Источники электропитания электронных средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Понятие «выпрямителя». Структурная схема выпрямителя. Основные определения

2. Однофазная мостовая схема

3. Электроснабжение предприятия связи

Список использованных источников

1. Понятие «выпрямителя». Структурная схема выпрямителя. Основные определения

Выпрямитель - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1.1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 2.1), в которую входят:

· силовой трансформатор (СТ),

· вентильный блок (ВБ),

· фильтрующее устройство (ФУ),

· цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН).

Рисунок 1.1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

Рисунок 2.1 Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.

Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U₂ определяет значение выпрямленного напряжения U_н (или U_d).

Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U₁, I₁ с частотой f₁, и цепь нагрузки с U_н, I_н (или U_d, I_d). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.

Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.

При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.

Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.

Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:

-по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);

- по числу фаз источника (однофазные, многофазные);

- по пульсности (р) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U₁;

- по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U₂ за период питающего напряжения:

- однополупериодные;

- двухполупериодные;

- m-полупериодные.

Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) - управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) - неуправляемые выпрямители.

Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:

- на активную нагрузку;

- на активно-индуктивную нагрузку;

- на активно-емкостную нагрузку;

Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются.

Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей.

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся:

- величины выпрямленного напряжения и мощности;

- частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;

- число диодов и величина обратного напряжения на них;

- коэффициент полезного действия (КПД.);

- коэффициент мощности и другие энергетические показатели.

При расчете выпрямителя большое значение имеет также коэффициент использования трансформатора по мощности, который определяется формуле:

где U_d, I_d - средние значения выпрямленного напряжения и тока, U₁, I₁ - действующие значения первичного напряжения и тока, U₂, I₂ - действующие значения вторичного напряжения и тока.

При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.

Неуправляемый преобразователь. При испозовании диодного моста ток протекает только в одном направлении: от анода диода к его катоду, при этом действующее значение тока, протекающего через диод, никак не регулируется. На входе выпрямителя переменное синусоидальное напряжение, на выходе постоянное напряжение с некоторой степенью пульсаций.

Выходное напряжение однофазного диодного преобразователя равно разности напряжений двух диодных групп, а средневыпрямленное значение выходного напряжения постоянного тока равно 0,9 от действующего значения напряжения сети. То есть если напряжение сети 220 В, то выпрямленное напряжение 200 в.

Управляемый преобразователь. В управляемых выпрямителях вместо диодов установлены тиристоры. Тиристор имеет схожее с диодом свойство - ток через него также протекает в одном направлении. Но в дополнении к диоду у тиристора есть третий вывод, получившим название “управляющий электрод”(УЭ). Чтобы тиристор включился, на управляющий электрод нужно подать импульс напряжения управления.

Тиристор не может быть обесточен путем подачи сигнала по цепи управления. Для его выключения необходимо соблюсти два условия: ток через тиристор снижается до нуля и кратковременно прикладывается напряжение управления.

На управляющий электрод тиристора прикладывается сигнал управления б, который характеризуется величиной времени задержки отпирания включения, приведенной к электрическим градусам. Эта величина определяет задержку включения тиристора относительно момента перехода через ноль сетевого напряжения.

Управляемый выпрямитель по своей сути не сильно отличается от неуправляемого. Отличие лишь в том, что тиристор включается и только с момента подачи на него импульса управления, за счет чего становится возможным регулирование выходного напряжения и тока

Управляемый выпрямитель (или по другому - тиристорный преобразователь) имеет несколько меньший КПД по сравнению с неуправляемым за счет потерь на переключение тиристоров, а так же вносит в сеть большие импульсные помехи и нелинейные искажения; к тому управляемый преобразователь является источником потребления реактивной мощности даже при чисто активной нагрузке.

2. Однофазная мостовая схема

В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой - нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде - по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

Рис.1. Однофазная мостовая схема выпрямления

Временные диаграммы для мостовой схемы, изображены на рисунке.

У мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит одновременно через два диода (например, VD1, VD2), потому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя

где U2 ? действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Действующее значение переменного напряжения (тока) -- значение постоянного напряжения (тока), развивающего в данном активном сопротивлении такую же мощность, как и рассматриваемое значение переменного напряжения (тока).

Рис. 2. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы выпрямления: u2 - кривая входного переменного напряжения; iV1, iV2 - кривая тока диодов VD1 и VD2; uV1, uV2 - напряжение на диодах VD1 и VD2; iV3, iV4 - кривая тока диодов VD3 и VD4; uV3, uV4 - напряжение на диодах VD3 и VD4; iн - кривая тока нагрузки; uн - кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на входе выпрямителя

Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:

Максимальное значение тока, протекающего через диод

Действующее значение тока диода

Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

электропитание электронный выпрямитель

Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

Напряжение на нагрузке состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. После разложения в ряд Фурье напряжение такой формы можно представить в виде

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2?

