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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Puissant convertisseur de tension continue stabilisée pour l'alimentation des équipements réseau. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Convertisseurs de tension, redresseurs, onduleurs Le dispositif proposé est destiné à alimenter des équipements fonctionnant à partir d'un réseau 220 V 50 Hz sur le terrain, ainsi que lors d'un arrêt d'urgence du réseau alternatif. Le convertisseur a une conception de bloc. Il alimente la charge avec une tension continue stabilisée de 310 V ou une tension alternative impulsionnelle de même amplitude avec une valeur efficace de 220 V. L'ajout d'un filtre LC permet d'obtenir une tension alternative sinusoïdale de 220 V. Les appareils électriques sont largement utilisés dans la vie quotidienne de l'homme moderne. Dans la très grande majorité des cas, leur source d'énergie est un réseau à courant alternatif de 220 V. Dans le même temps, l'alimentation électrique de nombreuses régions de notre pays n'est pas très fiable. Dans la littérature radioamateur, de nombreux articles ont été publiés sur les convertisseurs DC-AC de batterie adaptés à l'alimentation des consommateurs lors d'une panne de courant. Ils peuvent fonctionner sur le principe de la conversion basse fréquence [1-4] ou haute fréquence [5, 6]. Chacun de ces types de convertisseurs a ses propres caractéristiques. Ceux à basse fréquence ont une masse et des dimensions importantes en raison de l'utilisation d'un transformateur basse fréquence. Dans le convertisseur [3], seule la valeur redressée moyenne de la tension de sortie est stabilisée, mais les valeurs d'amplitude et efficaces ne sont pas stabilisées, ce qui peut dans certains cas endommager les charges alimentées. Le convertisseur [4] utilise un réglage pas à pas de la tension de sortie sans rétroaction, ce qui n'offre pas une stabilité élevée de la tension de sortie. Les transducteurs fonctionnant à des fréquences ultrasonores (dizaines de kilohertz) [5, 6] sont meilleurs en termes de poids et d'encombrement, mais leur puissance de sortie ne dépasse pas 300 W. L'auteur avait besoin d'alimenter des charges de plus grande puissance. Lors du développement du dispositif proposé, l'auteur a tenté de préserver les avantages de la conversion haute fréquence et d'augmenter la puissance de sortie à 1 kW. Principales caractéristiques techniques (à température ambiante 13...20 °С)
Le convertisseur se compose de quatre blocs: un générateur haute fréquence, dont le circuit est illustré à la fig. 1, un onduleur haute fréquence avec un redresseur - multiplicateur de tension (Fig. 2), un générateur basse fréquence (Fig. 3) et un onduleur-commutateur à pont basse fréquence (Fig. 4).
Le bloc générateur haute fréquence (voir Fig. 1) contient une unité de contrôle de tension d'entrée sur le transistor VT1 et le relais K1, un régulateur de tension d'alimentation interne de 9 V sur la puce DA1, un générateur d'impulsions de 27 kHz sur les DD1.1 et DD 1.2 éléments logiques, nœuds de retard fronts d'impulsions sur les éléments VD4, R4, C2 et VD5, R5, C3, conformateurs d'impulsions de commande sur les éléments DD1.3, DD1.4, DD2.3, DD2.4 avec sorties émetteur suiveurs sur transistors VT2-VT5, unité de contrôle de l'amplitude de la tension de sortie sur les éléments DD2.1, DD2.2.
L'unité onduleur haute fréquence (voir Fig.2) contient une cascade push-pull sur de puissants transistors à effet de champ VT6-VT9 et un transformateur T1, ainsi qu'un redresseur avec une multiplication de tension quadruple sur les diodes VD6-VD9 et les condensateurs C7 -C10. Cet appareil génère une tension stabilisée constante de 300.310 V. Si l'on sait que la tension d'alimentation CA est redressée et lissée dans la charge, une telle charge peut être connectée à cet appareil via un fusible avec un courant nominal de 5 A (voir la note éditoriale de l'article [5]). Dans ce cas, les blocs restants ne sont pas nécessaires.
