Преобразователи AC-AC и AC-DC: принцип работы, виды и схемы
AC-AC преобразователи переменного тока чаще всего работают на изменение не только напряжения, но и частоты и количества фаз. Таким образом, они способны увеличивать и замедлять скорость вращения асинхронных двигателей, а также обеспечить три полноценные фазы для их работы. Основная сфера использования AC-DC-преобразователей — это блоки питания (БП). Такие выпрямители переменного напряжения с его конвертацией в требуемую величину используются в основном для питания электронных модулей от сети.
AC-AC-преобразователи
Самым простым и наиболее распространенным преобразователем переменного тока (AC-AC) является трансформатор и автотрансформатор. Первый имеет гальваническую развязку, второй — электрическую связь входа с выходом. Недостатком таких приборов, работающих на частоте сети (50Гц), являются их габариты и большой вес. Сам трансформатор также не может изменить частоту или добавить количество фаз.
Для построения компактных AC-AC преобразователей можно обойтись без трансформатора или применить импульсный вариант, значительно уменьшив размер и вес конструкции. В такой топологии переменный ток выпрямляется и его напряжение сглаживается на электролитических конденсаторах. Затем с помощью электронных ключей, управляемых ШИМ-контроллером, осуществляется питание нагрузки уже переменным током.
Итак, основное предназначение AC-AC преобразователей — это питание асинхронных электродвигателей с возможностью регулировки частоты их вращения. Такие устройства называются частотными преобразователями. Дело в том, что скорость вращения асинхронных двигателей привязана к числу полюсов обмотки и частоте питающего напряжения, а не к его величине. По этой причине этих приборах изменяется частота от 10 до 110%, хотя в системах автоматики может использоваться диапазон 1 – 160%, т.е. выходная частота 2 – 80 Гц.
AC-AC преобразователи имеют несколько топологий и обычно состоят из:
- выпрямителя сетевого однофазного напряжения 220В или трехфазного 380В с фильтрацией электролитическими конденсаторами до получения постоянного;
- импульсного DC-DC-преобразователя (при необходимости);
- ШИМ-контроллера, вырабатывающего управляющих сигналов с возможностью изменения выходной частоты;
- электронных ключей на каждую фазную линию;
- блока управления с индикацией режимов работы, настраиваемых параметров и ошибок.
Если используется мостовая схема включения электронных ключей, то выходное напряжение будет даже больше двойного. Так как после выпрямления с переменных 220В получается +290…+310В постоянных. Мостовая схема может выдать около 600В синусоиды нужной частоты на нагрузке. Но в однофазной сети 220В применять мостовую топологию из-за электрических связей не получится, а значит, и достигнуть напряжения 380В на каждую фазу тоже.
Для мостовой топологии нужно раздельное подключение каждой обмотки электродвигателя. Такая схема используется в преобразователях, встроенных в сам двигатель. В стационарных приборах проблема решается задействованием еще одного импульсного преобразователя на ВЧ-трансформаторе, который и делает необходимую развязку для отдельного питания электронных ключей или повышения выпрямляемого напряжения.
Использование полумостовой топологии позволяет сократить количество электронных компонентов до минимума и не использовать трансформатор. Даже если на выходе такого преобразователя будет всего около 300В, включение его по схеме треугольника решит проблему недостающей мощности. Схема подобного прибора изображена ниже. В ней электронные ключи построены на транзисторах IGBT-структуры. Они лучше всего подходят для питания индуктивных нагрузок.
Схема компактного частотного бестрансформаторного преобразователя
AC-DC-преобразователи
Конвертеры переменного напряжения в постоянное используются для питания от сети или генератора электронной аппаратуры. При этом линий выходных напряжений может быть несколько. Существует два основных типа схем AC-DC-преобразования: трансформаторная и импульсная. Последняя также имеет трансформатор, даже несколько, но все они высокочастотные, поэтому малогабаритные.
Для маломощных устройств предпочтительна схема, построенная на низкочастотном трансформаторе. Переменное входное напряжение подается на его первичную обмотку и трансформируется в необходимой пропорции с нужным числом линий. Возможно двухполярное питание, тогда обмотка имеет отвод с середины. С такой выходной обмотки можно выпрямить напряжение и для однополярной линии, задействовав всего два диода, вместо четырех в диодном мосту.
Некоторые адаптеры питания имеют упрощенную систему AC-DC-преобразования. Например, драйверы светодиодных ламп. Но гальваническая развязка в бестрансформаторной топологии невозможна, разве что малой мощности на КМОП-микросхемы с изолированным барьером. Поэтому большинство импульсных БП имеют структуру преобразования: AC-DC-AC-DC. В них цепи обратной связи тоже имеют трансформаторную или оптическую развязку.
Принципиальная схема импульсного БП
На изображении выше представлена топология мощного AC-DC-преобразователя.
Она имеет:
- термистор в одной из входных линий сетевого напряжения, который защищает от импульсных скачков тока;
- плавкий предохранитель, предотвращающий появление длительно действующих больших токов, возникающих при аварийной ситуации;
- сетевой фильтр, состоящий из синфазных дросселей и конденсаторов;
- диодный мост силовой линии и конденсаторов фильтра питающего напряжения;
- блок питания для системы управления (трансформаторный или импульсный вариант);
- ШИМ-контроллер с драйвером управления электронными ключами;
- каскад электронных ключей из 2-х Mosfet-транзисторов (возможно применение одного транзистора прямоходовой или обратноходовой топологии либо четырех транзисторов мостовой схемы);
- каскад обратной связи по току (при необходимости);
- импульсный трансформатор с выпрямителями и фильтрами (возможно использование линейных стабилизаторов напряжения);
- узел обратной связи по напряжению для его стабилизации, выполненный на оптопаре или трансформаторе для обеспечения гальванической развязки между выходной линией и модулем управления.
В качестве электронных ключей дополнительного DC-AC преобразования, необходимого для обеспечения гальванической развязки и нужного количества линий с требуемыми значениями напряжения могут применяться различные транзисторы, тиристоры и даже специальные модули. Также и схемы их могут состоять из одной, двух или четырех идентичных либо комплементарных (но разной структуры) электронных ключей.
Купить электронные компоненты от проверенных производителей можно в компании «ЗУМ-СМД». Действует доставка по России. Чтобы уточнить подробности, звоните по телефону +7 (800) 333-48-97 или закажите звонок через форму обратной связи.
