Jaký je rozdíl mezi snižujícím a zvyšujícím měničem? Část 1

Kolesnikov Ivan Sergejevič – student Elektrotechnické fakulty Samařské státní technické univerzity.

Anotace: Tento výzkumný dokument poskytuje přehled hlavních výkonových měničů. Budou zváženy hlavní typy měničů, jejich principy činnosti, výhody a nevýhody. Jsou analyzovány moderní trendy v oblasti napájení a perspektivy rozvoje této technologie.

Klíčová slova: výkonové měniče, invertory, vysokofrekvenční měniče, energetická účinnost, udržitelnost, technologie, perspektivy rozvoje.

Převodník elektrické energie je elektrické zařízení, které přeměňuje elektrickou energii s jednou sadou hodnot parametrů a/nebo indikátorů kvality na elektrickou energii s jinou sadou hodnot parametrů a/nebo indikátorů kvality. Polovodičová zařízení jsou široce používána k implementaci měničů, protože poskytují vysokou účinnost.

Výkonové měniče hrají klíčovou roli v moderních energetických systémech, poskytují přeměnu elektrické energie pro různá zařízení. V tomto článku se budeme zabývat moderními typy měničů, jejich provozními principy a také oblastmi použití a vyhlídkami vývoje této technologie.

Hlavní typy převodníků

1. Střídače DC na AC

Střídače přeměňují stejnosměrný proud na střídavý (obr. 1), což umožňuje efektivní napájení různých elektronických zařízení. Invertory jsou široce používány v solárních systémech, elektrických vozidlech a spotřební elektronice.

Obrázek 1. Střídač DC na AC WAGAN Proline 5000.

2. Vysokofrekvenční měniče

Tyto měniče (obr. 2) slouží k převodu frekvence střídavého proudu za účelem regulace otáček elektromotorů. Nacházejí uplatnění také v systémech napájení s proměnnou frekvencí.

Obrázek 2. Vysokofrekvenční měniče FEIN MO 83-15 KSR.

3. Mikroinvertory

Mikroinvertory (obr. 3) jsou moderním řešením pro solární energetické systémy. Jsou instalovány na každém modulu solárního panelu a poskytují přesnou konverzi stejnosměrného proudu generovaného modulem na střídavý proud pro přímé použití nebo napájení do sítě.

Obrázek 3. Mikrostřídač EcoFlow PowerStream 800W.

Principy práce a efektivity

Moderní měniče mají vysokou účinnost, nižší ztráty a přesnější řízení výkonu. Použití moderních technologií, jako je pulzně šířková modulace (PWM), pomáhá zlepšit energetickou účinnost a stabilitu systému.

Technologické trendy a perspektivy

Moderní technologie, jako je inteligentní správa napájení, vývoj kompaktních a vysoce účinných měničů a zlepšení systémů chlazení a ochrany, jsou zaměřeny na vytváření udržitelnějších a energeticky účinnějších systémů napájení.

Současné trendy v napájení

1. Zvýšená energetická účinnost

• Snaha o minimalizaci energetických ztrát v napájecích systémech.
• Integrujte inteligentní technologie pro optimalizaci spotřeby energie.

2. Využití obnovitelných zdrojů energie

• Rostoucí zájem o solární, větrné a další obnovitelné zdroje.
• Vývoj technologií pro skladování a přenos energie z obnovitelných zdrojů.

3. Digitalizace a chytré sítě

• Implementace digitálních technologií pro řízení a monitorování napájecích sítí.
• Tvorba inteligentních systémů řízení zátěže a distribuované výroby.

Perspektivy rozvoje technologií v oblasti napájení

1. Vývoj akumulace energie: Výzkum a implementace účinných systémů skladování energie pro vyhlazení zátěže a poskytnutí rezerv.
2. Integrace chytrých technologií: Široká implementace inteligentních měřičů, senzorů a automatizačních systémů pro optimalizaci spotřeby energie.
3. Vývoj řešení šetrných k životnímu prostředí: Zlepšení technologií obnovitelných zdrojů energie s cílem snížit negativní dopady na životní prostředí.
4. Inovace v přenosu energie: Výzkum nových materiálů a technologií pro efektivnější přenos energie na velké vzdálenosti.

Moderní měniče energie hrají zásadní roli v různých průmyslových odvětvích, od průmyslových po domácí aplikace, poskytují energetickou účinnost, stabilitu a snadné použití. Neustálé pokroky v technologii a vylepšování převodníků otevírají nové možnosti pro efektivní řízení spotřeby.

