книги / Стабилизаторы напряжения с переключаемыми регулирующими элементами

Широкое внедрение во все отрасли народного хозяйства современных средств, автоматики и вычислительной тех­ ники (САВТ) ставит актуальную задачу совершенствова­ ния источников вторичного электропитания (ИВЭП), обес­ печивающих САВТ требуемым качеством питающего на­ пряжения. Существующие ИВЭП имеют относительно низкий КПД, в них выделяется значительная тепловая мощность, что вынуждает увеличивать габаритные разме­ ры аппаратуры, снижает ее надежность и т.. д.

Некоторые САВТ не требуют высокого качества пита­ ющего напряжения и мало критичны к переходным про­ цессам в ИВЭП, в том числе и при скачкообразном (им­ пульсном) характере нагрузки. В этом случае существен­ ное повышение КПД ИВЭП может быть достигнуто при использовании импульсных методов регулирования и .ста­ билизации напряжения (импульсные ИВЭП).

Большинство САВТ (аналоговые устройства, средства цифровой техники с резко изменяющимся током потребле­ ния и др.) предъявляют достаточно высокие требования к уровню пульсаций и динамической нестабильности пита­ ющего напряжения при импульсном характере тока на­ грузки. В этом случае наиболее приемлемыми являются ИВЭП с непрерывным (линейным) способом стабилиза­ ции и регулирования напряжения (непрерывные ИВЭП).

Однако наряду с высоким качеством стабилизируемого напряжения непрерывные ИВЭП обладают весьма низки­ ми энергетическими характеристиками и большими габа­ ритными размерами. Это обусловлено тем, что при непре­ рывном регулировании напряжения весь избыток энергии в диапазоне изменения входных и выходных дестабилизи­ рующих факторов выделяется в виде теплоты в регулиру­ ющем элементе (РЭ), поскольку последний является по существу регулируемым активным сопротивлением.

Тепловые потери в непрерывных ИВЭП можно умень­ шить путем сокращения диапазона изменения напряжения на РЭ, что обеспечивается в ИВЭП с переключаемыми ре­

гулирующими элементами (ПРЭ). Характерным для них является наличие двух и более РЭ, каждый из которых работает в активном режиме (в режиме стабилизации выходного напряжения) поочередно, в зависимости от на­ пряжения питающей сети или тока нагрузки. При этом обеспечиваются минимальные потери мощности на каж­ дом РЭ, а следовательно, на всей совокупности РЭ ИВЭП.

В общем случае к ИВЭП с ПРЭ можно отнести ста­ билизаторы напряжения (СН) с выходом постоянного то­ ка, в которых путем поочередного переключения несколь­ ких РЭ регулирование производится как плавно, так и дискретно, но во всех случаях должна быть обеспечена непрерывность протекания тока в силовой цепи СН.

Имеющиеся публикации по непрерывным и импульс­

подход к проектированию ИВЭП с ПРЭ'.

В данной книге сделана попытка обобщить и система­ тизировать имеющиеся материалы по ИВЭП с ПРЭ, при­ водятся основные расчетные соотношения, характерные для ИВЭП с ПРЭ различных типов, рассматривается ряд технических решений, позволяющих получить улучшенные массога^аритные и энергетические характеристики непре­ рывных ИВЭП с выходом постоянного тока.

Авторы весьма признательны рецензенту проф.

В.П. Мил'овзорову и редактору книга доктору техн. наук

Э.М. Ромашу за ценные замечания,^ способствовавшие су­ щественному улучшению качества изложения материала книги.

Отзывы и пожелания просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10. Энергоатом-

издат.

Авторы

Принцип построения ИВЭП с ПРЭ в наибольшей мере оправдывает себя при питании их от сети, в которой длительное время поддер­ живается напряжение с малыми отклонениями от номинала (в преде­ лах 5— 10 %) и имеются кратковременные, но значительные (до 25— 40 %) отклонения этого напряжения (как правило, на его уменьшение)., Такой режим имеет место в случаях, когда отдельные энергоприемники имеют пусковые мощности, соизмеримые с мощностью первичных источ­ ников электропитания. Аналогичные процессы наблюдаются при исполь­ зовании электроэнергии от маломощных понижающих подстанций, имеющих длинные кабельные линии малого сечения.

Рис. 1. Типовая структурная схема ИВЭП с ПРЭ

Целесообразность применения ИВЭП с ПРЭ можно оценить, рас­ смотрев влияние изменения входного напряжения (питающей сети) на КПД и другие параметры непрерывных ИВЭП, типовая структура ко­ торых приведена на рис. 1.

Согласно [1] регулирующий элемент РЭ непрерывного «табилизатора напряжения СН должен быть рассчитан на максимальную мощ­

где Ри, Un, / н — мощность, напряжение и ток нагрузки СН соответст­ венно; атах — коэффициент, учитывающий изменение питающего на­

пряжения в сторону увеличения; Amin — коэффициент, учитывающий

где Р vTi — максимально допустимая мощность, рассеиваемая одним

транзистором.

Из (10) с учетом КПД трансформатора т^т получаем выражение»

определяющее зависимость КПД СН от Дип:

Чт

полагать, что VB = const, ^СУ = const.

Реальное значение VT может быть найдено из выражения

где K v т — объемный коэффициент, зависящий от частоты:, сети,, плот­

ности тока в обмотках, рабочей индукции и др. [2].

сеиваемой на РЭ, можно руководствоваться исследованиями Мефферта £3], установившего экспериментальным путем, что при равномерном распределении теплоты по конечному объему необходимое значение по­ следней примерно пропорционально мощности теплового источника, т. е.

примёнительно к данному случаю

териала, состояния поверхности радиатора, суммарного теплового сопро­ тивления переход— среда и пр.

Выражение (17) подтверждается [4] и хорошо согласуется с опы­ том проектирования СН. Это объясняется тем, что условие равномер­

диодов выпрямителей) монтируется на одном общем радиаторе с хо­ рошо развитой поверхностью.

Резюмируя изложенное, из (13) с учетом (7), (10), (16) и (17) не­

Необходимо отметить, что для получения реального объема СН значение Кен, найденное из (18), должно быть умножено на коэффи­ циент, учи+ывающий конструктивные особенности устройства. Однако, поскольку этот коэффициент остается одним и тем же для СН при питании от сети с разными значениями отклонения напряжения, в (18) он не учтен.

Соотношения (11), (12) и (18) показывают, что основные характе­ ристики СН: объем, КПД, сложность (надежность)— существенно за­ висят от расчетного значения диапазона изменения напряжения пита- *