Converters Impuls mit geringer Last

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Converters Impuls mit geringer Last

In der technischen Dokumentation auf dem Chip der Steuerung der Pulsumrichter können Sie ganze Abschnitte gewidmet Lastbetrieb gefunden werden “ligth” (Leichtlast), in dem der Ausgangsstrom erheblich niedriger ist als die nominale oder nicht vorhanden. Die moderne Steuerung mit einer leichten Last kann im kontinuierlichen Modus betrieben werden, Burst-Modus, diskontinuierlichen Leitungsbetrieb, Erzwungene Dauerleitungsbetrieb und andere seltenere Modus. Einige Chips unterstützen verschiedene Betriebsmodi, zulassen, dass die Eigenschaften des Wandlers zu optimieren entsprechend der spezifischen Situation.

Die Anwesenheit von vielen Möglichkeiten zeigt, dass die Arbeit unter geringer Last hat seine eigenen Eigenschaften. In der Literatur zum Thema, es ist zu sehen, dass alle Autoren zwei Betriebsarten des Leistungsteils unterscheiden, je nach Art der aktuellen (oder streamen) Induktorleistung (Abbildung 1). Ein CCM (Dauerleitungsbetrieb) der Drosselstrom auf die gesamte Umwandlungsperiode fließt,, im Gegensatz zu dem diskontinuierlichen Modus DCM (diskontinuierlichen Leitungsbetrieb), in dem der Drosselstrom für einige Zeit abwesend. Und wenn es kein Problem mit der Analyse der elektrischen Vorgänge in einem kontinuierlichen Modus, Sie können nicht die gleiche Sache im diskontinuierlichen Modus sagen, die Prozesse in diesem Regime sind viel komplizierter und, so dass die meisten Menschen nicht dieses Problem oder bieten komplexe und obskure Erklärungen, was in dem Teil der Schaltung Leistung geschieht.

Abbildung 1 Die magnetische Fluss im Dauerbetrieb und diskontinuierlichen.

Was ist also die Eigenschaft des Lichts Last?

schließlich, wenn es keine Probleme, wenn Sie konvertieren Sie Ihre 100% Macht, Warum also angezeigt, wenn Sie 1% konvertieren?

In der realen Welt, dies in der Regel nicht passieren. Wenn der Beutel nicht reißt, wenn es enthält 10 kg, Es wird nicht brechen, wenn es nur enthält 100 g Ähnlich, Wenn ein LKW mit einer Ladekapazität von 3 Tonnen werden mit vielen Gewicht belastet 30 kg, sollte es keine Probleme auf der Reise sein.

Dies gilt jedoch nicht Konvertern pulsieren. Für diese Systeme, Prozesse das 1% der Energie zur Umwandlung von Volllast Prozessen signifikant unterscheiden. E, vielleicht, Dieses Problem erfordert Aufmerksamkeit nicht detailliert, als gäbe es keine Anwendungen waren vor kurzem bidirektionale Energieumwandlung, deren Realisierung ist unmöglich, ohne ein detailliertes Verständnis der Eigenschaften der Leichtlastregelung. Unter diesen Anwendungen gibt es Spannungswandler CA (AC-Wandler / AC), Netzwechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Leistungsregler für batteriebetriebene Geräte und andere.

In diesem Artikel werde ich die Eigenschaften des Betriebes des Pulsumrichter in allen möglichen Modi prüfen, aus der Sicht von der Richtung des Energietransfers:

• Getriebe – wenn die Energie vom Eingang des Umformers an seinem Ausgang übertragen,

• auf ein Minimum – wenn die Energie nicht übertragen,

• Erholung – wenn die Energie in der entgegengesetzten Richtung übertragen – Der Eingang des.

Broadcast-Modus

Betrachten wir die Arbeit eines Sperrwandlers idealisiert (mit Elementen mit idealen Eigenschaften lossless zusammengebaut). Im allgemeinsten Modus, Lassen Sie uns Übertragungsmodus aufrufen, die elektrische Energie in einer Richtung übertragen: vom Eingang des Umformers an seinem Ausgang.

In diesem Modus, die Energie von der Energiequelle zu der Last ankommt portions (Puls) der Wert W_IMP. Jede zweite der Wandler übergibt N_IMP Energie. Jeder Teil wird in zwei Phasen umgewandelt (Abbildung 2). In der ersten Phase wird die Energie W_IMP S1 über den geschlossenen Schalter wird von dem elektrischen Feld in dem Kondensator C1 zu dem Magnetfeld des Induktors L1 übertragen, in der zweiten Phase der L1-Magnetfeld durch den geschlossenen Schalter S2 wird in das elektrische Feld des Kondensators C2 gegossen.

Abbildung 2. Übertragungsmodus.

Die Last an den Ausgang des Umsetzers angeschlossen verbraucht Energie aus dem Kondensator C₂ bei einer Geschwindigkeit P_H . Die Energiemenge, die in dem Kondensator W_C2 und die Spannung an seinen Platten sind ähnlich:

(1)

Taube

die_die – Spannung an dem Kondensator C2, gleich der Ausgangsspannung des Wandlers;
C_C2 – Kapazität des Kondensators C2.

Die meisten Konvertern Stabilisierung der Ausgangsspannung, supportandola, und dann wird die Menge an Energie, die in dem Kondensator C₂, es ist konstant. offensichtlich, warum, die folgende Bedingung muss erfüllt sein,:

(2)

Wenn die Bedingung (2) Es ist nicht zufrieden, dann wird die Menge der Energie in dem Kondensator C2 weiter zunehmen (die F_H<W_IMPN_IMP) oder verringern (die F_H> W_IMPN_IMP) bis er feststellt, ein neues Gleichgewicht ( P_H= W_IMPN_IMP= 0), oder etwas nicht brechen, weil eine konstante Zunahme des Kondensator in Spannung früher oder später zu einem Bruch des dielektrischen führen.

Unter leichter Last, die Leistung P_H gegen Null strebt,, dann um die Erhöhung der Ausgangsspannung zu vermeiden, muss der Regler reduzieren N_IMP o_IMP , oder beides.

Es ist einfacher für die Steuerung der Änderungen’_IMP . In diesem Fall, unter normalen Lastbedingungen, die Anzahl der Impulse entspricht die Frequenzumwandlung (N_IMP= f_PR), und für leichte Lasten, ein Teil der Zyklen übersprungen (N_IWF<f_PR). Dieser Modus wird Modus Pulssprung definiert. jedoch, der W_{ICH BIN} es verringert, der Ausgang des Impulses bewegt sich in niederfrequentes (Abbildung 3), was es ist nicht akzeptabel, in manchen Fällen. deshalb, mit der Lichtlast ist es auch wünschenswert, die Menge an Energie zu verringern W_IMP pro Zyklus umgewandelt.

Abbildung 3. Sprungimpuls-Modus.

Überlegen Sie, was den Wert W beeinflussen_IMP . Die Energie in L1 Wandlereingang auftritt, wenn sie mit dem Kondensator C1 über seine Taste S1 verbunden ist. Wir wissen zum Zeitpunkt der Schließung der S1-Taste nach dem vorherigen Umwandlungszyklus eine bestimmte Menge an Energie W, die_HF:

(3)

Taube

F_MIN – der magnetische Fluss des magnetischen Kreises zum Zeitpunkt der Schließung der S1;
EIN_L – Es ist der Konstruktionsparameter des magnetischen Kreises, Üblicherweise verwendet, um die Induktivität L der Wicklungen zu berechnen (L = N²EIN_L, wobei N die Anzahl der Umdrehungen).

Abbildung 4.Parameter des magnetischen Flusses des Transformators.