1. Koksharov, V.S. Střídače, frekvenční měniče, pulsní měniče stejnosměrného napětí: kurz přednášek: učebnice pro studenty všech forem vzdělávání oborů 654100 (210100) „Elektronika a mikroelektronika“, 551300 (140600) „Elektrotechnika, elektromechanika, elektrotechnika“ „S200400 Elektronika“ (S210106 Elektronika) 2010 Elektronika. Kokšarov; V. S. Koksharov; Ministerstvo školství a vědy Ruské federace, stát. vyšší vzdělávací instituce prof. Vzdělávání ve státě Ufa. Letecká technická univerzita – Ufa: Státní vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání Stát Ufa. Letecká technická univerzita, 411. – XNUMX s.
2. Nikitin, V. G. Primární konvertory. Ultrazvukové, piezoelektrické měniče: Učebnice. manuál / V. G. Nikitin; V.G. Nikitin; Ministerstvo školství Ruska federací. Samara. stát. letectví a kosmonautiky Univerzita pojmenovaná po akad. S.P. Královna. – Samara, 2003. – 150 s.
3. Malinin, G. V. Virtuální model solárního mikroinvertoru pracujícího na průmyslové síti / G. V. Malinin, L. S. Sevrikov // CAD a modelování v moderní elektronice: Sborník vědeckých prací II. mezinárodní vědecké a praktické konference, Brjansk, 24.–25. října 2018 / Edited by L. A. Potapová, A.Yu. Drakina. Svazek 2. – Brjansk: Brjanská státní technická univerzita, 2018. – S. 137-139.

Zvyšující a snižující pulzní měniče mají přibližně stejný počet součástí, hmotnost, rozměry a cenu, ale plní diametrálně odlišné úkoly: snižující obvod snižuje a zvyšující obvod zvyšuje úroveň vstupního napětí a inverzní funkce zvyšování nebo snižování napětí pro ně nejsou k dispozici. Zvyšující a snižující měniče tedy nemohou být zaměnitelné ani teoreticky. V praxi však existují případy, kdy lze jeden nebo druhý obvod úspěšně použít k řešení stejného problému. A pak vyvstává otázka: jak „identické“ jsou? Existuje nějaká podmínka, která určuje volbu konkrétního obvodu?

Uvažujme jeden z praktických příkladů. Před širokým použitím displejů z tekutých krystalů a LED byly jedinými zařízeními, která dokázala plně zobrazovat grafické informace, katodové trubice (kineskopy), na jejichž základě byla vytvořena více než jedna generace televizorů, počítačových monitorů a dalších zařízení. Jednou z nejsložitějších a nejspecifičtějších jednotek tohoto zařízení byla horizontální (řádková) skenovací jednotka, která formovala proud v cívkách vychylovacího systému a zároveň celou sadu napájecích napětí nezbytných především pro provoz kineskopu. Aniž bychom se zabývali podrobnostmi o provozu této jednotky, poznamenáváme, že ve většině obvodových řešení pro její provoz bylo nutné regulovat napájecí napětí – to byl jediný způsob, jak zajistit podporu několika provozních režimů a přesnou stabilizaci geometrických rozměrů obrazu. Například u počítačových monitorů NEC MultiSync V720 založených na šasi N0701 muselo být při frekvenci 31 kHz, odpovídající rozlišení 640 × 480 prvků a obnovovací frekvenci 60 Hz, napájecí napětí výstupního stupně horizontálního skenování rovno 62 V a při 69 kHz (1024 × 768, 85 Hz) se zvýšilo téměř trojnásobně – na 160 V [1]. Při jiných rozlišeních a obnovovacích frekvencích obrazovky nabývalo napájecí napětí určité mezilehlé hodnoty v rozsahu od 62 V do 160 V, jejíž hodnota byla určena skutečnou frekvencí horizontálního skenování.