Le bloc générateur basse fréquence (voir Fig. 3) contient un stabilisateur de tension d'alimentation interne 9 V sur la puce DA2, un générateur d'impulsions 50 Hz sur les éléments logiques DD3.1 et DD3.2, des résistances de limitation de courant R18 et R19, nœuds de retard de front d'impulsion sur les éléments VD12, R20, C14 et VD13, R21, C15, contrôlent les formateurs d'impulsions sur les éléments DD3.3, DD3.4, DD4.3, DD4.4 émetteurs suiveurs de sortie sur les transistors VT11-VT14, courant de charge limiteur sur le transistor VT10 et les éléments DD4.1 .4.2, DDXNUMX.
Le pont onduleur-commutateur basse fréquence (Fig.4) contient un pont sur de puissants transistors à effet de champ clés VT17-VT20 et un capteur de courant - résistance R33. Les impulsions de commande sont appliquées directement aux grilles des transistors inférieurs VT18 et VT20 selon le schéma, et aux grilles des transistors supérieurs selon le schéma VT17 et VT19 - via les inverseurs supérieurs. Un onduleur est assemblé sur les éléments VT15, VT16, R30, R31, C16, VD14, VD15, le second - sur VT21, VT22, R35, R36, C17, VD16, VD17. Une tension constante de 310 V est fournie à une diagonale du pont et une charge est connectée à l'autre via le fusible FU1. Le convertisseur fonctionne comme ceci. Si la tension de la batterie d'alimentation est supérieure à 10,5 V, le transistor VT1 s'ouvre, le relais K1 est activé et à travers ses contacts K1.1 la tension d'alimentation est fournie aux stabilisateurs de tension sur les microcircuits DA1 et DA2. Lorsque la tension de la batterie descend en dessous de 10,5 V, le transistor VT1 se ferme, les contacts K1.1 s'ouvrent et coupent l'alimentation des générateurs, à la suite de quoi tous les transistors de commutation VT6-VT9 sont fermés, le convertisseur s'éteint. La tension d'amorçage est régulée par une résistance d'accord R3. Du fait que la tension d'activation du relais électromagnétique K1 est supérieure à la tension de désactivation, la caractéristique du nœud sur le transistor VT1 a une petite hystérésis, suffisante pour une utilisation pratique. La fréquence d'oscillation du générateur sur les éléments DD1.1 et DD1.2 dépend de la résistance des résistances R1, R2 et de la capacité du condensateur C1. A partir des sorties anti-phase du générateur (broches 3 et 4 du microcircuit DD1), les impulsions sont envoyées aux nœuds du retard des fronts d'impulsions. Dans le même temps, leurs récessions se transmettent presque sans délai. Le temps de retard de front est déterminé par les constantes de temps des circuits R4C2 et R5C3, qui doivent être identiques. Les caractéristiques des conformateurs ont une hystérésis dont la valeur dépend du rapport des résistances des résistances des circuits de rétroaction positive (PIC) R6 et R8, R7 et R9. A partir des sorties des conformateurs, les impulsions de commande à travers les suiveurs d'émetteur sur les transistors VT2-VT5 sont transmises aux grilles des transistors clés VT6-VT9. Le redresseur sur les diodes VD6-VD9 et les condensateurs C7-C10 est réalisé avec une multiplication par quatre de la tension pour la raison suivante. Il est souhaitable d'enrouler les enroulements primaire et secondaire du transformateur en une seule couche afin de réduire l'inductance de fuite. L'utilisation d'un multiplicateur de tension permet de réduire quatre fois le nombre de tours dans l'enroulement secondaire et de le rendre monocouche. La tension de la sortie du redresseur est fournie au diviseur R10R11. Une tension proportionnelle à celle-ci provenant du moteur de la résistance