Назначение, классификация и основные параметры преобразователей

Преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами. При построении устройств и систем электропитания, как правило, приходится решать два типа задач. Одна из них состоит в необходимости преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты при минимальных потерях энергии. Для решения этой задачи используют трансформаторы и дроссели.

Вторая задача состоит в преобразовании постоянного тока в переменный. Для её решения могут быть использованы электромашинные и статические преобразователи.

Электромашинные преобразователи вырабатывают напряжение синусоидальной формы и имеют большую массу и габариты. Полупроводниковые преобразователи вырабатывают напряжение прямоугольной формы. Поскольку недостатком статических преобразователей является небольшая мощность, то в настоящие время во вторичных источниках электропитания специальных радиотехнических систем широко применяются статические полупроводниковые преобразователи, которые наравне с малыми габаритами и массой имеют высокие КПД и эксплуатационную надёжность.

Преобразователи напряжения на небольшую мощность (до 500 Вт) при электропитании от источников с низким напряжением преимущественно выполняются на транзисторах. Статические преобразователи на большие мощности, питающиеся от источников с повышенным напряжением, как правило, выполнять на тиристорах.

В общем случае преобразователь – это активный четырехполюсник, в котором напряжение (ток), подаваемое на его вход, называют преобразуемым напряжением (током), а напряжение (ток) на выходе преобразователя называется преобразованным напряжением (током). В качестве преобразуемых параметров могут быть: род тока (напряжения), частота, число фаз.

Преобразователи классифицируются по следующим признакам.

1. По принципу действия: электромеханические преобразователи и статические преобразователи. В отличие от электромеханических преобразователей статические преобразователи не имеют механически движущихся узлов. Они строятся на электронных приборах, что определяет повышенную надежность и длительный срок службы преобразователей.
2. По назначению:
   • трансформаторы (∼ → ∼, при f₁ = f₂) – изменяют амплитуду преобразуемого напряжения (тока), не изменяя частоту;
   • выпрямители (∼ → =) – преобразуют переменное напряжение (ток) в однополярное, а в совокупности с фильтром – в постоянное напряжение (ток);
   • инверторы (= → ∼) – преобразуют постоянное напряжение (ток) в переменное напряжение (ток);
   • конверторы (= → =) – преобразуют постоянное напряжение (ток) одной величины в постоянное напряжение (ток) другой величины;
   • преобразователи частоты (∼ → ∼, при f₁ ≠ f₂) – увеличивают (уменьшают) частоту преобразуемого переменного напряжения (тока).
3. По применяемой элементной базе различают: транзисторные, тиристорные, акустоэлектронные, ламповые и электромашинные преобразователи.

Основные принципы, реализованные в преобразователях:

• выпрямители реализуют одностороннюю проводимость диодов;
• трансформаторы основаны на взаимодействии электромагнитного поля с катушкой и использовании магнитных свойств радиоматериалов;
• статические инверторы реализуют ключевой режим работы транзистора, т. е. периодическое подключение источника постоянного тока к нагрузке;
• статические конверторы являются сочетанием инвертора и выпрямителя.

Основными электрическими параметрами преобразователей являются:

1. Коэффициент полезного действия (КПД), представляющий собой отношение мощности преобразованного тока к мощности, отдаваемой источником преобразуемого тока.
2. Стабильность выходного напряжения и частоты при воздействии различных возмущающих факторов: нестабильности напряжения источника преобразуемого тока, температуры, сопротивления нагрузки и др.;
3. Пульсация и форма выходного напряжения.
4. Нагрузочная характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от тока (или сопротивления) нагрузки.

Рассмотрим более подробно преобразователи различного назначения и общие принципы их функционирования.

Наиболее простым и энергетически эффективным является преобразование уровней переменного напряжения, осуществляемое с использованием трансформатора. Однофазный трансформатор (рисунок 1) состоит из замкнутого стального сердечника 1 и двух магнитосвязанных обмоток W₁ и W₂.

Рисунок 1 – Конструкция (а) и условное графическое обозначение (б) однофазного трансформатора

Работа трансформатора основана на электромагнитном взаимодействии двух или, в общем случае, нескольких электрически несвязанных между собой (контуров) обмоток. Если одну из таких обмоток включить в сеть переменного тока, то под действием переменного магнитного поля оно меняет направление в зависимости от полярности полуволны напряжения U₁, создаваемого этой обмоткой, в другой обмотке, магнитосвязанной с первой, будет наводиться (индуктироваться) ЭДС.

Выпрямители, в отличии от трансформаторов, относятся к устройствам согласования частоты. Схемы однофазных выпрямителей изображены на рисунке 2. В общем случае принцип действия выпрямителя состоит в том, что в положительный полупериод, когда на аноде диода положительный потенциал, он открывается, и всё напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке R_н.

Рисунок 2 – Однофазные выпрямители: а) однополупериодный, б) двухполупериодный со средней точкой, в) двухполупериодный мостовой

В отрицательный полупериод диод закрыт. Ток через него равен нулю. Всё напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к диоду. Эпюры напряжений и тока, поясняющие принцип работы выпрямителя показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Эпюры напряжения на вторичной обмотке трансформатора (u₂), напряжения на нагрузке (u_н) и тока в нагрузке (i_н) однополупериодного выпрямителя

Инверторы, так же, как и выпрямители, относятся к устройствам согласования частоты. Они преобразуют постоянное напряжение в переменное с заданной формой и частотой. Процесс такого преобразования называется инвертированием и может быть представлен в виде схемы, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4 – Процесс инвертирования

Однако в радиотехнике, когда речь идет о получении токов высоких и сверхвысоких частот, используемых для передачи информации, этот процесс принято называть генерированием. При этом устройство такого преобразования называют генератором высокой (сверхвысокой) частоты. С энергетической точки зрения принципиальной разницы между инвертированием и генерированием нет.

Более сложной задачей является преобразование постоянного напряжения одного уровня в другое. В этом случае необходимо вначале преобразовывать исходное постоянное напряжение в переменное. Это может быть выполнено либо с использованием инверторов, либо различных реактивных, как правило индуктивных, накопителей с соответствующими схемами коммутации. Затем изменять уровень полученного переменного напряжения до требуемого, применяя для этой цели трансформатор TV. И только после этого с помощью выпрямителя получать требуемый уровень постоянного напряжения питания.

Устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня путем промежуточного его преобразования в напряжение переменного тока, называется конвертором (рисунок 5).

Рисунок 5 – Конвертор

Реже для преобразования уровня напряжения применяются ёмкостные накопители. Для преобразования переменного напряжения (тока) одной частоты в переменное напряжение (ток) другой частоты используют преобразователи частоты. Структурная схема преобразователя частоты показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Преобразователь частоты

В преобразователе частоты напряжение источника переменного тока частотой f₁ предварительно выпрямляется. Затем оно подается на инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный ток требуемой частоты f₂ ≠ f₁.