Jak ale můžeme zajistit širokou regulaci napájecího napětí? Změna provozních režimů hlavního zdroje napájení zdaleka není nejlepší nápad, protože kromě výstupního stupně horizontálního skenování mají monitory nebo televizory mnoho dalších jednotek, které vyžadují stabilní napájení. Inženýři tento problém svého času řešili dvěma způsoby. Například u výše zmíněného monitoru MultiSync V720 byl výstupní stupeň horizontálního skenování napájen ze zdroje s napětím 45 V přes zvyšující měnič, který zvyšoval napětí na požadovanou úroveň pomocí „klasické“ metody PWM regulace. Druhá metoda, která byla také široce používána v monitorech například společností Samsung, spočívala v napájení této jednotky ze zdroje se zvýšeným napětím, ale přes snižující obvod.

Obrázek 1.

Dvě možnosti napájení stejné zátěže.

Jaký přístup tedy použít, pokud je výsledek v obou případech stejný? Odpověď na tuto otázku bude podána v tomto článku, který zvažuje dvě možnosti řešení stejného problému. Abychom nebyli vázáni na obvody pravděpodobně již zcela zastaralých monitorů založených na katodové trubici, formulujeme problém v obecné a pro zjednodušení výpočtů idealizované podobě. Předpokládejme, že potřebujeme zajistit provoz zátěže o výkonu 10 W vyžadující napájecí napětí 10 V až 30 V ze dvou různých zdrojů s napětím 10 V a 30 V (obrázek 1). Příkladem takové zátěže může být cokoli, například LED lampa, elektromotor nebo jiné zařízení, jehož minimální napájecí napětí musí mít nenulovou hodnotu.

Stanovení provozních režimů pohonné jednotky

Napětí a proudy v prvcích měniče jsou do značné míry určeny parametry vinutí a provozním režimem magnetického obvodu akumulační tlumivky L1, které zase závisí na zapojení výkonové části a poměru napětí na vstupu a výstupu. Charakteristickými znaky snižujících a zvyšujících obvodů je částečná přeměna elektrické energie, při které se magnetickým polem tlumivky přenáší pouze určitá část výkonu zátěže [3]. V uvažovaném případě je hodnota převedeného výkonu P_IR pro snižující měnič se rovná:

a pro ten rostoucí:

Р_VÝSTUP = 10 W výstupní výkon měniče (výkon spotřebovaný zátěží);
U_VX, NEBO_VÝSTUP – napětí na vstupu a výstupu.

Na základě výsledků výpočtu mají oba měniče stejnou maximální hodnotu převedeného výkonu (P_IR = 6.7 W), proto dle [3, 4] lze jejich tlumivky realizovat na identických magnetických jádrech. Dle [5] jsou minimální rozměry magnetického jádra zajištěny unipolární formou magnetické indukce s maximálním možným rozkmitem. To odpovídá hraničnímu režimu provozu elektrické části, ve kterém proud tlumivky v okamžiku otevření tranzistoru VT1 dosáhne nuly [5].

Nechť oba obvody mají maximální hodnotu převedeného výkonu P_IR pracují v hraničním režimu. V tomto případě je poměr trvání prvního t₁ a druhé t₂ Fáze transformace lze určit na základě rovnice [2]:

U_L1, NEBO_L2 – napětí,
N₁, N₂ – počet aktivních závitů tlumivkových vinutí v prvním a druhém stupni.

U snižujícího měniče je napětí na tlumivce v prvním stupni převodu rovno rozdílu napětí na vstupu a výstupu (U_L1 =U_VX – NEBO_VÝSTUP) a na druhém – výstupní napětí (U_L2 =U_VÝSTUP). U stupňovacího obvodu je situace opačná: v prvním stupni k vinutí tlumivky L₁ je aplikováno plné vstupní napětí (U)_L1 =U_VX) a na druhém – rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím (U_L2 =U_VÝSTUP – NEBO_VX). V tomto případě, při maximální hodnotě převedeného výkonu:

V R_IR = 0 W, když U_VX =U_VÝSTUP, poměr délek trvání transformačních fází je:

Analýza vzorce (5) ukazuje, že pro snižující měnič je poměr t₁/t₂ bude rovna hodnotám získaným v t₁ → ∞ a t₂ → 0, tj. když je tranzistor VT1 neustále otevřený a proud neprotéká diodou VD1, a pro zvyšující tranzistor naopak: při t₁ → 0 a t₂ → ∞, tj. když je tranzistor VT1 neustále zavřený.

