователи, способные потенциально уменьшить массу и габариты преобразователей переменного напряжения промышленной частоты как минимум на порядок.

Список источников

  1. Русу А.П. «Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии»
  2. Русу А.П. «Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?»
  3. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей».
  4. Русу А.П. «Импульсное преобразование переменного тока».
  5. Русу А.П. «Почему импульсные преобразователи "не любят" "легкую" нагрузку».
  6. Русу А.П. Чем отличается понижающий преобразователь от повышающего? // РадиоЛоцман – 2019. – №1. – С.26 – 31 (Часть 1). – №2. – С.22 – 25 (Часть 2).

Окончание

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя