В статье описываются различные варианты построения AC/DC преобразователей со стабилизацией выходного напряжения или выходного тока предназначенные для работы как на активную, так и на индуктивную нагрузку.
Широтно-импульсная модуляция (PWM, Pulse-Width Modulation) — это распространенный способ управления мощностью, подводимой к нагрузке, методом изменения ширины (длительности) импульсов или паузы между импульсами при постоянной или изменяющейся частоте. ШИМ широко применяется в промышленности и в быту для регулировки и стабилизации напряжения или тока преобразователей, блоков питания, зарядных устройств, сварочных аппаратов и т.п.
На рис.1 отображены различные варианты ШИМ. Отношение периода следования электрических импульсов к их длительности называется скважностью, а для ШИМ-регуляторов — это величина обратная мощности выделяемой в нагрузке. Так для уменьшения тока нагрузки мы должны увеличивать скважность регулируемого тока и наоборот.
Вниманию читателей предлагается схема устройства, на основе таймера NE555 (отечественный аналог 1006ВИ1) Это — источник регулируемого стабильного напряжения или тока для изолированных от земли мощных потребителей постоянного тока, таких как, например, роторы мощных синхронных машин или двигатели постоянного тока (ДПТ). На рис.2 показан стабилизатор напряжения, на рис.3 — стабилизатор тока. Максимальная величина тока нагрузки (в десятки или даже сотни ампер) определяется способностью сетевого выпрямительного моста VD1, силового ключа VТ1 и габаритами радиатора охлаждения, на котором они установлены. а при индуктивной нагрузке — еще и параметрами диода VD7, ток через который, в этом случае, соизмерим с током нагрузки.
Работает стабилизатор следующим образом: при достижении параметра на соответствующем датчике напряжения или тока (R14 на рис.3), на резисторе RV1, а, следовательно, и на оптроне VU1 формируется сигнал обратной связи, который блокирует работу задающего генератора DA1 и, таким образом, запирает силовой ключ VT1. Выходной параметр, вследствие разряда емкости и/или индуктивности, начинает снижаться и затем работа генератора возобновляется.
Из-за высокого быстродействия микросхемы, частота коммутирования режимов работа-блокировка получается значительной и может даже превышать частоту генерации ШИМ (рис.4) и, как следствие, коэффициент стабилизации схемы будет довольно высоким.
Рассмотренный выше автоматический способ управления таймером NE555 по входу Е (выв.4) не является единственно возможным. Управляющий сигнал через оптрон (или каким-либо другим методом) можно подавать на вход R (выв.6), т.е. на частотозадающий конденсатор С11, при этом можно регулировать скважность в достаточно широких пределах, или на вход Uн (выв.5). При этом пределы регулирования будут несколько меньше, но можно добиться так называемого эффекта перерегулирования. В этом случае при уменьшении сетевого напряжения или при увеличении тока нагрузки, выходное напряжение не уменьшается, а увеличивается и наоборот.
О деталях преобразователя
В роли (рис.2 и рис.3) лучше всего использовать мощный IGBT или MOSFEET транзистор с номинальным током не ниже максимального тока нагрузки.
Например, для построения возбудителя мощного синхронного двигателя можно использовать IGBT транзистор, изображенный на рис.5 – MG300Q1US11 (номинальный ток 300 А и напряжение более 1000 В). В практике ремонта оборудования у электриков бывают случаи выхода со строя силовых IGBT-модулей, таких, например, как SKM150GB128D (рис.6), M150DSA120 или CM200DY-24NF (рис.7). При этом, как правило, один из двух транзисторов модуля остается исправным. Для нашего случая это и «спасение» ценной детали, и защита бюджета от немалых расходов при приобретении очень дорогих компонентов.
Цепочка R15, С15 (рис.2 и рис.3) — это снаббер, т.е. демпфирующее устройство, не допускающее опасного перенапряжения при закрывании ключа. На схемах рис.8 и рис.9 снаббер дополнен диодом VD11, заметно уменьшающим тепловые потери на резисторе снаббера.