Der Schlüssel S1 wird für eine Zeit t geschlossen₁ , in der Wicklung W1 L1 der Eingangsspannung U angelegt wird,_BX , unter der Wirkung von denen, Nach dem Gesetz von Faraday, der magnetische Fluß in dem Induktor um einen Betrag geändert ΔФ

(4)

wobei N₁ ist die Anzahl der Windungen der Wicklung W1.

dann, wenn es geöffnet S1 Taste, der magnetische Fluß im Transformator den Wert erreichen Ф_MAX :

(5)

Das entspricht der Energie W_MAX:

(6)

Subtrahieren (6) die magnetische Energie, die zum Zeitpunkt des Schließens der S1-Taste (3), Sie sind in der Energiemenge, die durch den Kondensator C1 übertragen Transformator erhalten:

(7)

wobei ФСР = Mittelwert des Magnetflusses im Bereich t1 :

(8)

die Formel (7) Es zeigt, dass die Leistung von der Last, die Parameter des magnetischen Flusses in dem Transformator beeinflussen absorbierte. Zur Reduzierung des W_IMP unter leichter Last, Sie müssen die Konstante Φ reduzieren_CP Df oder die Variablen der Magnetflußkomponenten.

Der Wert wird bestimmt durch ΔΦ (4). Von allen Komponenten dieser Formel, kann die Steuerung nur die Dauer t ändern₁ , denn in fast allen der Schlüssel S1 gesteuert Wandler. jedoch, die Ausgangsspannung hängt auch von t₁ , die für den Sperrwandler definiert durch die Formel:

(9)

Taube

N₂– Anzahl der Windungen der Wicklung W2
t₂ – die Dauer des geschlossenen Zustands S2 Taste

deshalb, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung ändert sich nicht, zusammen mit t₁ Sie ändern müssen t₂ in einer solchen Weise, dass das Verhältnis t₁/ t₂ bleibt gleich (Abbildung 5). Aber bei der Verwendung einer Halbleiterdiode als unkontrollierte Taste S2, die Fähigkeit, die Dauer t zu steuern₂ es ist unmöglich,. Und selbst wenn t₂ Es verringert sich automatisch, und die Steuereinheit kann das gewünschte Verhältnis liefern t₁/ t₂, einerlei, zu reduzieren t₁, auch bei t₂, Es ist möglich, nur innerhalb bestimmter Grenzen. Früher oder später wird es eine Zeit kommen, wenn t₁ o t₂ Es wird weniger als die Zeit, die Tasten ändern, denn in der Praxis sind sie nicht ideal.

Abbildung 5. FMagnetische Luxus im diskontinuierlichen Modus.

Es stellt sich heraus, dass in einer diskontinuierlichen Weise, die es in dieser Art der Dimmung verwendet, kann der Wechselrichter nicht, in Zeile Prinzip stabilisierten Leerlaufspannung, wenn P_N= 0, t₁= 0 e t₂= 0. Wenn der Controller nicht unterstützt zusätzliche Impulse diskontinuierlichen Modus , dann muss das Leistungsteil notwendigerweise eine Mindestlast haben, zu dem es noch möglich, die Ausgangsspannung innerhalb der geforderten Grenzen zu halten irgendwie, sonst wird es nicht steuerbar sein. Um dies zu tun, der Ausgang wird in der Regel mit einem Verlust Widerstand geladen, um die Minimallast haben.

Modus auf ein Minimum

nach (7) e (9), der Träger der Leichtlastregelung kann durch Verringerung des Durchschnittswerts des magnetischen Fluss Φ garantiert werden_CP , vorzugsweise ohne t zu ändernden₁ e, entsprechend, DF. nach (5), das bewegliche Element DФ bestimmt durch das Vorzeichen des magnetischen Flusses unter Berücksichtigung, jedoch, wenn Sie F_MIN = -F_MAX , dann, durch die Formel (8), Sie erhalten F_CP= 0 für beliebige Werte F_MIN und Ф_MAX .

Was gibt uns diese?

Die variable Komponente des Magnetfluss ΔΦ hängt von dem Verhältnis zwischen den Spannungen am Eingang und am Ausgang des Wandlers; dass_IM/ die_AUS , zweite (9), Es hängt von t₁ , und darauf, zweite (4), DF. deshalb, Af im Betrieb des Wandlers tatsächlich durch die Schleifenspannungsstabilisierung bestimmt. wenn die 100% der Leistungswandler arbeitet im Modus- Unterbrechung (F_{Muss ich}> 0), Verringern des aktuellen Wertes P Last_ANFANG und P_MIT Sie zeichnen sich durch die gleiche Menge ohne Af Änderungen reduziert. Diese Prozesse stattfinden, solange F_{Muss ich} wird den Nullwert nicht erreichen (Abbildung 6).