d'accord R11 est envoyée à l'entrée du nœud sur les éléments DD2.1 et DD2.2 avec un circuit PIC sur les résistances R12 et R13, ce qui crée une caractéristique de commutation avec hystérésis. Après la mise sous tension, la tension de sortie du redresseur augmente. Lorsqu'il atteint le seuil de commutation supérieur (310 V), un niveau bas est fixé à la sortie de l'élément DD2.1, relié aux broches 9 des microcircuits DD1 et DD2, ce qui interdit le passage des impulsions vers les émetteurs suiveurs, comme à la suite de quoi tous les transistors clés sont fermés. Après cela, la tension de sortie du redresseur diminue en raison de la décharge des condensateurs C9 et C10. Lorsqu'il tombe au seuil de commutation inférieur (300 V), un niveau haut est défini à la sortie de l'élément DD2.1, ce qui permet à nouveau le passage d'impulsions aux suiveurs d'émetteur, à la suite de quoi la tension de sortie du redresseur augmentera jusqu'au seuil supérieur. En déplaçant le curseur de la résistance d'accord R11, vous pouvez régler la tension de sortie du redresseur et en sélectionnant la résistance R13 - la différence des seuils de commutation. Augmenter la résistance de la résistance R13 la réduit et la réduire l'augmente. Les nœuds du générateur basse fréquence (voir Fig.3) sont similaires aux nœuds correspondants du générateur haute fréquence, mais la capacité des condensateurs de mise à l'heure du générateur basse fréquence est supérieure, donc les résistances R18 et R19 s'y ajoutent, qui limitent le courant de décharge des condensateurs C14 et C15, protégeant les sorties de la puce DD3 (broches 3 et 4 ) des surcharges. Sur le transistor VT10, les éléments DD4.1, DD4.2 et les résistances R25, R26, R29, l'unité de protection du convertisseur contre les surcharges est assemblée. Lorsque le courant de charge du convertisseur dépasse la valeur autorisée, la tension aux bornes de la résistance R33 - le capteur de courant - augmente à 0,7 V. Dans ce cas, le transistor VT10 s'ouvre, un niveau bas est défini à la sortie du DD4.2 élément, qui va aux broches 9 des microcircuits DD3 et DD4, en conséquence, le passage des impulsions aux suiveurs d'émetteur sur les transistors VT11-VT14 est interdit. Tous les transistors clés du pont VT17-VT20 sont fermés. L'inverseur-commutateur basse fréquence du pont (Fig. 4) fonctionne comme suit. Pendant la pause entre les impulsions, la tension aux sorties des suiveurs d'émetteur ci-dessus est nulle, donc les transistors VT16 et VT21 sont ouverts et tous les autres sont fermés. Lorsqu'une impulsion arrive aux portes VT15 et VT20, ces transistors, ainsi que VT17, s'ouvrent. Lorsqu'une impulsion arrive aux portes VT18 et VT22, ces transistors, ainsi que VT19, s'ouvrent. En conséquence, des impulsions de tension bipolaires rectangulaires séparées par des pauses avec une plage de 620 V et une valeur efficace de 220 V sont formées à la sortie du pont. Les impulsions de commande étant séparées par des pauses, l'apparition d'un courant traversant à travers la série- les transistors en pont connectés sont exclus.
Certains consommateurs nécessitent une tension d'alimentation alternative sinusoïdale. Dans ce cas, l'ensemble générateur basse fréquence (voir Fig. 3) est remplacé par un autre dont le circuit est représenté sur la Fig. 5. Cette unité utilise un générateur de tension sinusoïdale de 50 Hz à l'ampli op DA4.1, un inverseur de phase à l'ampli op DA4.2, deux circuits d'intégration R44C25 et R49C30, deux suiveurs d'émetteur VT23 VT24, VT25 VT26 et deux additionneurs sur résistances R50R52R54 et R51R55R57.