Диод VD7 (рис.2, рис.3) необходим для работы с индуктивной нагрузкой. Для токов в десятки и сотни ампер можно применить быстрый спаренный диод MURP20040CT фирмы Motorola (200 А, 400 В). Для меньших токов можно использовать менее мощные диоды, но они должны быть «быстрыми» — серии SF, UF. HER, FR (в порядке ухудшения быстродействия). Если нагрузка не индуктивная: нагреватели, гальванические ванны и др., то этот диод можно не устанавливать.
Фирма Semikron выпускает, как бы специально для нашего случая, очень интересный IGBT-модуль SKM400GAL128D (рис.10), в состав которого входит, кроме обычного параллельного транзистору диода, еще один силовой диод, «вместо» «верхнего» транзистора. Использовать подобный модуль можно согласно схеме на рис.11. Кстати, на этой схеме показано, что питать устройство можно не только фазным напряжением сети, но и линейным, что позволяет получать стабильное регулируемое постоянное напряжение на выходе до 550 В и более.
Получить повышенное напряжение можно и от однофазной сети, если воспользоваться удвоителем напряжения. Для этого (см. рис.11) нужно заменить один полумост (VD4) двумя оксидными конденсаторами, включенными последовательно вместо диодов моста (аналогично включены С2, С3 на том же рисунке). В этом случае выпрямленное напряжение составит 640 В, но мощность всей установки будет ограничена емкостью этих конденсаторов.
В роли R1, ограничителя зарядного тока конденсаторов сетевого фильтра, должен быть резистор, способный кратковременно выдержать сетевое напряжение без разрушения. Следует только заметить, что чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше может быть его мощность, но тем дольше будут заряжаться конденсаторы С2, С3 до готовности к работе. Ограничителем зарядного тока может быть лампа накаливания на напряжение 230 В, а лучше — две (рис.3). Конденсаторы С21, С22 вместе с диодным мостом VD12 на рис.12 служат для замены «энергоемкого» резистора в цепи питания схемы управления (R2 на рис.2), они должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 350 В. Их емкость определяет ток через стабилитрон VD2 и, следовательно, степень его нагрева и качества стабилизации. При большем токе стабильность напряжения питания микросхемы улучшается, но возникает необходимость использования радиатора для стабилитрона.
Улучшить параметры стабилизации без установки радиатора и защитить схему от наводимых помех, поможет вторая ступень стабилизации на стабилитроне VD3 (рис.11). Будет значительно лучше, если использовать интегральный стабилизатор DA1 (рис.12).
Но самым радикальным способом улучшения стабильности работы устройства будет питание схемы управления от отдельного источника питания (AC/DC преобразователь на рис.3). В качестве последнего можно использовать зарядное устройство от старой «мобилки» с выходным напряжением 8.. 12 В. Автор встречал китайские «зарядки» с напряжением более 16 В — такие тоже подходят. Гальваническую развязку обеспечивает трансформатор в зарядном устройстве. Дополнительная стабилизация напряжения источника, в этом случае, тоже не помешает. Важным условием правильной работы схемы является последовательность включения источника питания микросхемы — только после заряда накопительных конденсаторов С2, С3, что обеспечивает дополнительная контактная группа К1.2 контактора К1 (рис.2).
Назначение стабилитронов VD9, VD10 в измерительной цепи — ограничить «снизу» регулировку выходного напряжения. Дело в том, что трудно представить себе прикладное назначение подобного устройства с регулировкой от нуля до 300 В. даже лабораторные источники питания с такими возможностями вряд ли имеют смысл. Минимальное выходное напряжение источника примерно соответствует напряжению стабилизации VD9 (VD10). Так если, например, требуется напряжение в пределах 200…300 В, то в роли VD11 необходима сборка из трех стабилитронов на 65…70 В каждый, например BZX55C68. Д817Б или двух на 100В (BZX55C100, Д817Г). С высоковольтными стабилитронами нужно быть осторожным — при большом токе через них стабилитроны сильно греются, а малого тока через них может не хватить для нормальной работы светодиода оптрона.