Tradičně se při návrhu pulzních měničů používá pracovní cyklus řídicích pulzů (D), který se rovná poměru trvání prvního stupně t₁, k transformačnímu období T (D = t₁/T). Konkrétní spínací frekvence, a tedy i délka periody T, nám není dána. Za předpokladu, že obvody pracují na stejné frekvenci, však lze rozsah změny pracovního cyklu D určit pomocí hodnot (t₁/t₂) a skutečnost, že při provozu v hraničním režimu je transformační perioda rovna součtu délek trvání obou fází (T = t₁ +t₂):

Pro snižující měnič:

a pro ten rostoucí:

Stanovení parametrů proudu tlumivky

Výstupní výkon měniče je konstantní (P_VÝSTUP = 10 W) a nezávisí na napájecím napětí. Určeme průměrnou hodnotu proudu spotřebovaného zátěží při různých napájecích napětích:

Obecně platí, že parametry proudu tlumivky zahrnují jeho minimální hodnotu I_MIN (na začátku první fáze) a amplituda pulzací I_MU snižujícího měniče teče proud do zátěže v obou fázích přeměny. V tomto případě je průměrná hodnota výstupního proudu I_VÝSTUP rovný průměrnému proudu tlumivky [6]:

Při provozu v mezním režimu a přeměně maximálního výkonu (když U_VÝSTUP = 10 V) je minimální hodnota proudu tlumivky nulová (I_MIN = 0), což nám umožňuje určit amplitudu pulzací I_M, která se navíc rovná její maximální hodnotě:

Při maximálním výstupním napětí (U_VÝSTUP = 30 V) tranzistor VT1 je neustále otevřený a v tlumivce nedochází k žádným pulsacím proudu (I_M = 0). V tomto případě jsou průměrná, minimální a maximální hodnota proudu tlumivky rovny proudu zátěže:

U zvyšujícího měniče je proud přenášen do zátěže pouze ve druhém stupni převodu, proto podle [6]:

To nám umožňuje určit amplitudu pulzací při maximálním výstupním napětí (U_VÝSTUP = 30 V):

Při minimálním výstupním napětí (U_VÝSTUP = 10 V), stejně jako u snižujícího měniče není tlumivka komutována, takže průměrný proud tlumivky se rovná proudu zátěže:

Obrázek 2.

Tlumivkové proudy za různých provozních podmínek.

Oba měniče tedy vyžadují tlumivky L1 se stejnými maximálními přípustnými hodnotami proudu (obrázek 2). Vzhledem k tomu, že parametry magnetického obvodu jsou u nich také stejné, lze s jistotou říci, že tlumivky zvyšujících a snižujících měničů musí mít stejnou indukčnost L, protože energetická kapacita tlumivky W_L je určena vzorcem:

Abychom rozptýlili případné pochybnosti, proveďme dodatečnou kontrolu. V první fázi transformace s dobou trvání t₁ Napětí U je přivedeno na tlumivku L1_L1, jehož působením by se podle Faradayova zákona měl jeho proud změnit o hodnotu I_M:

To nám umožňuje určit požadovanou hodnotu indukčnosti L:

Za předpokladu, že zvyšující a snižující měniče budou pracovat na stejné frekvenci, vyjádříme absolutní dobu trvání prvního stupně převodu prostřednictvím jeho relativní hodnoty (t₁ = D_T), můžeme s využitím stejných úvah jako při odvozování vzorců (4) a (5) určit poměr indukčností pro snižující a zvyšující měniče:

Ve vzorci (19) označují indexy „PON“ a „POV“ snižující a zvyšující měniče.

Z vzorců (11), (14) a (19) je nyní zřejmé, že tlumivky zvyšujících a snižujících měničů jsou zcela identické.

Seznam zdrojů

1. Servisní manuál pro barevné monitory NEC MultiSync V720, MultiSync V721, Diamand Scan 71 (model č. řady N0701).
2. Rusu A.P. „Proč mohou mít vinutí tlumivky flyback měniče různý počet závitů?“
3. Rusu A.P. „Odkud se vzaly základní obvody měničů?“
4. Rusu A.P. „Jak určit rozměry magnetického obvodu tlumivky pulzního měniče“.
5. Rusu A.P. „V jakém režimu by měl fungovat magnetický obvod tlumivky pulzního měniče?“
6. Kadatsky A.F., Rusu A.P. Analýza elektrických procesů v pulzních měničích stejnosměrného napětí s pulzně šířkovou regulací // Elektřina. – 2005. – č. 9. – s. 43-54.
7. Rusu A.P. „Pulzní přeměna střídavého proudu“.