220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232

Раздел 16 Импульсные источники питания

Пример проектирования инвертора «точной синусоиды»

Общее описание конструкции

Условие минимальности гармонических искажений означает, что нам потребуется произвести множество последовательных шагов (итераций) для приближения к синусоиде. На Рис. 10.1 показаны спектры двух сигналов, используемых в преобразователях с прямоугольным входным напряжением.

Спектры двух сигналов, используемых в преобразователях прямоугольного сигналаРис. 10.1. Спектры двух сигналов, используемых в преобразователях прямоугольного сигнала

Первый спектр описывает, собственно, прямоугольный сигнал, амплитуда которого равна среднеквадратическому значению эквивалентного синусоидального сигнала. Второй сигнал состоит из четырёх «ступеней», чем осуществляется аппроксимация синусоиды в случае, когда нагрузка представляет собой электронную схему, использующую двухполупериодное выпрямление. Среднеквадратическое и пиковое значения сигнала во втором случае равны среднеквадратическому и пиковому значениям эквивалентного синусоидального сигнала. Индуктивным нагрузкам, например электродвигателям, для минимизации потерь требуется более «чистая» синусоида. Ёмкостная нагрузка на практике встречается очень редко, но электронная нагрузка (типа компьютера) довольно близка к таковым. Схема, работающая на индуктивную нагрузку, весьма вероятно, с той же производительностью будет работать и на ёмкостную нагрузку.

В первую очередь используем генератор сигналов произвольной формы для имитации ступенчатой синусоиды и измерим коэффициент гармоник. На Рис. 10.2 изображены тестовые сигналы и соответствующие им спектры.

Тестовые сигналы и соответствующие им спектрыРис. 10.2. Тестовые сигналы и соответствующие им спектры

Анализатор спектра имеет нижний предел частоты 9 кГц, поэтому тестовые сигналы имеют частоту 60 кГц. В реальных расчётах умножим полученные значения параметров схемы на 1000.

На примере спектров трёх учётом Рис. 10.1) дискретизированных синусоидальных сигналов видно, как происходит распределение энергии на основной частоте и на её побочных составляющих (гармониках) выше и ниже частоты дискретизации. Четырёхступенчатый сигнал на Рис. 10.1 дискретизируется с частотой 240 кГц (четыре выборки на период), поэтому первые побочные частоты — 180 и 300 кГц. Эти частоты совпадают с частотами гармоник простого прямоугольного сигнала. Первый из сигналов, показанных на Рис. 10.2, дискретизируется с частотой 480 кГц (восемь выборок на период), поэтому первые побочные частоты — 420 и 540 кГц. Второй из сигналов на Рис. 10.2 дискретизируется с частотой 960 кГц (16 выборок на период), поэтому первые побочные частоты — 900 и 1020 кГц. По всему спектру сигналов на Рис. 10.2 нет гармоник основной частоты 60 кГц. Вся энергия высших частот связана с частотой дискретизации, с увеличением которой энергия каждой из побочных гармоник снижается. В Табл. 10.1 приведена отнесённая к основной частоте энергия каждой из побочных составляющих (вплоть до 3 МГц) для восьмиступенчатого сигнала.

Частота [кГц]

Относительная мощность

420

0.020

540

0.013

900

0.004

1020

0.003

1380

0.002

1500

0.002

1860

0.001

1980

0.001

2340

0.000

2460

0.000

Таблица 10.1. Зависимость относительной мощности побочных гармоник от частоты для восьмиступенчатого сигнала

Суммарный коэффициент гармоник составляет 4.6%, что прекрасно укладывается в заданное значение 20%. Это значит, что данным сигналом можно управлять нагрузкой напрямую, без фильтрации. При 16-ступенчатом сигнале коэффициент гармоник составит около 1%.

Теперь нам следует выбрать способ, которым будет осуществляться переключение устройства с питания от сети на питание от аккумуляторной батареи. Для этого можно использовать реле. Реле не отличаются особым быстродействием, поэтому понадобится накопительный конденсатор, чтобы поддерживать на выходе достаточную энергию во время переключения реле. Это время не очень большое, обычно десятки миллисекунд. Нам также понадобится электронная схема управления реле. Если вместо реле применить электронный ключ, то количество и стоимость требуемых в этом случае компонентов оказываются примерно такими же. Лучше всё-таки выбирать второй (электронный) вариант, поскольку у реле могут возникать проблемы с надёжностью. Нормально-замкнутые контакты изнашиваются под воздействием тока, а нормально-разомкнутые контакты со временем окисляются. Преимущество электронного варианта состоит также и в том, что можно спроектировать схему, которая будет питать нагрузку и от сети, и от батарей до тех пор, пока не разрядится накопительный конденсатор первичного источника. Проще всего и дешевле использовать для изоляции батареи от сети диоды Шотки, которые имеют прямое падение напряжения около 0.5 В. При токе потребления от батареи до 15 А рассеивание мощности на диоде составит приблизительно 8 Вт. Можно предложить переключающую схему с рассеиванием мощности около 2 Вт. Но чересчур усложнять её нет особого смысла, так как батарея имеет достаточный запас энергии.

