Выпрямители переменного тока
Области применения преобразователей электрического тока. Разновидности преобразователей переменного и постоянного тока. Описание основных блоков выпрямителя: трансформатора, вентильного преобразователя, фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.10.2014 |
| Размер файла | 68,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Выпрямители переменного тока
1.1 Области применения преобразователей электрического тока
Постоянный ток используют в транспорте, в электрохимии, в электроприводах и т.д. Такой вид потребления электрической энергии составляет 25% от мощности потребляемого переменного тока.
В технике всегда возникает необходимость плавного регулирования скорости вращения механических устройств или изменения потребляемой мощности:
- регулирование освещения в помещениях,
- вариация скоростью вращения швейных машин,
- программное изменение скорости вращения металлообрабатывающих центров и т.п.
Выпрямители предназначены для питания электрических устройств, принцип работы которых основан на использовании источников постоянного тока. К таким устройствам относятся все радиотехнические устройства связи промышленного и бытового назначения, электропитание автономных передвижных механизмов, промышленных установок гальваностегии, гальванопластики, электролиза и многое другое.
В зависимости от мощности, выдаваемой выпрямителями, их условно делят на выпрямители малой, средней и большой мощности. Выпрямители малой мощности потребляют ток до 10 А, средней мощности от 10 до 100 А и выпрямители большой мощности потребляют ток 100 и более ампер.
Кроме выпрямителей в настоящее время существует большой класс инверторов, которые преобразуют источник тока в ток переменной частоты. Хотя ранее эта проблема была связана с накоплением энергии от сети переменного тока в источник хранения энергии постоянного тока, и в часы пиковой нагрузки эта энергия перекачивается в сеть переменного тока. Такие устройства получили название инвертора ведомого сетью. Для питания автономных электротехнических устройств переменного тока получили распространения автономные инверторы, которые преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию переменного тока с нужной частоты. В последнее время они нашли применение и в бытовой технике. Так в лампах освещения используются системы питания, в которых вырабатывается переменный ток частоты несколько десятков килогерц. Такие источники питания позволили сократить потребляемую мощность в несколько раз при сохранении мощности излучаемого светового потока.
Конструкция этих выпрямителей и инверторов практически одна и та же. Поведение вентилей в таких устройствах разная, потому что магнитный поток рассеяния трансформатора, который частично замыкается не через магнитопровод, а через воздух, при больших токах в обмотках способен наводить дополнительную ЭДС, которая сильно влияет на процесс открытия и на процесс закрытия вентилей. Это в свою очередь изменяет КПД выпрямителя и учитывается, при использовании управляемых вентилей в процессе выборе системы управления вентильными преобразователями.
Силовая техника подразумевает использование цепей больших токов, составляющих десятки и сотни ампер. Такие токи способна обеспечить силовая электроника, которая дает промышленности ртутные вентили, магнитные усилители, тиратроны, сильно точные полупроводниковые приборы: тиристоры, симисторы.
Использование полупроводниковых приборов позволило:
- уменьшить вес преобразователей в 3..7 раз (э дало возможность обходится без подъемных устройств перемещения или установки преобразователей),
- увеличить КПД в среднем на 10..40%;
- отказаться от сложного водяного или масляного охлаждение вентилей;
- получить большую экономию электроэнергии. Так внедрение силовых полупроводников в систему управления насосами и компрессорами дало экономию энергии на 30%, в транспорте 20..30%, в приводах производств, производящих бумагу, 14 % и т.д.
Полупроводниковая силовая техника позволила:
- создать безинерционные преобразователи,
- увеличила долговечность устройств в несколько раз,
- повысила надежность установок,
- позволила создавать преобразователи для необычайно широкого диапазона преобразователей по мощности. Так в бытовой техники преобразователи имеют мощность от 100 Вт, а в промышленности до нескольких мегаватт.
В настоящее время полупроводниковые преобразователи обслуживают:
- бытовую технику,
- технику сферы обслуживания населения,
- насосные станции водоснабжения и электростанций,
- мельницы по переработки зерна,
- цементные заводы, электротранспорт,
- текстильную промышленность, центры проката металла, где потребляется мощность от 20 до 40 МВт (порядка 3000 электродвигателей),
- уменьшить стоимость преобразователя по сравнению с преобразователями на ртутных вентилях.
Материал располагается в следующей последовательности.
В начале дается классификация вентильных преобразователей и основных блоков, используемых в различных преобразователях, в том числе и в системах управления вентильными преобразователями.
Во второй части материалы рассмотрен принцип работы и свойства выпрямителе малой мощности. Вначале даются выпрямители неуправляемые, затем выпрямители управляемые. Рекомендуем читателю только после изучения (или просмотра) этого материала переходит к материалу, посвященному выпрямителям большой мощности. Это необходимо потому, что процессы, изученные в выпрямителях малой мощности, остаются и в выпрямителях большой мощности, потому им практически уже не уделяется внимания. Основной акцент здесь сделан на коммутацию вентилей в неуправляемых и управляемых выпрямителях. Этот акцент очень важен для перехода к инверторам, ведомым сетью, без него трудно будет понять принцип работы инвертора. После детального рассмотрения этих устройств читатель получает представление о работе многофазных преобразователя в той же последовательности, какая нами предложена для однофазных преобразователей. Продолжать в процессе набора материала
1.2 Разновидности преобразователей переменного и постоянного тока
- Классификация простых преобразователей. регулируемее величины U, I, f, расположенные в верхней части блоков, расположенных снизу рисунка.
- к способу коммутации относятся параметры, расположенные в нижней части блоков в этой же группе блоков. Эти параметры означают следующее:
o U1 - коммутация напряжением питающей сети (преобразователи ведомые сетью),
o U2 - коммутация напряжением приемной цепи (преобразователи ведомые напряжением нагрузки),
o U1 - коммутация напряжением питающей сети (преобразователи ведомые сетью),
o S - принудительная коммутация от внешнего источника.