следовательно, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Коэффициент трансформации трансформатора

Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

В качестве недостатков однофазной мостовой схемы можно отметить: большее количество диодов и протекание тока в каждом полупериоде по двум диодам одновременно. Последнее свойство однофазных мостовых выпрямителей снижает их КПД из-за повышенного падения напряжения на полупроводниковых структурах вентилей. Это особенно заметно у низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами.

Несмотря на отмеченные недостатки, мостовая схема выпрямления широко применяется на практике в однофазных выпрямителях различной мощности.

3. Электроснабжение предприятия связи

Классификация приемников электроэнергии предприятий связи.

Все приемники эл. энергии предприятий связи подразделяются на 1, 2 и 3 категории.

К первой категории относятся электро-приемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь перерыв связей и вещания и нарушения передачи важной информации. В первой категории кроме того выделены особая группа потребителей предъявляющих повышенное требование к надежности подвода эл. энергии. В особую группу первой категории входят электро-приемники, нарушение эл. питания которых может вызвать нарушение важных оповещений или технологических процессов, что может создать угрозу жизни людей.

Резервирование энергии на предприятиях связи.

Предприятия эл. связи подключаются к энергосистемам через ЛЭП и собственные трансформаторные подстанции преобразующее напряжение 10 или 6 кВ. в напряжение 380В 50 Гц. Надежность внешней энергосистемы недостаточна для обеспечения требуемой надежности подачи электроэнергии. Поэтому эл. снабжение предприятий связи осуществляется от нескольких независимых друг от друга источников эл. энергии:

1. Электрические сети энергосистемы;

2. Собственная автоматизированная электростанция оборудованная дизель-генераторами (АДЭС);

3. Аккумуляторные батареи.

Все электро-приемники, относящиеся к особой группе первой категории, должны обеспечиваться от 3 независимых источников энергии.

Устройства автоматического включения резерва (АВР).

Для электроснабжения предприятий связи должны использоваться два и более источников электропитания. Устройства которые могут автоматически подключать нагрузку к любому исправному источнику, называются АВР.

Установка АВР производится со стороны низкого напряжения (рис. 5.2).

В нормальном режиме нагрузка питается от внешней сети, если напряжение в сети отсутствует, то размыкается контакт К₁ и замыкается контакт К₂. Одновременно выдаётся команда, на запуск АДЭС. Которая является резервным источником энергии. После восстановления истоника сети, К₂ размыкается, К₁ замыкается.

Устройства АВР с электро-механической коммутацией требуют регулировки и чистки контактов. Время переключения 0,6 - 0,8 секунды, надежность невысокая. В Настоящее время широко используются полупродниковые устройства АВР.

Двухлучевая безаккумуляторная.

Электропитание отдельных групп потребителей одного номинала осуществляется от 2 или большего четного числа стабилизированных выпрямителей (рис. 5.5).

Электроснабжение каждой половины выпрямителей (1-го луча) при нормальных условия электроснабжения осуществляется от своего независимого источника переменного напряжения. При этом выпрямители каждого луча загружены не более чем на 50% от номинальной мощности. При отключении одного из источников переменного напряжения, питание аппаратуры осуществляется от оставшегося луча, загрузка которого удваивается.

Достоинства:

1. Простота эксплуатации в виду отсутствия аккумуляторов;

2. Меньшая стоимость токораспределительных сетей, т.к. распределение энергии происходит по переменному току.

Недостатки:

1. Худшее качество вырабатываемой электроэнергии в переходных режимах работы электроустановки;

2. Необходимость в более надежном электроснабжении.

Данная система находит применение в условиях большого потребления энергии, при большой рассредоточенности потребителей.

Список использованных источников

1. Тарасов Ф.И. Как построить выпрямитель. -- М.: Госэнергоиздат, 1949. -- 50000 с.

2. Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. -- 2. -- М.: Горячая линия -- Телеком, 2001. -- 344 с. -- 3000 экз. -- ISBN 5-93517-052-3.

3. Воробьев А. Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем/ А.Ю. Воробьев. - Москва: Эко-Трендз, 2003. - 280с.

4. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс: учебник / Ю.Ф. Опадчий.- Москва: Горячая линия-Телеком, 2005. - 768 с.

5. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи: учеб. Пособие/В.И. Каганов. - Москва: Горячая линия-Телеком, 2007. - 542 с.

Размещено на Allbest.ru