книги / Проектирование источников электропитания устройств связи
..pdfпод большим обратным напряжением, может быть пробит. При несовпадении обратных ветвей вольтамперных характеристик для равномерного распределения напряжения в маломощных выпря мителях последовательно соединенные вентили шунтируются со противлениями Rm (рис. 3.46), величина которых в несколько раз меньше обратного сопротивления вентиля. В мощных выпря мителях вместо делителей на сопротивлениях применяются венти ли с управляемым лавинообразованием.
3.3. СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
На |рис. 3.5 'и 3.6 приведены наиболее [распространенные схе мы выпрямления. Схема ip.nc. 3.5а применяется в основном при работе на на грузку с емкостной .реакцией и в редких случаях при активной нагрузке. Схема применяется с кенотронными вентилями на мощности до 2-f-3 вт. Преимущест
в е - 3.5. Схемы выпрямления:
а) °Дноп|0^у|пер1иодная; б) двухпол упериодна я; в) мосто вая; г) уДдоения напряжения
вам схемы являются: 'Простота; .минимальное пиело элементов; невысокая стои мость; возможность работы без трансформатора.
К недостаткам схемы следует отнести: низкую (частоту пульсации; высокое обратное напряжение на .вентиле; плохое использование трансформатора; .подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.
Схема .рис. 3.56 применяется в основном при нагрузке с емкостной или ин дуктивной реакцией. .При активной .нагрузке схема применяется редко.
Рис. 3.6. Схемы выпрямления:
а) трехфазная; б) мостовая трехфазная
Чаще всего эту схему 'применяют при нагрузке с емкостной (реакцией с
кенотронными вентилями. Схема применяется на выходные мощности менее
1 кет.
Основные преимущества схемы следующие: .повышенная частота (пульсации; минимальное число вентилей; возможность использования вентилей с общим
катодом или |
общим анодом ((для ярлупр:ово(дн1ик.овых — -возможность примене |
||
ния общего |
радиатора без изоляции |
вентилей); |
простой оглаживающий фильтр. |
Недостатками схемы являются |
усложненная |
конструкция трансформатора, |
|
худшее использование трансформатора по сравнению с мостовой схемой и схе мой удвоения напряжения, высокое обратное напряжение.
Однофазная схема рис. 3.5в из всех дву.хпол.упериодных схем выпрямления обладает .паилучшими технико-экономическими -показателями. Применяется в ос новном при нагрузке с емкостной или индуктивной реакцией, реже используется при работе на активную нагрузку. В этой -схеме .в основном применяются полу проводниковые вентили. Схема, так ж е как и двухфазная, применяется на вы ходные мощности менее 1 кет. (Преимущества схемы: повышенная частота пуль сации; низкая величина обратного напряжения; хорошее (использование транс форматора; возможность работы без трансформатора. К недостаткам схемы следует отнести: необходимость в четырех вентилях; повышенное падение на пряжения в вентильном комплекте; невозможность установки однотипных полу проводниковых вентилей .на одном радиаторе без изолирующих прокладок.
Схема Лату.ра рис. 3.5г применяется в высоковольтных выпрямителях. В схе ме могут использоваться как полупроводниковые, так и кенотронные вентили. Схема обладает следующими преимуществами: повышенной частотой пульса ции; низким обратным напряжением по сравнению с двухфазной схемой; хо рошим использованием трансформатора; возможностью работы без трансформа тора. Недостатки схемы заключаются в следующем: в невозможности уста новки однотипных полупроводниковых вентилей на одном радиаторе без изо ляции; возможности появления пульсации с частотой сети.
Схема рис. 3.6а обеспечивает симметричную нагрузку на трехфазную сеть. При небольших мощностях .применяется при нагрузке с емкостной реакцией. ГХрн средних мощностях схема .используется «а нагрузку с индуктивной реак цией. Применяется в основном в выпрямителях средней мощности. По сравне нию с двухпол-упериодными схемами выпрямления имеет .меньшую величину и большую частоту пульсации. Из-за малого падения напряжения на вентилях часто применяется -при очень низких выпрямленных напряжениях. К недостат кам схемы относятся: большая величина обратного напряжения; плохое исполь зование трансформатора; подмагничивание сердечника трансформатора постоян ным током.