Более сложные преобразователи называют комбинированными. В них выполняется многократное преобразование электрической энергии.
Преобразователь большой мощности существенно расширяет свои возможности, если к нему добавить электронные устройства малой мощности, которые задают закон работы силового преобразователя. Микроэлектроника и ее основные устройства рассмотрены нами в курсе дисциплины полупроводниковые и интегральные схемы. В результате силовые преобразователи позволили выполнять функции: выпрямителя, инвертора, преобразователя частоты, регулятора постоянного напряжения, регулятора переменного напряжения.
Внутри блока слева сверху показана преобразуемая величина, а снизу справа, преобразованная величина.
Расшифровка этих блоков делается так:
- В - преобразователь переменного напряжения в постоянное (выпрямитель);
- И - преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор);
- ПЧ - преобразователь частоты переменного тока с величины f1 на величину f2;
- PU - преобразователь частоты в постоянное напряжение, обычно пропорциональное по величине частоте. В радиотехнике их называют частотным детектором.
Они нашли применение так же в регуляторах постоянного напряжения;
- PU - преобразователь величины напряжения переменного тока. К ним можно отнести регулируемые трансформаторы. Устройства нашли применение в регуляторах переменного напряжения.
2. Обобщенная схема выпрямителя и его свойства
2.1 Основные блоки выпрямителя
Обобщенная блок-схема выпрямителя малой мощности может содержать шесть функционально-законченных блоков.
Тр - трансформатор. Он понижает или повышает напряжение U1 до величины U2, если это необходимо для практики.
ВП - вентильный преобразователь, преобразующий напряжение (ток) переменное U2 в напряжение (ток) однополярное U3.
Ф - фильтр, пропускающий в нагрузку постоянную оставляющую тока, и не пропускающий всевозможные гармоники. При этом напряжение в нагрузке U4 становится постоянным с небольшими пульсациями.
Ст - стабилизатор постоянного напряжения. Он поддерживает напряжение U5 постоянным при изменении тока IН нагрузки в заданных пределах.
Н - нагрузка, потребляющая энергию постоянного тока.
СУ - схема управления вентилями блока ВП. Вентили при этом должны быть управляемые (транзисторы, тиристоры). СУ позволяет изменять время открытия управляемых вентилей по заранее известному алгоритму. Часто этот алгоритм построен так, что он поддерживает в нагрузке напряжение постоянным. При этом отпадает необходимость в блоке Ст.
Качество постоянного напряжения выпрямителя характеризуется рядом параметров, указывающих на то, настолько это напряжение близко к идеальному постоянному напряжению. Основные параметры приведе ны ниже. преобразователь электрический выпрямитель трансформатор
2.2 Среднее значение выпрямленного тока и напряжения
Важным параметром для выпрямителя являет среднее значение напряжения и тока . Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по формуле (7.1)
где - среднее выпрямленное напряжение при идеальном (без потерь) вентильном преобразователе;
- текущее обобщенное время с учетом частоты переменного напряжения;
u - закон изменения напряжения на выходе вентильного преобразователя без фильтра.
Графически оно означает замену площади, ограниченной функцией u(), на усредненную площадь прямоугольника, высота которого определяет среднее значением напряжения. Из разложения функции в ряд Фурье эта формула дает постоянную составляющую спектра напряжения . На основе формулы (7.1) понятно, что среднее значение напряжения зависит как от величины напряжения, так и от его формы.
Среднее значение тока легко определить в нагрузке по закону Ома.
2.3 Коэффициент пульсаций
Разложим функцию времени (напряжение) в ряд Фурье. При этом получим:
постоянную составляющую;
множество гармоник, которые определяют форму напряжения .
Реальное пульсирующее выпрямленноео напряжение отличается от идеального постоянного напряжения. Это отличие принято оценивать отношением амплитуды первой гармоники к среднему выпрямленному напряжению . Такое отношение назвали коэффициентом пульсаций
где амплитуда гармоники вычисляется коэффициентом разложения функции в ряд Фурье
2.4 Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия у выпрямителей всегда меньше единицы. Это связано с тем, что на вентилях, омическом сопротивлении обмоток трансформатора всегда расходуется часть электрической энергии. Мощность, потребляемая из сети, можно вычислить через действующие входные напряжения U1 и ток I1 по известной формуле
Мощность, потребляемая нагрузкой так же легко вычислить по формуле
После проведенных вычислений мощностей к.п.д. просто вычислить по формуле
2.5 Внешняя характеристика
Внешняя характеристика является информационной основой к.п.д. Действительно, из уравнения, составленного по закону Кирхгофа
где - напряжение идеального выпрямителя без потерь, вычисленное по формуле (7.1);
- ток, потребляемый нагрузкой;
- суммарное сопротивление выпрямителя, на котором теряется мощность;
- напряжение нагрузки.
Из уравнения (7.4) видно, что с ростом потребляемого тока напряжение в нагрузки уменьшается. Это связано с тем, что с ростом тока нагрузки потери в меди трансформатора и на полупроводниковых вентилях ВП возрастают. Ясно, что при идеальном трасформаторе и вентилях (r = 0) внешняя хара-ктеристика была бы идеальна и напряжение на нагрузке независимо от по-требляемого тока всегда бы равнялось величине Ud.
2.6 Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика необходима в том случае, когда в качестве вентилей используют управляемые вентили. В этом случае, после интегрирования по формуле (2), мы получим, что среднее значение напряжения Ud становился функцией угла управления (начального момента открытия вентилей):
Эта характеристика чрезвычайно важна для автоматического подержания постоянства апряжения в нагрузке, так как меняя угол момента открытия тиристоров или транзисторов большой мощности, можно изменять выходное напряжение управляемого преобразователя по любому закону, или поддерживать его постоянным.
