Energoelektronika - Choppers

Chopper wykorzystuje dużą prędkość do łączenia i odłączania obciążenia źródłowego. Stałe napięcie DC jest podawane okresowo do obciążenia źródła poprzez ciągłe wyzwalanie włącznika / wyłącznika zasilania. Okres czasu, przez który wyłącznik zasilania pozostaje włączony lub wyłączony, nazywany jest odpowiednio stanami WŁĄCZENIA i WYŁĄCZENIA przerywacza.

Rozdrabniacze są najczęściej stosowane w samochodach elektrycznych, konwersji energii wiatrowej i słonecznej oraz regulatorach silników prądu stałego.

Symbol Choppera

Klasyfikacja chopperów

W zależności od napięcia wyjściowego czopery są klasyfikowane jako -

  • Step Up chopper (konwerter boost)
  • Step Down Chopper (konwerter Buck)
  • Step Up / Down Chopper (konwerter buck-boost)

Step Up Chopper

Średnie napięcie wyjściowe (V o ) w przerywaczu podwyższającym jest większe niż napięcie wejściowe (V s ). Poniższy rysunek przedstawia konfigurację przerywacza podwyższającego.

Przebiegi prądu i napięcia

V 0 (średnie napięcie wyjściowe) jest dodatnie, gdy przerywacz jest włączony i ujemne, gdy przerywacz jest wyłączony, jak pokazano na poniższym przebiegu.

Gdzie

T ON - przedział czasu, w którym chopper jest włączony

T OFF - przedział czasu, w którym chopper jest wyłączony

V L - napięcie obciążenia

V s - napięcie źródła

T - Okres siekania = T ON + T OFF

V o jest określone przez -

$$ V_ {0} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T_ {ON}} V_ {S} dt $$

Gdy przerywacz (CH) jest włączony, następuje zwarcie obciążenia, a tym samym wyjście napięcia na okres TONwynosi zero. Ponadto cewka indukcyjna jest w tym czasie ładowana. To daje V S = V L

$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S}, $ $ \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = \ frac {V_ {S}} {L} $

Stąd $ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} $

Δi = jest prądem szczytowym cewki indukcyjnej. Gdy przerywacz (CH) jest WYŁĄCZONY, wyładowanie następuje przez cewkę indukcyjną L. Dlatego sumowanie V si V L jest podane w następujący sposób -

$ V_ {0} = V_ {S} + V_ {L}, \ quad V_ {L} = V_ {0} -V_ {S} $

Ale $ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} -V_ {S} $

Zatem $ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} -V_ {S} $

To daje, $ \ Delta i = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $

Zrównanie Δi od stanu ON do Δi od stanu OFF daje -

$ \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $, $ V_ {S} \ left (T_ {ON } + T_ {OFF} \ right) = V_ {0} T_ {OFF} $

$ V_ {0} = \ frac {TV_ {S}} {T_ {OFF}} = \ frac {V_ {S}} {\ frac {\ left (T + T_ {ON} \ right)} {T}} $

Daje to średnie napięcie wyjściowe jako,

$$ V_ {0} = \ frac {V_ {S}} {1-D} $$

Z powyższego równania wynika, że ​​V o można zmieniać od V S do nieskończoności. Dowodzi, że napięcie wyjściowe zawsze będzie większe niż napięcie wejściowe, a tym samym podnosi lub zwiększa poziom napięcia.

Step Down Chopper

Jest to również znane jako konwerter złotówki. W tym przerywacza średnie napięcie wyjściowe V O jest mniejszy niż napięcie wejściowe V S . Gdy przerywacz jest włączony, V O = V S, a gdy przerywacz jest wyłączony, V O = 0

Gdy chopper jest włączony -

$ V_ {S} = \ left (V_ {L} + V_ {0} \ right), \ quad V_ {L} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {di} {dt} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = V_ {s} + V_ {0} $

Zatem obciążenie prądem międzyszczytowym jest wyrażone wzorem,

$ \ Delta i = \ frac {V_ {s} -V_ {0}} {L} T_ {ON} $

Schemat obwodu

Gdzie FD to dioda wolnego koła.

Gdy przerywacz jest wyłączony, następuje odwrócenie polaryzacji i wyładowanie na cewce indukcyjnej. Prąd przepływa przez diodę wolnego koła i cewkę do obciążenia. To daje,

$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} .................................. ...... \ left (i \ right) $$

Przepisano jako - $ \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} $

$$ \ Delta i = V_ {0} \ frac {T_ {OFF}} {L} ............................. ...... \ left (ii \ right) $$

Równania (i) i (ii) dają;

$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $

$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {OFF}} {T_ {ON}} $

$ \ frac {V_ {S}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {ON} -T_ {OFF}} {T_ {ON}} $

Powyższe równanie daje;

$$ V_ {0} = \ frac {T_ {ON}} {T} V_ {S} = DV_ {S} $$

Równanie (i) daje -

$ \ Delta i = \ frac {V_ {S} -DV_ {S}} {L} DT $, od $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $

$ = \ frac {V_ {S} - \ left (1-D \ right) D} {Lf} $

$ f = \ frac {1} {T} = $ częstotliwość siekania

Przebiegi prądu i napięcia

Przebiegi prądu i napięcia podano poniżej -

W przypadku przerywacza obniżającego napięcie wyjściowe jest zawsze mniejsze niż napięcie wejściowe. Pokazuje to poniższy przebieg.

Chopper w górę / w dół

Jest to również znane jako konwerter buck-boost. Umożliwia zwiększenie lub zmniejszenie poziomu wejściowego napięcia. Poniższy schemat przedstawia chopper buck-boost.

Gdy przerywacz jest włączony, cewka L zostaje naładowana przez źródło zasilania V s . W związku z tym, V y = v L .

$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S} $$ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {S}} {L } T \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {DV_ {S}} {Lf} $$

Ponieważ -

$ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $ i $ f = \ frac {1} {T} ....................... ....................... \ left (iii \ right) $

Gdy przerywacz jest wyłączony, polaryzacja cewki zmienia się, co powoduje jej rozładowanie przez diodę i obciążenie.

W związku z tym,

$$ V_ {0} = - V_ {L} $$ $$ L \ frac {di} {dt} = - V_ {0} $$

$ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = - V_ {0} $, więc $ \ Delta i = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} ..... ........................... \ left (iv \ right) $

Obliczanie równania (iii) i (iv) daje -

$ \ frac {DV_ {S}} {Lf} = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $, $ DV_ {S} = - DV_ {S} = - V_ {0} T_ { OFF} f $

$ DV_ {S} = - V_ {0} \ frac {T-T_ {ON}} {T} = - V_ {0} \ left (1- \ frac {T_ {ON}} {T} \ right) $ , $ V_ {0} = - \ frac {DV_ {S}} {1-D} $

Ponieważ $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {T-T_ {OFF}} {1-D} $

To daje,

$ V_ {0} = \ frac {DV_ {S}} {1-D} $

D może zmieniać się od 0 do 1. Kiedy, D = 0; V O = 0

Gdy D = 0,5, V O = V S

Kiedy D = 1, V O = ∞.

Stąd w przedziale 0 ≤ D ≤ 0,5 napięcie wyjściowe zmienia się w zakresie 0 ≤ V O <V S i otrzymujemy obniżanie lub operację Buck. Natomiast w przedziale 0,5 ≤ D ≤ 1 napięcie wyjściowe zmienia się w zakresie V S ≤ V O ≤ ∞ i otrzymujemy działanie podwyższające lub podwyższające.