Схема рис. 3.66 ((схема Ларионова) по сравнению с трехфазной имеет сле дующие преимущества: обратное напряжение на вентиле в два раза меньше; лучшее использование трансформатора; отсутствие подмашинивання сердеч ника; меньшая величина пульсации; большая частота пульсации. Недостатком мостовой схемы по сравнению с трехфазной являются: большее количество вен
тилей и повышенное падение напряжения |
в вентильном комплекте. При средних |
и больших мощностях схема используется |
при работе иа иапруэку с «индуктив |
ной реакцией. При малых мощностях эта схема иногда |
работает |
на нагрузку |
с емкостной реакцией. Схема применяется также и для |
питания |
чисто актив |
ной -нагрузки. |
|
|
3.4. РАБОТА И РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ, |
|
|
РАБОТАЮЩЕГО НА АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ |
||
Режим работы выпрямителя в сильной степени за висит от характера его нагрузки, так как цепи переменного и по стоянного токов электрически связаны.
Случай чисто активной нагрузки выпрямителя относительно редок и характерен лишь при питании цепей, «е требующих огра ничения переменной составляющей в кривой выпрямленного на пряжения (цепи сигнализации, контроля, защиты и т. д.).
Схема многофазного выпрямителя, нагруженного на активное сопротивление, изображена на рис. 3.7. Такой выпрямитель со стоит из трансформатора, имею щего т-фазную вторичную об мотку (на схеме показан частный случай трехфазяой обмотки), соединенную $ звезду, а свобод ные зажимы ее подключены к анодам вентилей. Катоды всех вентилей соединены в общую точ ку, образующую положительный полюс «а выходе .выпрямителя.
Отрицательным полюсом являет ся нулевая точка вторичных об моток трансформатора.
Для упрощения будем считать вентили и трансформатор иде альными, т. е. сопротивление вен тиля в прямом направлении равно
нулю, а в обратном —бесконечно велико и трансформатор не име ет ни активных, ни реактивных сопротивлений. При включении первичных обмоток в сеть переменного тока в фазах вторичных об
моток -индуктируются эдс иа, ив, ис, сдвинутые по фазе |
на |
|
2я/ш |
|||||||||
(в трехфазной схеме на 2я/3), что изображено на рис. 3.8а. |
|
|
|
|||||||||
Напряжение на выходе выпрямителя ив в любой момент равно |
||||||||||||
мгновенному значению эдс фазы вторичной обмотки, |
в |
|
которой |
|||||||||
вентиль открыт и, |
следовательно, |
выпрямленное |
напряжение |
иф |
||||||||
|
|
|
представится ог.ибающей |
|||||||||
|
|
|
кривых |
эдс |
|
вторичных |
||||||
|
|
|
обмоток (-рис. 3.86). Так |
|||||||||
|
|
|
как ток и нагрузке |
|
равен |
|||||||
|
|
|
отношению .выя-рямленио- |
|||||||||
|
|
|
го на,пряжения |
|
к |
сопро |
||||||
|
|
|
тивлению нагрузки, |
т. е. |
||||||||
|
|
|
io = Ue/Rn, то |
.в |
ином |
|
мас |
|||||
|
|
|
штабе |
кривая |
|
ив |
|
пред |
||||
|
|
|
ставляет |
собой |
'Кривую |
|||||||
|
|
|
тока t0. |
|
|
|
|
в иде |
||||
|
|
|
|
Таким образом, |
||||||||
|
|
|
альном |
выпрямителе, |
на |
|||||||
|
|
|
груженном |
на |
|
активное |
||||||
|
|
|
сопротивление, |
|
ка ждая |
|||||||
|
|
|
фаза |
вторичной |
обмотки |
|||||||
|
|
|
трансформатора |
работает |
||||||||
|
|
|
один 'ра-з за период в те |
|||||||||
|
|
|
чение |
|
части |
|
периода |
|||||
|
|
|
2я[т, причем ток в рабо |
|||||||||
Рис. 3.8. Диаграммы напряжений и |
тюков |
тающей |
фазе |
равен |
току |
|||||||
в трехфазной схеме |
выпрямления: |
|
нагрузки. Поэтому |
|
ток в |
|||||||
а) напряжения фаз; |
б) выпрямленного то |
фазе |
а |
вторичной |
обмот |
|||||||
ка и напряжения; в) токов в фазе и вен |
||||||||||||
тиле |
|
|
ки |
(рис. 3.8в) |
имеет |
фор |
||||||
нованием 2п/т, ограниченного сверху |
му |
прямоугольника |
с ос |
|||||||||
отрезком |
синусоиды. |
Токи |
||||||||||
в фазах b и с изобразятся подобными кривыми, -сдвинутыми по фазе относительно кривой тока фазы а на 2п/т и 2(2л/т) соот
ветственно.