3. Неуправляемый однофазный однополупериодный выпрямитель переменного тока малой мощности
3.1 Схема и принцип работы
Однофазный однополупериодный выпрямитель является основной функциональной ячейкой для построения сложных выпрямительных устройств. В этой схеме ис-пользован полупроводниковый диод,
Исходя из свойства диода (он проводить ток только в одном направлении), работу схемы можно представить себе так:
- в интервале времени [0 - ] для потенциалов точек трасформатора выполняется соотношение А В и диод открыт. Ток протекает по цепи А-VD-С-RН-В.
- В интервале времени [ - 2] для потенциалов точек трансформатора выполняется соотношение А В и диод закрыт.
Когда в цепи протекает ток, то часто в промышленных установках выполняется неравенство , поэтому при открытом диоде форма тока повторяет форму входного напряжения тем лучше, чем идеальнее свойства диода, что отражено на рис. 7.6 в интервале 0….
Замечание 1. Максимальное значение прямого тока вентиля определяется максимальным значение входного напряжения. Так при синусоидальном напряжении этот ток следует определять при амплитудном его значении: IН,MAX = U2m/RН. По значению этого тока из справочника выбирают нужный диод.
Для интервала [ - 2] из уравнении (1) ясно, что диод не пропускает ток и поэтому справедливо равенство
из которого следует, что к диоду прикладывается вся величина входного уравнения. Это важно учитывать при выюоре диодов в схему выпрямления.
Замечание 2. Максимальное значение обратного напряжения венти-ля определяется максимальным значение входного напряжения. Так при синусоидальном входном сигнале это напряжение равно его амплитуде U2m. По значению этого напряжения из справочника выбирают нужный диод.
3.2 Среднее значение выпрямленного тока и напряжения
Находим по формуле (1) среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя
Отсюда видим, что среднее напряжение в однополупериодном выпрямителе меньше амплитудного значения входного синусоидального напряжения почти в три раза.
Здесь - среднее выпрямленное напряжение при идеальном (без потерь) вентильном преобразователе.
Коэффициент пульсаций
Используя разложение в ряд Фурье, получим амплитуду первой гар-моники выходного сигнала однополупериодного выпрямителя:
Теперь по формуле (7.2) вычисляем коэффициент пульсаций
Коэффициент пульсаций велик и составляет 157%.что соотвествуе 157 %.
Коэффициент полезного действия
Для вычисления коэффициента полезного действия определим действующее значение тока во вторичой обмротке трансформатора, учитывая то, что он протекает в обмотке только половину периода синусоидального напряжения
С учетом выражения(7,8) получим
Мощность, отдаваемая вторичной бобмоткой трансформатора равна
Мощность, потребляемая нагрузкой,
КПД выпрямителя равен
Для более точного вычисления к.п.д. нужно учитывать потери в трансформаторе. Для этого потребляемая мощность вычисляется через входные параметры напряжения переменного тока
После этого выбрать трансформатор по справочнику, узнать (или рассчитать по диаметру намотанного провода и числу его витков с учетом геометрии сердечника) омическое сопротивление Rтр его обмоток. Далее для выбранного из справочника диода, вычислить его сопротивление при номинальном режиме открытого диода Rпр = Uпр/Iпр. Вычислить суммарное сопротивление R = Rпр + Rпр, а затем вычислить потерю мощности по известной из школьного курса физики формуле Р = I21 R. Вычисление к.п.д особой трудности не представляет.
Внешняя характеристика
Внешняя характеристика показывает, как сильно меняется напряжение в нагрузке при изменении потребляемого тока:
Эта зависимость зависит от схемы выпрямителей: от числа вентилей, типа вентильного преобразователя, от конструкции и мощности трасформатора, от числа фаз сети и т.д.
Диаграммы токов и напряжений выпрямителя
Количественно, приведенную на рис. 7.6, диаграмму тока нагрузки следует получить из графического решения уравнения (7.6), которое нужно построить на вольтамперной характеристике выбранного диода. Если построения осуществить для большого числа мгновенных значений напряжения u2, то получим множество решений. Соединив полученные точки отрезками прямых линий, получим кривую, показанную нами на рис. 7.6. Для обратной ветки при построении ток будет равен нулю, мы сознательно увеличили масштаб во много раз для того, чтобы подчеркнуть неидеальность диодов. Напряжение на закрытом диоде с высокой степенью точности равно мгновенному входному напряжению.
Понятие расчета выпрямителя малой мощности
Для расчета выпрямителя малой мощности нужно четко сформулировать исходные данные и выяснить выходные данные по окончании расчета. Покажем это на примере схемы однотактного однополупериодного выпрямителя. Требуется рассчитать выпрямитель, питающийся от сети переменно-го напряжения U1 = 220 В частоты 50 Гц. Выпрямитель работает диапазоне температур от - 40 С до + 40 С. Его выходные параметры следующие: среднее выпрямленное напряжение Ud = 12 В; средний выпрямленный ток Id = 50 мА. Коэффициент пкльсаций любой.
Порядок расчета:
- выбрать вентиль;
- определить коэффициент трас формации трансформатора;
- вычислить коэффициент пульсаций;
- найти мощность, отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора;
- определить мощность, отдаваемая нагрузке постоянным током;
- рассчитать коэффициент полезного действия при идеальном трансформаторе.
Воспользуемся отработанной методикой расчета, изложенной, например, в учебнике [1].
Решение:
Рисуем схему выпрямителя, которая в данной работе изображена на рис.2.
1. Делаем анализ условий работы диода:
- диод должен пропускать средний ток IПР = Id не менее 50 мА;
- диод должен выдерживать обратное напряжение не менее амплитудного напряжениявторичной обмотки трансформатора UОБР U2m.
- амплитудное значение напряжение можно связать со средним значением напряжения
Ud = U2m/.