Ограничить «сверху» выходное напряжение поможет установка дополнительного резистора R16 в измерительной цепи (рис.11).
Для индуктивной нагрузки (обмотка возбуждения электрической машины, электромагнит металлообрабатывающего станка и т.п.) конденсатор С16 не нужен. Индуктивность дросселя L2 должна быть не меньше 10 мГн для минимальной частоты преобразования в десятки герц (определяется параметрами элементов R8, R12, С11) и может быть уменьшена для более высоких частот. Кстати, «сложность» частотозадающей цепи (R8, R12. С11, VD13) определяется необходимостью сформировать «естественную» (без обратной связи) форму сигнала, отличающуюся от «меандра» (это — когда скважность равна двум, см. рис.1,а, Nom.), а сделать ее с большим заполнением, близким к единице (рис.1,а, Мах).
Дроссель L1 не является необходимой деталью схемы, а служит лишь для улучшения коэффициента мощности (увеличения cosφ), что требуют энергогенерирующие компании.
На потребительские свойства этот элемент не влияет (кроме ухудшения массо-габаритных показателей). Конструкция обоих дросселей (L1, L2) не имеет особого значения, лишь бы они не насыщались при максимальном токе (они должны быть или очень большого геометрического размера, или с немагнитным зазором в магнитопроводе), сечение провода должно быть рассчитано на максимальный ток, а изоляция — на максимальное напряжение.
Конденсатор С14 имеет принципиальное значение — он уменьшает наводимые помехи и замедляет процессы в цепях обратной связи а, следовательно, уменьшает частоту коммутации при стабилизации выходного параметра. Дело в том, что IGBT ключи не «любят» работать на частотах в десятки килогерц — им «комфортнее» если частота переключения не выше 10… 15 кГц (MOSFEET транзисторы могут работать на частотах в десятки раз больших). Качество стабилизации от этого немного ухудшается, но если «надежность» не пустой звук для разработчика, то это того стоит.
Первое включение и настройка устройства
Очень важно! Рассматриваемые устройства не имеют гальванической развязки от сети 230 В / 50 Гц, т.е. все элементы находятся под опасным для человека напряжением.
Перед подачей сетевого напряжения желательно убедиться в исправности регулятора. Для этого от внешнего источника напряжением 8..15 В нужно запитать микросхему, силовую часть и регулятор RV1 по схеме рис.13. Роль нагрузки может играть автомобильная лампочка с мощностью, которую может обеспечить временный источник питания. После сборки временной схемы и подачи напряжения, лампа должна загораться с максимальным накалом при перемещении движка RV1 вверх и должна притухать до минимума при перемещении движка RV1 вниз. Если так и есть, можно (после восстановления исходной схемы) подавать высокое напряжение.
Улучшение потребительских свойств преобразователя
Само собой разумеется, что питать схему можно не только непосредственно от сети 230 В / 50 Гц, а и через силовой разделительный трансформатор со вторичной обмоткой на нужное напряжение (от 30 до 400 В), который на схемах не показан.
На практике часто возникает необходимость в защите от экстремальных условий работы источника питания — перегрузки, короткого замыкания в нагрузке, перенапряжения и т.п. Предлагаемая разработка имеет неограниченные возможности модернизации. На рис.12 изображена схема с защитой от короткого замыкания в нагрузке — в случае превышения тока через датчик тока К3, срабатывает геркон (К3.1) и, своими контактами, дает отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора VS1, который, в свою очередь, блокирует таймер DA1 и зажигает лампу HL3. В таком положении схема будет находиться до отключения питания и устранения неисправности. Датчик тока К3 представляет собой провод или шину, свитые в спираль, вдоль оси которой и находится геркон К3.1. Регулировка чувствительности датчика производится продвижением геркона вдоль оси спирали. Для токов в единицы ампер эта спираль содержит десятки витков, для десятков ампер — единицы витков, а для тока в сотни ампер геркон располагается поперек токоведущей шины и регулируется поворотом на некоторый угол от перпендикуляра — самого чувствительного его положения.