При расчете выпрямителя, работающего на активную нагруз ку, исходными величинами являются: номинальное напряжение UB(e)\ ток 1о(а) на выходе выпрямителя; коэффициент пульсации /Сп(%); напряжение сети И\(в) и частота тока питающей сети ?(гц). Зная номинальное напряжение на выходе выпрямителя UUt можно определить действующее значение напряжения фазы U2:
U2=UB---------5-------- , |
(3.1) |
я
т V 2 sin —
т
где т — число импульсов в цепи выпрямленного тока за 1 период переменного напряжения. Выражение (3.1) справедливо при т ^ 2 .
Каждая фаза вторичной обмотки трансформатора и каждый вентиль в однотактных схемах работает один раз за период в те-
чениеiчасти периода 2я1т. Следовательно, среднее значение ток» в обметке трансформатора « через вентиль в т раз меньше тока нагрузки, т. е.
. |
V -= V m- |
(3.2) |
Действующие значения токов во вторичной обмотке /2 и вен тиля /в для однотактных схем определяются из выражения
= /в = /“ак« / ~2пГ I n 'Sin~И Г ’ |
^ |
где /макс — амплитуда тока вторичной обмотки, равная
/макс — |
^макс |
|
~ 1о |
л |
Ян |
RHт sin — |
л |
||
|
|
т sin — |
||
|
|
т |
|
т |
В двухтактных (мостовых) схемах действующее значение тока вентиля /в определяется из выражения (3J3), а действующее зна
чение тока во вторичной обмотке I2 = h V 2. Коэффициент формы кривой тока вторичной обмотки
т
Линейное напряжение первичной обмотки U\л отличается от
линейного напряжения |
вторичной |
обмотки трансформатора |
и 2л, |
в число раз равное коэффициенту |
трансформации п, т. е, |
= |
|
т^и2пп. Отсюда легко |
определить |
соотношение между фазными- |
|
значениями напряжений вторичной и первичной обмоток для раз личных схем соединения последних. Соотношения между токами в фазах первичных и вторичных обмоток зависят не только от коэф фициента трансформации и схемы соединения первичных обмоток, но и от числа фаз первичных тпх и вторичных т2 обмоток.
При одинаковом числе фаз первичных и вторичных обмоток (/п1= /п2) и одинаковых схемах соединения обмоток (звездазвезда) действующее значение тока фазы первичной обмотки мень ше приведенного значения тока вторичной обмотки, так как в кри вой тока первичной обмотки отсутствует постоянная составляю
щая, |
т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 / |
я2 |
. л |
/ |
л |
. л \ |
/ |
___1 i/7 ^ — р = |
I/ — |
+ sm — |
л cos — |
— 2 sin — |
||
А> |
m |
m \ |
m |
m ' |
|||
1 |
n V 5 cp |
n m |
|
— |
|
л |
|
|
|
|
|
Y 2 sin |
m |
|
|
Если число фаз вторичных обмоток больше числа фаз первич ных обмоток (fn2>ni\) в два, три и т. д. раза, то в каждой фазе
первичной обмотки будет /Лг/т^мпульсов тока за период .р дей
ствующее значение I\ = (1/п) 1 / — /2. mi
Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку на стороне постоянного тока, равна произведению выпрямленного на пряжения на ток (средние значения), т. е. Po~U0Io.