Отсюда получим
UОБР Um2. = Ud = 3,14 12 = 38 В.
2. По справочнику [2] выбираем диод Д206, имеющий параметры IПР = 100 мА, UОБР = 100 В, диапазон рабочих температур от - 60 С до +125 С.
3. Проверяем максимальное значение тока
IМАКС = Id = 3,14 50 = 157 мА.
Для диодов при частоте 50 Гц питающего напряжения перегрузка диода допускается в импульсе в 2 - 3 раза, поэтому диод выбран нами правильно.
4. По формуле (7.7) находим связь среднего выпрямленного напряжения с действующим напряжением вторичной обмотки трансформатора
5. Вычисляем коэффициент трансформации трасформатора
6. Вычисляем коэффициент пульсаций по формуле (7.2)
7. Мощность, отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора
8. Мощность постоянного тока, потребляемая нагрузкой
9. Коэффициент полезного действия при идеальном трансформаторе равен величине
С учетом потерь в трансформаторе, связанных с потерями в омическом сопротивлении обмоток трансформатора, этот коэффициент становится еще меньше.
3.3 Области применения однофазного однотактного выпрямителя
Однофазный однотактный выпрямитель применяют там, где величи-на пульсаций слабо влияет на технологический процесс. Области примене-ния перечислены в разделе 1.1. Вам предлагается самостоятельно выбрать такие области.
3.4 Мостовая схема выпрямителя
Мостовая двухполупериодная схема выпрямления приведена на рис.5. Двухполупериодный выпрямитель позволяет получить ток, протекаю-щий в течение обоих полупериодов переменного напряжения. Достигается это применением мостовой схемы, состоящей из четырех диодов D1 - D4.
Пусть в первый полупериод потенциалы точек такие, что выполняется нера-венство А В. Тогда в интервале времени [0…] ток протекает по цепи A-VD1-R-VD4-B. Во второй полупериод […2], для условно выбранных точек трансформатора А и В, выполняется неравенство А В. Ток протекает по цепи B-VD3-R-VD2-A. Направление тока через нагрузку RН остается неизменным.
Обратное напряжение прикладывается к двум последовательно включенным диодам. Это обстоятельство указывает на то, что обратное напряжение в мостовой схеме для диодов рав-но половине величины напряжения для однополупериодного выпрямителя:
UОБР U2m/2. = Ud/2,
что 4читывают при выборе диодов для таклгл выпрямителя.
Среднее значение напряжения у мостового выпрямителя по сравнению с однотактным выпрямителем в два раза больше
Это же обстоятельство приводит к тому, что при равенстве средних значений напряжений у однотактного и мостового выпрямителей число витков вторичной обмотки разное. Так у мостового выпрямителя число витков вдвое меньше, чем у однотактного выпрямителя.
Еще одним преимуществом мостового выпрямителя является меньший коэффициент пульсаций. Это легко доказать по формулам (7.8), (7.9) и (7.10). В общем случае для m числа пульсаций в выходном напряжении (m это число фаз плюс число тактов выпрямления) коэффициент пульсаций вычисляется по формуле
Для рассматриваемой мостовой схемы выпрямления m =2. Таким образом, коэффициент пульсаций составляет
И так, коэффициент пульсаций у мостового выпрямителя меньше, чем у однотактного однофазного выпрямителя, почти в 2,4 раза.
3.5 Разновидности выпрямительных устройств
Рассмотренные типы выпрямителей внедрены в трехфазную сеть. Трезфазные выпрямители отличаются от однофазного выпрямителя тем, в каждой фазе должен стоять как минимум один диод. Число пульсаций даже у простейшего выпрямителя равно 3. Коэффициент пульсаций у ирехфазных выпрямителей всегда меньше меньше чем у однофазных выпрямителей, а выпрямленное напряжение больше. Например, для трехфазной мостовой схемы выпрямления в трехфазной сети m = 6. Отсюда коэффициент пульсаций равен
Такой малый коэффициент пульсаций часто не требует его дополнительного уменьшения. Так что на практике такие выпрямители работают без фильтров.
3.6 Фильтры выпрямителей
Фильтры пропускают постоянную составляющую в нагрузку и не пропускают в нее гармоники (высокочастотные синусоидальные колебания тока). Фильтры делятся на два вида:
- с ростом частоты переменного тока их сопротивление возрастает до бесконечности. Такие фильтры (индуктивные) включают последовательно нагрузке;
- с ростом частоты переменного тока сопротивление фильтра стремится к нулю.
Такие фильтры (конденсаторы) включают параллельно нагрузке.
Емкостный фильтр
Способ подключения емкости к нагрузке
Емкость конденсатора способна заряжаться при подачи на него напряжения или разряжаться, если обкладки конденсатора замкнуть. Конденсатор обладает сопротивление
,
зависящем от частоты протекающего через него тока. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности и ничего не изменится в схеме, если конденсатор С включить параллельно нагрузке RН . Для переменного тока при бесконечно большой емкости сопротивление фильтра Хс становится равным нулю для любой гпрмоники, что приводить к короткому замыканию через емкость всех переменных составляющих тока i. Через нагрузку RН будет протекать только постоянная составляющая выпрямленного тока, напряжение в нагрузке становится неизменным во времени.
Принцип работы фильтра
Конденсатор заряжается до некоторого усредненнго уровня напряжения UС, помеченного пунктирной горизонтальной линией. Уравнение, составленное для постоянной составляющей для контура 1, позволяет понять принцип работы выпрямителя с емкостным фильтром
где Ed - выпрямленное напряжение однополупериодного выпрямителя без фильтра в режиме холостого хода;
UVD - падение напряжения на диоде;
UC - напряжение на конденсаторе при его зарядке и разрядке.