Короткие замыкания в плюсовой шине нагрузки, как и питающих шинах, представляют собой особый вид замыканий, с которым трудно бороться. В этом случае (рис.11) датчик тока К3 в плюсовой шине питания защищает не столько нагрузку, сколько источник питания, диодный мост и контакты К1. От перегрузок спасет подобная защита в цепи отрицательной шины нагрузки (рис.14), рассчитанная на отключающий ток, незначительно превышающий номинальный (примерно на 15…20%). Тогда реле Кб заблокирует только таймер DA1 (перегруз), а реле К3, при коротком замыкании на землю, отключает контактор К2 и, следовательно, К1 (как на рис.11). Если неисправность не устранена, разряжаются накопительные конденсаторы и загорается «сигнальная» лампа HL2, которую можно сопроводить надписью «Авария» или «Неготовность».
Защитить устройство от коротких замыканий в нагрузке и других токовых нарушений так же может установка индуктивности L4 в цепи эмиттера силового ключа (рис.12). В зависимости от номинального тока установки число витков катушки L4 может быть от единиц до десятков (аналогично датчику тока К3 на рис.11), с сечением провода, заведомо большим необходимого (рис.15). В нормальном режиме этот элемент (из-за своего ничтожного активного сопротивления) не оказывает существенного влияния на режим работы, а в случае «форс-мажора» формирует сигнал управления для блокирующего транзистора VT2.
На рис.3 изображен способ реверсирования двигателя при помощи дополнительных контакторов К4 и К5 и коммутационных элементов SB1… SB3, но делать это желательно после остановки двигателя или на малых оборотах.
Дополнительные дроссели L5, L6 на рис.14 кроме традиционной функции сглаживания пульсаций обладают дополнительными функциями — это дифференциальные датчики тока и температурно-зависимые датчики тока. При коротком замыкании в нагрузке, скорость нарастания тока (di/dt) колоссальна и ЭДС наводимая в индуктивности возрастает раньше, чем ток достигнет опасных значений. Быстродействующая защита тоже сработает раньше и разрушений не будет — это дифференциальная защита по току. А температурная защита основана на использовании высокого температурного коэффициента сопротивления меди. При увеличении температуры, сопротивление обмотки увеличивается и это воспринимается датчиком тока, как увеличение тока, что приводит к его автоматическому снижению и защите от перегрева других элементов схемы. От перенапряжения в нагрузке (например, при пробое силового ключа VT1) может защитить реле высокого напряжения К7 (рис.8). После втягивания это реле остается под напряжением, даже если напряжение само нормализовалось — для выявления и устранения неисправности оперативным персоналом.
На рис.9 изображен еще один способ блокировки таймера при аварии, с помощью геркона, аналогичный показанному на рис.12. Схема немного сложнее, но имеет большее быстродействие.
Автор: Александр Шуфотинский, г. Кривой Рог
Источник: журнал Электрик №9/2017
Спасибо, интересная статья. Надо попробовать построить step-down преобразователь по этому принципу. Только думаю перестроить логику работы микросхемы… Что то в виде одновибратора с управлением паузы между импульсами. Время нарастания тока в нагрузке будет определять дроссель и входное напряжение, электролиты на входе не нужны, иначе коэффициента мощности хорошего не получить. Время паузы уже определит одновибратор. Правда нужно еще время открытого ключа.. но думаю это определит, время «заряда» индуктивности и соответственно нарастание тока до отсечки. В этом случае остаётся важным и требует расчета только дроссель, номинал, ток и размах пульсаций в дросселе на определенную максимальную нагрузку. Управление током нагрузки паузой между импульсами, соответственно работа дросселя в прерывном режиме на малых мощностях и непрерывном на максимальной мощности, т.е. соответственно частота будет «гулять». Как то так… Буду признателен, если прокомментируете. что об этом думаете….