Von diesem Moment an, verschiebt sich der Antrieb auf den Schwachlastbetrieb und bei seiner weiteren Betrieb hängt bereits von dem Basiselement des Leistungsteils.

Abbildung 6 Der Magnetfluss, wenn der Laststrom abnimmt.

Wenn die Taste S2 eine Halbleiterdiode ist, nicht gesteuert wird, der Wechselrichter eintritt diskontinuierlichen Modus, in dem AF- und F_SR Sie sind t gleichzeitig reduziert reduziert₁. Aber wenn die S1 und S2-Tasten sind in der Lage Strom in beiden Richtungen passieren, zum Beispiel, wenn sie von MOSFET gebildet, der Wechselrichter in einen kontinuierlichen Leitungsmodus gezwungen. In diesem Modus, Die variable Komponente von Af nicht ändert und die Abnahme der umgewandelte Leistung tritt nur aufgrund einer Abnahme der F_CP.

Abbildung 7. Bedienung des Converter inaktiv.

Eine weitere Verringerung des Laststroms wird zu einer Verschiebung sogar größer ist als der magnetische Fluss in dem negativen Bereich führt. Wenn die Last vollständig getrennt, der Umrichter in den Ruhezustand gehen, deren Charakteristik ist die Einhaltung der Gleichheit Ф_MAX= -F_MIN. In diesem Modus, der Austausch der Energie zwischen den Kondensatoren C1 und C2 tritt im W-Wert_XX (Abbildung 7):

(10)

Bei der Schließung des Schalters S1 Energie W_XX das erste Induktionsspule L1 ist mit dem Kondensator C1 übertragen, bis die Strömung Null erreicht, die Induktivität L1 und entladen. dann, unter der Wirkung der Spannung auf dem Kondensator C1, die Energie fließt wieder in den Beschleuniger, aber bereits mit einer anderen Polarität des magnetischen Flusses. In dem Moment, in dem der Schalter S1 öffnet, der L1-Transformator enthält die’ Im Energie_XX dass, Nachdem die Schalter S1 und S2 Schalt, Es wird an den Kondensator C2 übertragen werden. In der Mitte der zweiten Stufe der Transformation, nach, dass der Magnetkern vollständig heruntergeladen wurde, unter dem Einfluss der Spannung an dem Kondensator C2, wird der magnetische Fluß erneut das Vorzeichen ändern und die Spule beginnt, Energie von dem Kondensator C2 zu absorbieren.

Ein offensichtlicher Vorteil der erzwungenen kontinuierlichen Leitfähigkeit unter geringer Last ist die vollständige Steuerbarkeit des Konverters. In diesem Modus, die Dauer t₁ e t₂ nicht abhängig von dem Laststrom, dass bietet eine wirksamere Regulierung der Ausgangsspannung, Im Gegensatz zu dem Burstmodus und der Sprungmodus Puls. Nachteile sind höhere Energieverluste aufgrund der Zwangsbekehrungen W_XX, dass für einige Anwendungen kann es ein ernstes Problem sein.

Die erzwungene kontinuierliche Leitfähigkeitsmodus ist nur möglich, in Fällen, in denen die Schalter S1 und S2 in beiden Richtungen Stromfluss bereitzustellen, weil mit variablen magnetischen Flusses, in Übereinstimmung mit dem Gesetz des Gesamtstroms, auch der Strom in den Wicklungen wird variabel sein. Für den Sperrwandler betrachtet, in denen fließt der Strom immer durch eine Wicklung, das Verhältnis der Ströme I₁ I e₂ der Wicklungen W₁ e W₂ zum Magnetfluß F wird sie durch die folgenden Formeln bestimmt werden:

(11)

Nur die MOSFET für das Bestehen des Stromes in beiden Richtungen gefahren werden, dann ist der kontinuierliche Zwangsleitfähigkeitsmodus nur möglich, in dem Synchron Wandler auf der Grundlage diese Art von Halbleitervorrichtungen (Abbildung 8). Wenn mindestens ein von S1 und S2 wird auf der Grundlage Bipolartransistoren, IGBT, Dioden oder andere Elemente, in dem der Strom nur in eine Richtung fließen, um einen erzwungene kontinuierlichen Leitungsmodus zu implementieren, ist erforderlich, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen,.