Разрешим уравнение (7.14) относительно напряжения диода
и видим, условие Ed UC выполняется только в интервале времение t1 - t2. На диоде напряжение Uvd > 0, поэтому в это время диод, из сети внагрузку и конденсаторо постурпает электрическая энергия. Конденстор в интервале времени от t1 до t2 будет заряжеться. Так как трансформатор имеет сопротивление, то к моменту времени t2 он зарядится не до максимального значения напряжения U2 и в момент t2 = 0 диод закроется, так как Uvd = 0 .
Начиная с момента t2 начинает выполняться неравенство Ed < UC и диод закрывается
Uvd < 0. Теперь нагрузка и конденсатор диодом отсоединены от сети переменного тока и конденсатор начет разрязаться через нагрузку, поддерживая в ней ток прежнего направления. В самом конденсаторе ток изменит направление на 180. Процесс разрядки конденсатора будет продолжать длительно в течение отрезка времени t2 - t3.
В момент времени t3 видим, что Ed = UC, а затем начинает диод вновь открываться потому, что напряжение к нему приложено в прямом направлении Uvd > 0.
Из формулы (7.15) ниже расположенного раздела раздела ясно, что, выбирать величину емкости конденсатора С нужно очень большой. Только так можно уменьшить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. При этом автоматически выполнится неравенство ХС RН. Такое соотношение выполняется в выпрямителях, предназначенных для питания высокоомных электронных устройств. Электронные устройства потребляют малую мощность и для них эффективно работает емкостный фильтр. Бесконечно большую емкость реализовать не возможно и приходится брать конденсаторы с емкостью до нескольких десятков тысяч микрофарад. Такой фильтр уменьшает коэффициент пульсаций до 5...15%. Сравните с 157% и с66,7%, соответственно, для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя без фильтра).
Выбор величины емкости фильтра по заданному коэффициенту пульсаций
Разложив напряжение и ток нагрузки выпрямителя в ряд Фурье, можно определить по формуле (7.2) величину коэффициента пульсаций с емкостным фильтром. При этом получили формулы, связывающие требуемый коэффициент пульсаций с емкостью фильтра и параметрами выпрямителя. Эти формулы приведены ниже.
В эти формулы следует подставлять величины в таких размерностях: С = [мкФ], Id = [мА], Ud = [В].
Индуктивный фильтр
Как мы убедились выше, применять емкостный фильтр при малых сопротивления нагрузки бессмысленно, так как реализация указанного неравенства приводит к чрезвычайно большим габаритам емкостного фильтра. В этом случае используют индуктивный фильтр.
Способ подключения индуктивности к нагрузке
Индуктивность обладает сопротивлением
ХL = L
зависящем от частоты протекающего через нее тока. Для постоянного тока это сопро-тивление равно нулю и ничего не изменится, если индуктивность L включить последовательно нагрузке RН. Для переменного тока, при бесконечно большой индуктивности, фильтр становится разрывом цепи (бесконечное сопротивление индуктивности).
Принцип работы
Принцип работы индуктивного фильтра основан на законе индукции. Из физики ( и элетротехники) известно, что любые изменения тока вызывают в ндуктивности противоЭДС, которая не позволяет меняться току. Для контура 1 схемы замещения выпрямителя с индуктивным фильтром можно записать уравнение (для переменных составляющих токов и напряжений).
Отсюда получим величину переменного тока в нагрузке
Из уравнения (7.17) ясно, что при L , переменная составляющая тока нагрузки равна нулю. Для постоянного тока сопротивление индуктивности равно нулю и величина тока определяется величиной сопротивления нагруз-ки. На практике бесконечно большая индуктивность не реализуется. Для конечных значений индуктивности ток в нагрузке будет пульсирующим, не постоянным во времени. Для выявления формы этого тока запишем уравнение (7.16) в ином виде
где еL - эдс самоиндукции. Эта эдс меняет свое направление так: если ток растет (увеличивается напряжение u2) , то ЭДС самоиндукции вычитается из приложенного напряжения
если ток уменьшается (уменьшается напряжение u2) , то ЭДС самоиндукции складывается с приложенным напряжением
Формула (7.19) указывает на то, что ток i1 при возрастании напряжения u2нарастает медленно из-за воздействия эдс самоиндукции. При уменьшении напряжения u2 ток может возрастать и далее (формула 7.20), так как эдс самоиндукции меняет свое направление. Более того, при напряжении u2 = 0 ток не равен нулю потому, что его поддерживает эдс самоиндукции (энергия магнитного поля, запасенная в индуктивности). В результате ток i1 может протекать в течение времени 0…t1, превышающнм половину периода синусоидального напряжения u2. Из рис. 7.19 видно, что для однополупериодного выпрямления фильтр не эффективен, так как ток будет прерывистым. Если его поставить в двухполупериодный выпрямитель, то появится еще одна пульсация тока, показанная на рис. 7.19 пуктирной линией. Нетрудно сложить ординаты этих токов графически и мы увидим непрерывных ток с некоторыми пульсациями. Еще меньшие пульсации будут в трехфазных выпрямителях.
Выбор индуктивного фильтра
По методу суперпозии для схемы рис 7.18 легко определить величину первой гармоники переменного тока
Постоянный ток определяется величиной сопротивления резистора нагрузки
Теперь легко вычислить коэффициент пульсаций через параметры нагрузки и фильтра
Для индуктивного фильтра удобно задавать коэффициент сглаживания
Формула (7.24) позволяет выбрать величину индуктивности фильтра, если известен коэффициент сглаживания, величина нагрузки и частота пульсаций переменного тока (она кратна частоте 50 Гц сети переменного тока). Формула (7.25) указывает на то, что индуктивный фильтр эффективен при малых сопротивлениях нагрузки (сварка, электролиз и т.п.). Такие выпрямители называют выпрямителями большой мощности (токи сотни ампер).
