Использование преобразователей постоянного тока в постоянный ток для промышленной автоматизации

Силовая электроника - это область электротехники, которая занимается электронными схемами для преобразования электроэнергии и управления ею. Это чрезвычайно важная область с широким охватом областей применения, поскольку практически каждое современное устройство оснащено той или иной схемой силовой электроники. Некоторые из наиболее распространенных электронных компонентов, используемых для преобразования энергии, - это диоды, выпрямители, транзисторы, тиристоры, тиристоры (выпрямители с кремниевым управлением) и полевые МОП-транзисторы (металлооксидные полевые транзисторы).

Рисунок 1 . Силовая электроника является важнейшим элементом практически любого современного электрического оборудования. Изображение любезно предоставлено Skyfi Labs

Преобразователи электроэнергии предназначены для изменения основных характеристик электроэнергии, таких как ток, частота и напряжение. Естественно, основная форма, будь то переменный ток (AC) или постоянный ток (DC), является еще одним ключевым параметром, который также может быть изменен от входа к выходу.

Эти возможности позволяют силовым электронным системам регулировать широкий диапазон неэлектрических переменных, таких как температура, скорость двигателя и радиочастоты. В этой статье основное внимание уделяется преобразователям постоянного тока в постоянный, которые обладают всеми функциями, описанными ранее, с основным отличием в том, что электроэнергия всегда имеет форму постоянного тока.

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный?

Преобразователь постоянного / постоянного тока принимает мощность в форме постоянного тока и выдает измененный уровень напряжения, оставаясь в форме постоянного тока. Выходное напряжение может быть выше или ниже входного. Они также широко известны как регуляторы напряжения. Эти устройства регулируют выходную мощность источника питания, которая может быть нестабильной или нестабильной, например, в системах с батарейным питанием.

Преобразователи постоянного / постоянного тока обычно рассчитываются на основе входного и выходного напряжения и тока. Хотя многие преобразователи имеют фиксированную номинальную мощность, некоторые позволяют регулировать выходную мощность в определенном диапазоне. Большинство конвертеров рассчитаны на один выход, но есть также варианты с двумя и несколькими выходами. В зависимости от основной функции они могут состоять из катушек индуктивности, диодов, выпрямителей и фильтров.

Рисунок 2 Преобразователи постоянного тока в постоянный ток большой мощности широко используются в системах общественного транспорта. Изображение любезно предоставлено Абсопульс

Для повышения эффективности процесса в схемах регулятора напряжения используется силовая электроника для уменьшения шума и поддержания постоянной выходной мощности. Хорошо спроектированные регуляторы имеют рейтинг эффективности 90% или выше, что является важным фактором для снижения потерь мощности и рассеивания тепла.

Топологии преобразователей постоянного / постоянного тока

Преобразователи постоянного тока в постоянный можно разделить на две основные группы:линейные и переключающие.

Устройства линейного регулятора работают аналогично делителю напряжения, поддерживая измененное постоянное напряжение на выходе. Основным недостатком этих регуляторов является неэффективность, поскольку почти вся разница между входом и регулируемым выходом теряется в виде отработанного тепла. С другой стороны, импульсные регуляторы работают более эффективно, включая и выключая выход по мере необходимости, а не постоянно на выходе.

Существует два основных типа импульсных преобразователей постоянного / постоянного тока:изолированные и неизолированные.

Последние используются в основном, когда изменение напряжения между входом и выходом относительно невелико. Вход и выход не изолированы друг от друга, потому что имеют общую землю. И наоборот, изолированные преобразователи предназначены для физического разделения входа и выхода, обеспечивая более высокую защиту от помех и обеспечивая более надежный выход. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных типов конвертеров в каждой категории.

Неизолированный

• Повышающий преобразователь :Также известный как повышающий преобразователь, выходное напряжение этого устройства равно или выше входного при сохранении той же полярности. Это устройство работает, накапливая энергию в катушке индуктивности (L), которая может поступать на выход на основе смещения диода (D), управляемого переключателем (S).

Рисунок 3 Анимация повышающего преобразователя. Изображение любезно предоставлено Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Понижающий преобразователь . Также известный как понижающий преобразователь, выходное напряжение равно или ниже входного. Основное отличие этого преобразователя от повышающего преобразователя заключается в размещении диода и катушки индуктивности. В этом случае, когда переключатель (S) выключен, эквивалентная схема, образованная диодом (D) и индуктором (L), позволяет накопленной энергии течь к выходу.
• Повышающий преобразователь :Эти устройства генерируют выходное напряжение, которое может быть ниже, равно или больше входного напряжения. Они предлагают возможность обратной полярности, обычное применение. Схема представляет собой комбинацию понижающего и повышающего преобразователей.

Рисунок 4. Сравнение понижающих, повышающих и повышающих понижающих преобразователей. Изображение любезно предоставлено Сирил Баттай

Изолированный

• Обратный преобразователь :Работает аналогично повышающему преобразователю, но вместо этого трансформатор накапливает энергию. Трансформатор обеспечивает изоляцию между входом и выходом.
• Прямой конвертер :Аналогично обратноходовому преобразователю, но сначала ставится этап преобразования, за которым следует традиционное повышающее преобразование.

Приложения для промышленной автоматизации

Как уже упоминалось, преобразователи постоянного / постоянного тока имеют широкий спектр применения, включая промышленную автоматизацию. Большое количество полевых устройств требует питания 24 В. Например, электрические панели оснащены понижающими преобразователями постоянного / постоянного тока, которые понижают напряжение от основного источника питания. Некоторым полевым устройствам не только требуется этот уровень напряжения, но они также достаточно чувствительны, чтобы требовать чистого и стабильного энергоснабжения, что является еще одной причиной для интеграции преобразователя.

Рисунок 5 Изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный от Phoenix Contact. Изображение любезно предоставлено Phoenix Contact

Существует множество приложений автоматизации с батарейным питанием, в которых критически важно интегрировать преобразователи постоянного тока в постоянный для обеспечения постоянного электропитания небольших устройств. По мере разряда батареи уровни напряжения постепенно падают. Напряжение аккумуляторной батареи также подвержено внезапным падениям из-за неожиданно высоких энергозатрат на управляемое оборудование. Мобильные автоматизированные машины, такие как автономные мобильные роботы (AMR) и транспортные средства с лазерным наведением (LGV), являются примерами роботов с батарейным питанием, которым требуются преобразователи постоянного тока в постоянный, чтобы гарантировать стабильное питание программируемого логического контроллера (ПЛК) и других устройств. устройства управления.