Мощность, на которую должны быть рассчитаны трансформа тор и вентили, определяется не только постоянной, но и перемен ной составляющей тока и напряжения. Эта мощность, называемая габаритной, больше полезной и определяется действующими зна чениями напряжения и тока, т. е.
P2= m 2t/2/ 2; Pi — |
Ui Ii, Prp |
Рй)/2, |
|
где Л>, Р\ и РТр— габаритные |
мощности |
соответственно |
вторич |
ной, первичной обмоток и трансформатора в вольт-амперах. |
|
||
В однотактных схемах выпрямления габаритная мощность цепи |
|||
вторичных обмоток больше, чем в цепи первичных (Р2> Р |), |
вслед |
||
ствие постоянной составляющей в кривой тока вторичной обмотки (при m2=nii) и худшего использования вторичных обмоток (при
т2> т 1).
Вентили выбираются по среднему току /Ср и величине обрат ного напряжения U0бр. Ток /ср определяется из выражения (3.2),
Схема
выпрямления
Однополупериодная
Двухполулериодная
Однофаз ная мостовая
Трехфазная
Трехфазная
мостовая
ТАБЛИЦА 3.1
Соотношения основных параметров схем рис. 3.5, 3.6
действующегозначе напряженияния фазы вторичнойобмотки |
амплитудыобратного напряжения |
среднегозначения черезтокавентиль |
Относительное значение |
вторичной обмотки |
первичной обмотки |
трансфор матора |
|||
амплитудытока через вентиль -1---------------------------- |
действующегозначе токаниячерез вен тиль |
действующегозначе токаниявторичной обмотки |
действующегозначе приведенногония то первичнойка обмот ки |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Расчетная (габаритная) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
мощность тр-ра |
|
и г |
Цобр |
^ср |
^макс |
/а |
h |
i L n |
р г |
P i |
Рхр |
и в |
и в |
/о |
/о |
|
/о |
|
|
|
|
/о |
/о |
Ро |
Ро |
~ К |
|||||
2 ,2 2 0 |
3,14 |
1 |
3,14 |
1,570 |
1,570 |
1,21 |
3,49 |
2,69 |
3,09 |
1.110 |
3,14 |
1/2 |
1,57 |
0,785 |
0,786 |
M l |
1,74 |
1,23 |
1,48 |
1,110 |
1,57 |
1/2 |
1,57 |
0,785 |
1,110 |
1,11 |
1,23 |
1,23 |
1,23 |
0,855 |
2,10 |
1/3 |
1,21 |
0,580 |
0,580 |
0,47 |
1,48 |
1,22 |
1,360 |
0,430 |
1,05 |
1/3 |
1,05 |
0,580 |
0,820 |
0,82 |
1,05 |
1,05 |
1,05 |
а величины U0бр для схем рис. 3.5 .и 3.6 определяются из табл. 3.1. Кривая выпрямленного напряжения, помимо постоянной состав ляющей, содержит переменную составляющую. Величина ее харак
теризуется коэффициентом пульсации Кп-
Кп* = 4 ^ 1 0 0 = ^ ? ^ , 96.
где k —‘.номер гармонической составляющей выпрямленного напря жения; \U„k — амплитуда &-й гармонической составляющей вып рямленного напряжения.
На практике переменная составляющая оценивается коэффи циентом пульсации по первой гармонике, имеющей наибольшую амплитуду и наименьшую частоту, равную tnfc /Сп=200/(т2—1),%.
В реальном выпрямителе как вентили, так и обмотки транс форматора обладают сопротивлениями, и, следовательно, при на грузке выпрямителя возникает падение напряжения в этих сопро тивлениях, такое, что напряжение на нагрузке будет меньше, чем
при холостом ходе. |
выходе выпрямителя при нагрузке £/в = |
|
Напряжение на |
||
= Unxx— |
гДе ^вхх — выпрямленное напряжение при холостом |
|
ходе; ДU — падение |
напряжения в сопротивлениях .вентиля и |
|
трансформатора, которое может быть определено так же, как и при индуктивном характере нагрузки.