Разновидности фильтров
На практике выпрямители бывают такими, что они по мощности занимают среднее положение между выпрямителями малой и большой мощности. Для них не эффективен по отдельности ни один из рассмотренных фильтров. В то же время для питания сложной электронной аппаратуры допускается величина коэффициента пульсаций q = 0,05 2% и менее.
Существуют и более сложные фильтры, представляющие собой комбинацию рассмотренных фильтров. Кроме того, для построения фильтров используют транзисторы. Такие фильтры получили название "Активные фильтры". Они позволяют получить малый коэффициент пульсаций и существенно уменьшить габариты фильтра.
Величину пульсаций уменьшает и блок стабилизации, хотя его основное назначение - поддерживать неизменным напряжение в нагрузке.
3.7 Стабилизаторы постоянного напряжения
Общий подход построения стабилизаторов напряжения
Стабилизаторы напряжения основаны на свойстве какого - либо устройства изменять свое сопротивление под действие внешнего сигнала управления.
Для схемы из уравнения Кирхгофа напряжение нагрузки UH определяется как источником питания Ed, так и напряженгие UR на дополнительном регулирующем сопротивлениии
.
Если напряжение в нагрузке увеличится, то нужно увеличить сопротивление R так, чтобы скомпенсировать это увеличение. Эту операцию просто выполнить вручную, правда нужно иметь вольтметр, по которому можно следить за напряжением нагрузкию. Так же нужно знать величину допустимого отклонения напряжения UH от номинального значения. Стабизаторы, реализоваттые по такому способу называют стабилизаторами последовательного типа.
Для схемы регулиующий элемент включен паралллельнго гарузке и является потенциометром. Напряжение на нагрузку снимается с нижней части потенциометра RX. Не сложно получить величину напряжения, снимаемого с потенциометра и подаваемого в нагрузку
.
Из этого выражения видим, что с тостом напряжения нагрузки нужно движок потенциометра переместить вниз. Тогда сопротивление части потенциометра RX усменьшится и уменьшится напряжение в нагрузке. Стабизаторы, реализоваттые по такому способу называют стабилизаторами параллельного типа.
Внешняя характеристика выпрямителя с емкостным фильтром
Внешняя характеристика выпрямителя с емкостным фильтром можно записать модифицируя формулу (13), в которой следует учесть ток зарядки конденсатора:
где - напряжение идеального выпрямителя без потерь, вычисленное по формуле (1);
- ток зарядки конденсатора;
- ток нагрузки;
- суммарное сопротивление выпрямителя, на котором теряется мощность;
- напряжение нагрузки.
Из уравнения (7.26) видно, что с ростом потребляемого тока напряжение в нагрузки уменьшается при наличие емкостного фильтра в большей степени, чем при отсутствии фильтра. Это связано с тем, что рост тока нагрузки свидетельствует об уменьшении сопротивления нагрузки. При этом конденсатор успевает в интервале времени t2…t3 (hbc/ 7/17) сильно
разрядиться. По этой причине ток зарядки в уравнении (7.26) так же сильно возрастает, что увеличивает потерю напряжения в меди трансформатора и на полупроводниковых вентилях.
Ясно, что при идеальном трасформаторе и вентилях (r = 0) внешняя характеристика была бы идеальна и напряжение на нагрузке независимо от потребляемого тока всегда бы постоянным. На практике этого добиться в настоящее время не удается, потому строят стабилизаторы напряжения. Они потребляют электрическую энергию и это является платой за то, чтобы поддерживать (в заданном интервале изменения токов нагрузки) напряжение постоянным.
Характеристики построены на основании уравнения (1) с учётом того, что вентили обладают сопротивлением, нелинейно зависящим от протекающего через них тока. Чтобы величина UH практически не менялась с ростом тока IН, между выпрямителем и нагрузкой ставят стабилизатор напряжения.
Принцип построения схем стабилизаторов постоянного напряжения
Для стабилизации напряжения параллельно или последовательно к нагрузке подключают стабилизирующий элемент. Для параллельного подключения используют электронные элементы, в которых напряжение поддерживается постоянным, хотя напряжение питания меняется. К таким элементам относятся кремниевые стабилитроны и стабисторы, вакуумные стабилитроны и т.д. Если нужен большоой коэффициент стабилизации, то вместо стабилитронов ставят регулирующий элемент со сложной электронной схемой.
Такую электронную схему можно создать, включив регулирующий элемент последовательно нагрузке. Для последовательного подключения используют управляемые полупроводниковые приборы: транзисторы, тиристоры, электронные лампы. Такие стабилизаторы требуют дополнительных электронных блоков, которые позволяют следить за величиной напряжения в нагрузке, сравнивать его с некоторым эталоном (опорным напряжением), вычислять разницу напряжения нагрузки и опорного напряжения, усиливать полученную разницу, использовать усиленную разность напряжения для управления полупроводниковым регулирующим элементом.
Для оценки качества стабилизации напряжения вводят коэффициент стабилизации, математическая модель которого имеет вид
где - изменения напряжения на выходе выпрямителя;
- номинальное напряжение выпрямителя;
- допустимые изменения напряжения в нагрузке;
- номинальное напряжение в нагрузке.
Параметрический стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне
При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне.
Основная схема стабилизатора и принцип действия
Принцип работы параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне был рассмотрен нами в разделе «Исследование свойств полупроводниковых приборов». Здесь мы получим математическую модель для этого стабилизатора с тем, чтобы по ней научиться правильно выбирать параметры стабилизатора.
Графоаналитический анализ параметрического стабилизатора
Для выявления пути расчета параметрического стабилизатора запишем систему уравнений для постоянных во времени токов (напряжений) и для их изменений
В полученной системе уравнений (7.27) параметры цепи либо известны заранее, либо мы их вычисляем косвеного по простым соотношениям. Ниже мы параметры приводим в такой последовательночти, в какой удобно проводить порядок расчета параметрического стабилизатора.