В нашей схеме выгоднее всего применять герметичные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. В данном сегменте рынка существует большая конкуренция, поэтому цены на идентичные батареи среди производителей почти одинаковы. Нам безусловно понадобится батарея напряжением не менее 24 В, а возможно, и 48 В, чтобы уменьшить потребляемый от неё ток. Необходимо пересчитать номинальную ёмкость батареи, исходя из максимального потребляемого тока. Батарея ёмкостью 20 Ач способна выдавать ток 1 А в течение 20 часов. Та же самая батарея будет выдавать ток 20 А в течение всего лишь 36 минут. Заявленное нами требование 300 Втч в пересчёте на 20-часовую работу превращается в
500 Втч. В Табл. 10.2 приведены несколько конфигураций аккумуляторных батарей и их суммарная стоимость (цены взяты из каталога Digi-Key).

Напряжение батареи, В

Суммарное напряжение, В

Ёмкость, Ач

Вт ч

Общая стоимость, $

6

120

4.2

504

141.75

6

72

7.2

518

135.64

6

42

12

504

115.45

12

72

7.2

518

97.34

12

48

12

576

106.82

12

36

17

612

98.64

12

24

28

672

99.90

12/6

42

12

504

96.60

Таблица 10.2. Общая стоимость батареи ценах 2004 года)

Мы имеем четыре подходящие батареи с примерно одинаковой стоимостью, которые смогут отдавать в нагрузку требуемую энергию. Поскольку разница в цене между самой дорогой и самой дешёвой батареями составляет всего лишь 3.30 доллара, необходимо сделать выбор, исходя из их сложности и надёжности. Наилучшим вариантом выглядит 36-вольтовая система, поскольку она даёт значительный запас энергии. К тому же она дешевле в производстве, так как состоит из трёх одинаковых батарей.

В полностью заряженной свинцово-кислотной батарее напряжение без нагрузки составляет 2.40…2.42 В на элемент. Нашей системе потребуется напряжение на батарее 44 В для поддержания заряда. С учётом падения напряжения в цепи заряда 6 В нам понадобится в общей сложности напряжение 50 В. При значительном разряде свинцово-кислотной батареи напряжение падает до 1.95 В на элемент. В нашем случае это обусловливает минимальную величину напряжения преобразования, равную 35.1 В.

Наша цель состоит в том, чтобы применять как можно больше серийных компонентов. Уровни тока в предварительном стабилизаторе оказались таковы, что это не позволяет использовать в выходном фильтре серийный дроссель. Поэтому был сделан перерасчёт под батарею напряжением 72 В. Беглый анализ показал, что для рассматриваемой нами схемы коэффициент заполнения будет находиться в диапазоне от 50% до почти 100%. Уровень тока снизится, но с учётом изменённого коэффициента заполнения потребуется индуктивность дросселя 600 мкГн при токе 7 А вместо 470 мкГн при токе 12 А. И в том, и в другом случае из-за высокого уровня тока дроссель придётся специально заказывать.

Номинальное выходное переменное напряжение нашего инвертора равно 120 В. Самое высокое требуемое напряжение соответствует пиковому выходному напряжению 170 В. Напряжение резервного источника питания равно 120 В. Для того чтобы повысить напряжение от аккумуляторной батареи, можно использовать повышающий или трансформаторный преобразователь. Повышающий преобразователь не позволяет ограничивать ток при коротком замыкании, так как ключ в нём не расположен между входом и выходом. Прямоходовой и двухтактный преобразователи позволяют отключать выход «напрямую», размыкая ключ.

Существует два варианта получения двух напряжений. Первый вариант — использовать единственный выход и схему ШИМ, меняющую напряжение между 120 и 170 В. Второй способ — использовать преобразователь для одновременного получения обоих напряжений и переключаться между ними с помощью электронной схемы. При первом способе контур управления ШИМ должен быть достаточно быстрым, чтобы отслеживать изменение входного напряжения со 120 В на 170 В за период времени не более 2 мс. Такой быстрый контур управления спроектировать можно, но довольно трудно.

При втором способе используется большее количество компонентов, но контур управления получается намного проще. В нашей схеме напряжения 120 и 170 В будут вырабатываться от различных обмоток трансформатора. Мы можем управлять только одним из напряжений, поэтому нужно найти способ удерживать разницу между двумя напряжениями как можно ближе к 50 В. Одно из возможных решений этой проблемы состоит в том, чтобы управлять источником напряжения 170 В, а напряжение 120 В получать из него с помощью ограничителя напряжения на фиксированную величину 50 В. Видимо, это наиболее разумный подход, так как источник 120 В берёт на себя основную нагрузку в питании устройств, критичных к «чистоте» синусоидального питающего напряжения, и его напряжение склонно падать ниже уровня 120 В, в то время как львиную долю питания прочих электронных устройств обеспечивает источник 170 В.

На заключительном этапе рассмотрим выходной каскад (драйвер) преобразователя. Выходным звеном является стандартный Н-мост, производящий переменный сигнал. Главное различие между этим Н-мостом и Н-мостом, применяемым в импульсном источнике питания, состоит в том, что в рассматриваемой схеме очень часто фазы напряжения и тока не совпадают. В частности, это происходит при работе на нагрузку с коэффициентом мощности менее единицы. Необходимость работы в условиях, когда фазы напряжения и тока не совпадают, означает, что открытые МОП-транзисторы выходного каскада должны пропускать ток в обоих направлениях.

220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232