La demi-onde positive de la tension sinusoïdale de la sortie de l'OUDA4.1 à travers la diode VD21 est envoyée à l'additionneur R51R55R57. La demi-onde positive de la sortie de l'inverseur de phase DA4.2 est transmise à travers la diode VD20 à l'additionneur R50R52R54. À partir des sorties des additionneurs, la tension à travers les résistances R53 et R56 est envoyée à l'entrée des formateurs d'impulsions DD5.1, DD5.2, DD6.1, DD6.2. Des impulsions rectangulaires sont envoyées aux entrées des circuits d'intégration et des impulsions en dents de scie sont formées sur les condensateurs C25 et C30, qui sont envoyés via les condensateurs C26 et C31 aux entrées de deux formateurs d'impulsions. Les diagrammes de contraintes de la fig. 6 montrent comment les impulsions aux entrées des conformateurs sont sommées sur une période d'une fréquence de 50 Hz. Pour visualiser la forme des impulsions, le rapport cyclique haute fréquence (27 kHz) est étendu. Sur la fig. 6, a - tension à la broche 8 du microcircuit DD5; En figue. 6b - à la broche 8 de la puce DD6. En conséquence, des séquences d'impulsions avec une fréquence PWM sinusoïdale de 50 Hz sont formées aux sorties des conformateurs: sur la fig. 6, c - à la sortie de DD5,2 ; En figue. 6,d - à la sortie de DD6.2. A la sortie du convertisseur "~220 V", un signal PWM bipolaire avec une oscillation de 620 V est formé, dont la forme est illustrée à la fig. 6, j. Afin de supprimer le composant avec une fréquence de 27 kHz dans la tension de sortie, une self doit être connectée en série avec la charge et un condensateur doit être connecté en parallèle avec la charge. Ces éléments sont choisis expérimentalement pour chaque charge. Par exemple, une charge d'une puissance de 100 W (sa résistance est de 484 ohms) nécessite un filtre avec une self d'inductance de 0,13 H et un condensateur d'une capacité de 0,56 microfarads. Avec une résistance de charge différente, l'inductance de l'inductance est recalculée en proportion directe et la capacité du condensateur est inversement proportionnelle à la résistance de charge. Toutes les pièces du transducteur sont logées dans un boîtier en tôle d'aluminium. Les transistors VT6-VT9, VT17-VT20 sont fixés sur le boîtier à l'aide de pâte thermoconductrice et de joints en mica. Les transistors IRFIZ44N (VT15 et VT22) sont installés sans joints, car leurs boîtiers sont complètement isolés. Ils peuvent être remplacés par IRFZ44N, mais ils doivent ensuite être installés à travers des entretoises en mica.
Le ventilateur d'alimentation de l'ordinateur avec un moteur électrique 1W M3 souffle constamment de l'air à travers le boîtier pour refroidir les pièces. Pour réduire la consommation d'énergie aux charges de faible puissance, le ventilateur peut être arrêté par l'interrupteur SA1. Le transformateur T1 est enroulé sur quatre noyaux magnétiques empilés à partir d'un transformateur horizontal TVS-110, comme illustré à la fig. 7. Les chiffres indiquent : 1 - fil de bobinage ; 2 - circuit magnétique ; 3 - une pince qui resserre le circuit magnétique. Les enroulements primaires (I et II) contiennent quatre tronçons de trois spires de fil de 5 mm2 (deux fils d'installation de 2,5 mm2 réunis). L'enroulement secondaire (III) contient deux tronçons de 11 spires de fil de montage d'une section de 1,5 mm2. Les spires des enroulements doivent être uniformément réparties sur la longueur du circuit magnétique et les enroulements doivent être monocouches. Les éléments restants sont montés sur deux cartes séparées par montage en surface. La carte avec les éléments illustrés à la fig. 1 est situé à proximité des transistors clés (voir Fig. 2). La carte avec les éléments illustrés à la fig. 3, - à côté des transistors du pont onduleur-commutateur basse fréquence (voir Fig. 4). Il est souhaitable que le condensateur C6 utilise un oxyde importé de la catégorie "Low ESR", par exemple Jamicon WL ou similaire. Sinon, il va chauffer. Les condensateurs redresseurs C7-C10 doivent avoir une puissance réactive admissible suffisamment grande. L'appareil utilise des