- номинальное сопротивление нагрузки указывает заказчик;
- номинальный ток (или потребляемая нагрузкой мощность) нагрузки указывает заказчик;
- номинальное напряжение нагрузки вычисляем;
- допустимые изменения напряжения в нагрузке дает заказчик;.
- напряжение стабилизации выбранного стабилитрона, номинальному напряжению нагрузки согласно принципу построения параметрического стабилизатора;
- номинальное напряжение источника питания уже известно, так как пытается использовать стандартные, выпускаемые промышленностью блоки, либо это источник питания к разрабатываемому нами устройству в целом;
- изменения напряжения источника питания непосредственно не дано, но в сети переменного напряжения всегда известно изменение напряжения. Теперь не трудно вычислить изменение напряжения на выходе выпрямителя из пропорции, составленной для этихдвух видов напряжения.
При таких известных параметрах не трудно решить систему уравнений и получить значение величины ограничительного сопротивления RД . Это мы научились делать графоаналитическим методом, рассмотренным в разделе «Исследование свойств полупроводниковых приборов.
Для быстрого решения системы уравнения (7.27) следует придерживаться такого алгоритма расчета:
- вычисляем величину напряжения, на сопротивлении Rд: UД = Ud - UН;
- по справочнику выбираем стабилитрон (Iмин, Iмакс, Uст = Uн) и вычисляем среднее значение тока стабилитрона (координата середины участка стабилизации ВАХ стабилитрона)
- вычисляем величину ограничительного сопротивления RД = UД/IVD;
- находим на графике координату точки покоя и для нее вычисляем:
° дифференциальное сопротивление стабилитрона
;
° его эквивалентное сопротивление в точке покоя
;
° по формуле (7.26) вычисляем коэффициент стабилизации или по приближенной формуле
. (7.28)
Если коэффициент стабилизации мал, нужно изучить следующий раздел с тем, чтобы найти пути его увеличения.
Анализ выражения (7.28) указывает на то, что при Ri = 0 коэффициент стабилизации равен бесконечности. Такой идеальный стабилизатор не существует, так как Ri 0. Для выпускаемых промышленностью стабилитронов КСТ не превышает 20 (чаще всего он не превышает 10). При необходимости увеличить UСТ. , стабилитроны соединяют последовательно.
Компенсационный стабилизатор
Обычно параметрический стабилизатор используют в качестве источника опорного напряжения. Для получения больших коэффициентов стабилизации применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения. Мы ранее показали, что по принципу соединения регулирующего элемента относительно нагрузки различают стабилизаторы последовательного и параллельного типов.
Принцип действия компенсационного стабилизатора последовательного типа
Основные операции и их последовательность определяеюся последовательностью действий оператора. Пусть мы решили поставить регулирующий элемент последовательно нагрузке. Такой стабилизатор называют стабилизатором последовательногог типа. Можно сконструировать стпбилизатор параллельного типа, который будет работать по принципу, напоминающему принцип работы параметрического стабилизатора.
,
из которого можго найти напряжение нагрузки
Отсюда следует, что при увеличении напряжения нужно настолько же увеличить напряжение на регулирующем элементе РЭ, тошда напряжение нагрузки н е изменится. То же следует делать и при уменьшении напряжения.
Последовательность работы блоков такова:
- с нагрузки напряжение подается на измеритель-индикатор (ИИ), на выходе которого появляется часть напряжения нагрузки, опримальная для работы следующего блока;
- это напряжение поступает в систему сравненния СС, где сравнивается с напряжением блока опорного напряжения ОП, которое может поступать, например, с параметрического стабилизатора напряжения;
- с выхода системы сравнения выдается разность сравниваемых напряжений
которая может в процессе работы меняться не только по величине, но и по знаку;
- затем малая по величине разность потенциалов последовательно усиливается усилителем напряжения УН до напряжения и усилителем мощности УМ до требуемой мощости Р, способной привести в рабочее состояние исполняющий механизм ИМ;
- если напряжение на нагрузке возрасло, то, согласно уравнению (7.29), разность поинциалов возрастет со знаком «Плюс». Тогда на выходе усилителя УМ напряжение тоже положительное по знаку. Что определит направление движения исполнительного механизма, который увеличит напряжение на РЭ на величину, компенсирующую рост напряжения в нагрузке.
- Если напряжение в нагрузке уменьшится, то оно может стать со знаком «минус». Тогда блок ИИ изменит состояние регулирующего механизма так, что на нем напряжение тоже уменьшиться на требуемую величину. Так, используя в качестве регулирующего механизма потенциометр, а в качестве ИМ двигатель ностоянного тока, все можно свести к реверсу направления движения ротора двигателя и скорости его вращения.
Пример построения компенсационного стабилизатора последовательного типа
На дан пример построения стабилизатора на микросхеме типа операционный усилитель.
Рассмотрим назначение элементов схемы, порядок и последовательность их работы в предположении, что в нагрузке напряжение возрасло.
RH - сопротивление нагрузки, на которой напряжение возросло;
R3-R4 - делитель напряжения, с которого снимается часть напряжения UH нагрузки (оно возросло), не превышающего допустимое для операционного усилителя А величины входного напряжения;
VD - стабилитрон с напряжением стабилизации UCT = UН, является опорным напряжением; R2 - добавочное сопротивление стабилитрона;
А - микросхема типа ОУ, на входе которой осуществляется сравнение напряжения нагрузки с напряжением стабилитрона так, на на вход ОУ поступает для усиления напряжение, определяемое по формуле
U = UH - UCT
и эта разность со знаком «+» увеличилась;
U = КОУ (U)
полученная на входе разность напряжений усиливается микросхемой в КОУ раз. Так как разность UH - UCT возросла, То на входе получим +U. Но эта разность приложена к инвертирующему входу усилителя, потому на его входе напряжение возрастет, но со знаком «-»
U = -КОУ (+U);
IБ - ток базы регулирующего транзистора, под действием уменьшения напряжения на базе, уменьшается. Это вызывает призакрытие транзистора VT, а напряжение на нем увеличивает; IЭ - ток эмиттера при закрытии уменьшается. По схеме видно, что это ток нагрузки, следовательно, по закону Ома преобразователь электрический выпрямитель трансформатор
UH = IHRH
уменьшается. С другой стороы, используя закон Кирхгофа для внешнего контура, можно решить его относительно напряжения нагрузки
.