Abbildung 8. synchroner und nicht-synchroner Wandler

auch, die Rolle von C1 und C2 wird offensichtlich, wirkt nicht nur als Filter, sondern auch als Energiespeicher, grundlegend notwendig für den Betrieb unter geringer Last.

Wiederherstellungsmodus

Und was, wenn der durchschnittliche Wert des magnetischen Flusses F_CP wird ein umgekehrtes Vorzeichen haben ΔФ , zum Beispiel, die Ф_MAX< 0 und Ф_MIN< 0 , wenn die Bedingung Ф_MAX< F_MIN ? In diesem Fall, zweite (7), W_IMP<0, und die Energie durch den Konverter in der entgegengesetzten Richtung vom Eingang gehen (Abbildung 9).

Abbildung 9. Verfahren zur Regeneration.

Wenn eine solche Regelung ist notwendig,?

beispielsweise, wenn der Eingang des Umsetzers ist mit dem Systembus verbunden ist und der Ausgang an die Batterie, die die Notstrom-Rücklage enthält (Abbildung 10). Im Normalmodus, das System wird aus der Hauptquelle mit Strom versorgt und der Wandler übernimmt die Funktion des Ladegeräts, während Energie vom Eingang zum Ausgang des Wandlers über, Das entspricht den Übertragungsmodus. Wenn die Batterie geladen, die Energie wird nicht überall übertragen und der Wechselrichter ist auf ein Minimum. Im Fall eines Stromausfalls, Die Batterie ist mit dem Stromversorgungsbus durch den Konverter gesendet, die in der regenerativen Betriebsart arbeitet,, Bereitstellen von Strom an die Last.

Abbildung 10. Beispiel für den Betrieb des Wandlers in drei Modi.

Es soll beachtet werden, dass der Übergang von einem Modus zu einem anderen automatisch ist, ohne Beteiligung der Steuerung, deren Hauptaufgabe es ist in diesem Fall nur um das gewünschte Verhältnis aufrechtzuerhalten t₁/ t₂ so dass, in einer Basis (9), sowohl für die U-Wert Anfrage_IM/ die_AUS oder der Laststrom Anfrage.

Abschluss

Um sicherzustellen, dass der Schwachlastbetrieb schafft keine Probleme, der magnetische Fluss sollte in der Lage sein, seine Polarität zu ändern.

Mit der DC-Wandlung / DC, Dies ist leichter zu schaffen Wandler mit Synchron-MOSFET-Basis. auch, dies wird automatisch in AC-Wandler ausgeführt / AC, da in ihnen der Fluss des Wechselstroms durch die Leistungsschalter, jedoch, wie die Arbeit an der reaktiven Last, Voraussetzung ist,. In anderen Fällen, Sie müssen sorgfältig den Leichtlastbetrieb untersuchen die erforderliche Genauigkeit zu gewährleisten,, Zuverlässigkeit, Die Effizienz und andere Eigenschaften des Wandlers.

Liste der Quellen

In der Vergangenheit habe ich darauf hingewiesen, dass nicht meine Quellen zitieren, jetzt für die Zukunft, so weit wie möglich, Ich werde versuchen, Quellen zu zitieren.

• Kadatsky VON, Rusu A.P. Die Analyse der Prinzipien der Konstruktion und Funktionsweise von gepulsten elektrischen Energiewandlern // Leistungselektronik Praxis.- 2016. – Nein. 2 (62).- S.10 – 24.
• Kadatsky VON, Rusu A.P. Analyse von elektrischen und magnetischen Vorgänge in Engpässe von Stromwandlern Puls // Technik und Design von elektronischen Geräten (TCEEA) – 2016. – № 6.- S.17 – 29.
• Rusu A.P. Transformation von gepulstem Wechselstrom / / Radio Lotsman – 2017. – № 6.- S.24 – 32.