condensateurs MBGCH. En parallèle à chacun d'eux, un condensateur céramique non inductif KM-3 du groupe H30 d'une capacité de 0,022 μF et d'une tension nominale de 250 V est connecté. Résistances ajustables - de la série SP3-1b. Avant de les installer, il est nécessaire de vérifier l'état de fonctionnement du système de contact mobile. Le relais K1 doit avoir une tension de réponse ne dépassant pas 10 V. L'auteur a utilisé le relais RES59 (version HP4.500.020). Lors de la configuration, au lieu d'une batterie, on utilise une alimentation de laboratoire avec une tension de sortie réglable de 10.13 V. Une tension de 10,5 V est appliquée à l'entrée du convertisseur, la résistance R3 est utilisée pour désactiver le relais K1. Ensuite, la tension d'entrée est augmentée à 12 V. En sélectionnant les résistances R1 et R2 (voir Fig. 1), la même durée d'impulsion est définie sur 18,5 μs aux broches 3 et 4 du microcircuit DD1. En sélectionnant les résistances R4 et R5, la durée de la pause entre ces impulsions est de 5 µs. Le moteur de la résistance d'accord R11 - tension +305 V à une puissance de charge de 60 W à la sortie du redresseur VD6-VD9C7-C10 (voir Fig. 2). La sélection des résistances R16 et R17 (Fig. 3) fixe la même durée d'impulsion de 10 ms aux broches 3 et 4 du microcircuit DD3. La sélection des résistances R20 et R21 - la durée de la pause entre ces impulsions est de 6 ms. Le bloc, dont le schéma est illustré à la fig. 5, ajustez ainsi. Déplacez la résistance ajustable R39 vers le bas du circuit afin que le générateur de l'ampli-op DA4.1 cesse de fonctionner. En sélectionnant les condensateurs C25 et C30, l'oscillation de tension en dents de scie entre eux est fixée à 4 V. Les résistances fixes R52 et R55 sont temporairement remplacées par des trimmers de 15 kOhm, inclus comme rhéostats. Tout d'abord, leur résistance est progressivement réduite du maximum jusqu'à ce que des impulsions apparaissent à la sortie des suiveurs d'émetteur, puis elles sont augmentées jusqu'à ce qu'elles disparaissent. Mesurez la résistance de la partie entrée des résistances d'accord avec un ohmmètre numérique et remplacez-les par des constantes de la même résistance. Après cela, le moteur de la résistance d'accord R39 est déplacé vers le haut du circuit, définissant une amplitude de tension de 4 V à la sortie du générateur.Dans ce cas, la tension de sortie doit être sous la forme d'une sinusoïde légèrement tronquée. Si nécessaire, en sélectionnant les condensateurs C18 et C22, vous devez régler la fréquence de génération sur 50 Hz. Ensuite, en sélectionnant les résistances R50 et R51, l'amplitude de l'alternance est de 4 V aux bornes des résistances R54 et R57. Pour améliorer le fonctionnement du générateur sur l'ampli-op DA4.1, il peut être nécessaire d'allumer un condensateur de 47 pF entre la sortie droite de la résistance R40 selon le circuit et le fil commun. Les sources d'alimentation du convertisseur peuvent être des batteries de démarrage de voiture, un réseau de bord de voiture, des batteries de traction pour véhicules électriques, des panneaux solaires, des générateurs d'énergie éolienne ou hydraulique. Si nécessaire, la tension d'alimentation peut être doublée. Pour ce faire, les enroulements primaires (I et II) du transformateur T1 doivent contenir quatre sections de six spires d'un fil de montage d'une section de 2,5 mm2. L'auteur utilise un générateur de gaz fabriqué à partir d'une tronçonneuse Ural et un générateur électrique avec une tension de sortie de 12 V et une puissance de 1 kW à partir d'un tracteur T-150, qui sont interconnectés par une transmission par courroie trapézoïdale. En termes de rapport puissance/poids, ce générateur de gaz surpasse de nombreux modèles industriels. Son poids léger et ses dimensions vous permettent de l'emporter sur la route et, si nécessaire, de recharger la batterie de la voiture sur le terrain. Un convertisseur de tension alimente tout équipement d'une puissance allant jusqu'à 1 kW. littérature
Auteur : A. Sergeev
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