Из этого уравнения так же очевидно, что с ростом напряжения и ростом напряжения на регулирующем элементе напряжение может остаться прежним. Подставив это напряжение в уравнение состояния нашего стабилизатора, получим уравнение
,
из которого можно увидеть то, что неравенство не нарушено.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рассмотрение двухзвенных преобразователей с импульсным регулированием выходного напряжения или тока как основных преобразователей для высококачественных электроприводов. Виды тока коллекторного двигателя постоянного тока, который получает питание от ИП.
презентация [366,0 K], добавлен 21.04.2019Электронные устройства для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Классификация выпрямителей, их основные параметры. Работа однофазной мостовой схемы выпрямления. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя.
реферат [360,2 K], добавлен 19.11.2011Особенности управления электродвигателями переменного тока. Описание преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономного инвертора напряжения. Динамические характеристики САУ переменного тока, анализ устойчивости.
курсовая работа [619,4 K], добавлен 14.12.2010Расчет линейных электрических цепей постоянного тока, определение токов во всех ветвях методов контурных токов, наложения, свертывания. Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Анализ электрического состояния линейных цепей переменного тока.
курсовая работа [351,4 K], добавлен 10.05.2013Питание двигателя при регулировании скорости изменением величины напряжения от отдельного регулируемого источника постоянного тока. Применение тиристорных преобразователей в электроприводах постоянного тока. Структурная схема тиристорного преобразователя.
курсовая работа [509,4 K], добавлен 01.02.2015Электрические цепи постоянного тока. Электромагнетизм. Однофазные и трехфазные цепи переменного тока. Электрические машины постоянного и переменного тока. Методические рекомендации по выполнению контрольных работ "Расчет линейных цепей постоянного тока".
методичка [658,2 K], добавлен 06.03.2015Разработка схемы усилителя постоянного тока и расчет источников питания: стабилизатора напряжения и выпрямителя. Определение фильтра низких частот. Вычисление температурной погрешности и неточностей измерения от нестабильности питающего напряжения.
курсовая работа [166,3 K], добавлен 28.03.2012Основные источники и схемы постоянного оперативного тока. Принципиальная схема распределительной сети постоянного тока. Контроль изоляции сети постоянного тока. Источники и схемы переменного оперативного тока. Схемы и обмотки токового блока питания.
научная работа [328,8 K], добавлен 20.11.2015История высоковольтных линий электропередач. Принцип работы трансформатора - устройства для изменения величины напряжения. Основные методы преобразования больших мощностей из постоянного тока в переменный. Объединения элетрической сети переменного тока.
отчет по практике [34,0 K], добавлен 19.11.2015Изучение механических характеристик электродвигателей постоянного тока с параллельным, независимым и последовательным возбуждением. Тормозные режимы. Электродвигатель переменного тока с фазным ротором. Изучение схем пуска двигателей, функции времени.
лабораторная работа [1,3 M], добавлен 23.10.2009Исследование неразветвленной и разветвленной электрических цепей постоянного тока. Расчет нелинейных цепей постоянного тока. Исследование работы линии электропередачи постоянного тока. Цепь переменного тока с последовательным соединением сопротивлений.
методичка [874,1 K], добавлен 22.12.2009Анализ состояния цепей постоянного тока. Расчет параметров линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока графическим методом. Разработка схемы и расчет ряда показателей однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока.
курсовая работа [408,6 K], добавлен 13.02.2015Исследование основных особенностей электромагнитных процессов в цепях переменного тока. Характеристика электрических однофазных цепей синусоидального тока. Расчет сложной электрической цепи постоянного тока. Составление полной системы уравнений Кирхгофа.
реферат [122,8 K], добавлен 27.07.2013Применение методов наложения, узловых и контурных уравнений для расчета линейных электрических цепей постоянного тока. Построение потенциальной диаграммы. Определение реактивных сопротивлений и составление баланса мощностей для цепей переменного тока.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 29.07.2013Анализ электрического состояния линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока. Расчет однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих конденсатор и сопротивление.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 14.05.2010Линейные цепи постоянного тока, вычисление в них тока и падения напряжения, сопротивления. Понятие и закономерности распространения тока в цепях переменного тока. Расчет цепей символическим методом, реактивные элементы электрической цепи и их анализ.
методичка [403,7 K], добавлен 24.10.2012Классификация и основные принципы действия магнитных усилителей. Двухтактные магнитные усилители. Управление величиной переменного тока посредством слабого постоянного тока. Схемы автоматического регулирования электродвигателей переменного тока.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 01.06.2012Расчет параметров цепи постоянного тока методом уравнений Кирхгофа, и узловых напряжений. Расчет баланса мощностей. Построение потенциальной диаграммы. Сравнение результатов вычислений. Расчет параметров цепи переменного тока методом комплексных амплитуд.
курсовая работа [682,1 K], добавлен 14.04.2015Техническое описание системы питания потребителей от тяговых подстанций систем электроснабжения постоянного тока 3,3 кВ и переменного тока 25 кВ их преимущества и недостатки. Схемы электроснабжения устройств автоблокировки и электрических железных дорог.
контрольная работа [1,0 M], добавлен 13.10.2010Решение линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока, однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока. Схема замещения электрической цепи, определение реактивных сопротивлений элементов цепи. Нахождение фазных токов.
курсовая работа [685,5 K], добавлен 28.09.2014
