Источники вторичного питания. Выпрямители

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВО «КНИТУ»)

Кафедра «электротехники и промышленной электроники» (ЭиПЭ)

РЕФЕРАТ

на тему: Источники вторичного питания. Выпрямители

Работу выполнил: студент 2 курса

очного отделения группы 4181-42 Чакерьян К. А.

Проверил: преподаватель кафедры

ЭиПЭ Старостина Т. Ю.

Казань 2020



Содержание

1. Введение

1.1 Источники вторичного электропитания(ИВЭП)

1.2 Схемы ИВЭП

2. Выпрямители

2.1 Область применения

2.2 Принцип работы и устройство

2.3 Основные характеристики

2.4 Типы выпрямителей

2.5 Однофазные выпрямители

2.6 Трёхфазные выпрямители



1. Введение

1.1 Источники вторичного электропитания(ИВЭП)

Источник вторичного электропитания -- устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств. Наиболее часто используются для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств.

Предполагается, что вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество -- от генераторов, аккумуляторов и т. д. Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя.

Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники. Например, часто надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вторичный источник питания (например, встроенные в материнские платы ИВЭП, для питания центрального процессора и других интегральных микросхем).

Общепринято вторичные источники называть источниками питания.

1.2 Схемы ИВЭП

Рассмотрим типичные структурные схемы источников питания, получающих энергию от промышленной сети с частотой 50 Гц.

Сначала рассмотрим схему без преобразователя частоты.



выпрямитель источник питание энергия

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Обычно трансформатор является понижающим.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне от +15% до ?20 % от номинального значения.

Теперь рассмотрим схему с преобразователем частоты.

Рассмотренный источник питания является источником питания без преобразования частоты. Такие источники питания ранее использовались широко, однако в последнее время вместо них все чаще используют источники с преобразованием частоты. Причиной этого является то, что в источниках без преобразования частоты вес и габариты трансформатора, работающего на частоте 50 Гц, а также сглаживающего фильтра оказываются довольно большими. Тем не менее, рассматриваемые источники питания используются и в настоящее время.

В этих источниках напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель -- 1. На выходе сглаживающего фильтра-1 создается постоянное напряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью так называемого инвертора. Полученное переменное напряжение имеет частоту, значительно превышающую 50 Гц (обычно используют частоты в десятки килогерц). Затем напряжение передается через трансформатор, выпрямляется и фильтруется. Так как трансформатор в этой схеме работает на повышенной частоте, то его вес и габариты, а также вес и габариты сглаживающего фильтра-2 оказываются очень незначительными. Как и в предыдущей схеме, основная роль трансформатора состоит в гальванической развязке сети и нагрузки. Инвертор, трансформатор и выпрямитель-2 образуют конвертор -- устройство для изменения уровня постоянного напряжения.



2. Выпрямители

Выпрямитель -- преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае -- в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Противоположностью выпрямителя является инвертор, преобразовывающий постоянный ток в переменный ток.

Справка:

Пульсирующий ток -- это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля. В настоящее время (после 2003 года) такой ток носит название однонаправленный пульсирующий ток. Однонаправленный ток - это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Конец справки.

2.1 Область применения

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток, т. е. практически во всех сферах деятельности.

Например выпрямительные установки железнодорожных тягачей, городского электротранспорта, электролиза, возбуждение генераторов электростанций и т. д.

Иное примеры - выпрямители в блоках питания радио- и электроаппаратуры; выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков; в сварочных аппаратах постоянного тока.

Фактически, большинство, если не все, агрегаты и станки на заводах и фабриках работают на двигателях постоянного тока, это выгоднее, чем использовать приходящий о сети переменный ток.

Более экзотическим применением выпрямителя можно назвать ректенны (более эффективные элементы гелио электростанций), также использующихся в перспективных технологиях беспроводной передачи энергии. Также выпрямители есть в детекторах высокочастотных сигналов (даже в баллистике).

2.2 Принцип работы и устройство

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна - красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения - к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна - синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 -- Силовой трансформатор.

2 -- Диодный мост, состоящий из диодов.

3 -- Устройство фильтрования.

4 -- Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Рис. 2

Тоже самое, только схемой электрической цепи:



Рассмотрим устройство и назначение каждой части поподробнее

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 -- а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 -- б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 -- в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы.

2.3 Основные характеристики

1 - Коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (Коэффициент применения трансформатора по мощности);

2 - КПД: ;

3 - средние значения выпрямленного (выходного) напряжения U_ср и тока I_ср;

4 - частота пульсаций fп выходного напряжения (тока);

5 - коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению,

6 - внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока.

2.4 Типы выпрямителей

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

1) По мощности на выходе:

· Повышенной мощности - свыше 100 киловатт.

· Средней мощности - менее 100 кВт.

· Малой мощности - до 0,6 киловатт.

2) По фазности сети питания:

· 1-фазные.

· 3-фазные.

3) По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения за один период:

· Однотактные (имеют один полупериод).

· Двухтактные (два полупериода).

4) По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

· Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.

· Неуправляемые. Используются диоды.

5) Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:

· Активно-емкостная.

· Активно-индуктивная.

· Активная.

2.5 Однофазный выпрямитель

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Рисунок 1 Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема - диод открыт, б) схема - диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение U₂ изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а).

При обратной полярности напряжения U₂ диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение U_обр (рис. 1, б).

Таким образом на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения U_н = 0,45U₂. Максимальное значение обратного напряжения на диоде U_обр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую - нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 - отрицательным полюсом.

Рисунок 2 Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема - выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций - 0,67.

Использование мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

2.6 Трёхфазные выпрямители электрического тока (Схема Ларионова)

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока - меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.



На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».



Список использованных ресурсов

1. https://pue8.ru/silovaya-elektronika/889-vtorichnye-istochniki-pitaniya.html

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8B%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C#%D0%A5%D0%B0%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8

4. https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/vypriamiteli/

5. https://meanders.ru/vypryamitely.shtml

6. http://electricalschool.info/main/electroshemy/1182-naibolee-rasprostranennye-skhemy.html

7. http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/652-parametry-i-skhemy-vyprjamitelejj.html

Размещено на Allbest.ru

...