3.5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА ЕМКОСТЬ
Работу многофазного выпрямителя на нагрузку, шунтированную емкостью, рассмотрим на примере схемы рис. 3.9* При рассмотрении работы выпрямителя принимаем: 1— выпрям*
ленное напряжение, равное нап ряжению на зажимах конденсато ра (t/B= f/c), неизменно во време ни (рис. З.Ю). Это упрощение поз-
Р'ис. 3.10. Диаграммы напряжений и токов при работе трехфазной схемы .на емкость
воляет исключить емкость из всех расчетных соотношений; 2 — со противление вентиля в прямом направлении неизменно, а ! сопро тивление вентиля в обратном направлении равно бесконечности; 3 — активное сопротивление обмоток трансформатора и ' индук тивность рассеяния обмоток не равны нулю; 4 — напряжение пи тающей сети имеет неискаженную синусоидальную форму и все элементы схемы выпрямителя строго симметричны.
Ток в фазе, а следовательно, и через вентиль начинает про текать в момент равенства напряжения фазы иг и напряжения на емкости ыс= нв. Если пренебречь индуктивностью рассеяния об моток трансформатора Ls, то ток через вентиль протекает в часть
периода ^ — 0^ш £<-^- +0, когда напряжение фазы иг превышает
напряжение на |
емкости, т. е. |
«2> и в. Угол 0 называется |
углом |
|
отсечки. |
индуктивности |
рассеяния обмоток |
в |
момент |
При наличии |
||||
v>t=n/2+0 ток i-г не уменьшается до нуля, так как при его умень шении возникает эдс самоиндукции, направленная согласно с эдс вторичной обмотки иг, в результате чего длительность работы фазы
увеличивается и составляет 20+$. Индуктивность |
рассеяния |
|
LB влияет также на форму импульса тока и уменьшает его ам |
||
плитуду. |
тока через вентиль tB определяется уравне |
|
Закон изменения |
||
нием |
|
|
Ls |
+ 1в г = ^ макс sin V + т)0)1 ~ 1и *> |
(3-4) |
где Ls — индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, при веденная ко вторичной обмотке трансформатора; г — активное со противление фазы выпрямителя, равное сумме прямого сопротив ления вентиля гпр и активного сопротивления обмоток трансфор матора гтр, приведенных к вторичной обмотке. Из ур-ния (3.4) получим
|
г |
/ |
т — ( © / -----——f~ в) ctg1ф |
|
(3.5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Проинтегрировав |
выражение |
i(3.5) в интервале |
от — —0 |
до |
||
— + 0 + $ и разделив |
полученный результат на |
-^-.получим |
вы- |
|||
2 |
|
|
|
т |
|
|
ражение для постоянной составляющей тока нагрузки /о-' |
|
|||||
L |
tnUB |
[cos (р— ф) —sin ( 0 + ф)] + (Р — 2. + 0) + |
|
|||
2 л г COS В |
|
|||||
|
|
V |
2 |
/ |
|
|
|
|
— |
~ + ejctg Ф |
Ч^Ь-А.. (3.6) |
+ o , s'n (’’~ |
f |
+ e ) + 1 . |
|
|
|
nr L |
|||
|
|
<p=arctg |
2 n f Ls |
(3.7) |
|
|
|
||
В выражении |
(3.6) m — число |
импульсов в цепи выпрямлен |
||
ного тока за 1 период переменного напряжения. |
|
|||
Из выражения |
(3.6) определим параметр A L: |
|
||
|
|
L mUB |
(3.8) |
|
|
|
|
||
AL— расчетный параметр, зависящий от угла отсечки 0 и угла ср: |
||||
Ль=/(е.<р). |
|
|
|
т — определяется |
Величины UB, /о задаются в начале расчета; |
||||
выбором схемы |
выпрямления. Величины Ls и г, |
а следовательно, |
||
и ф предварительно (ориентировочно) определяются в зависимо сти от UB, /0, т я типа вентилей.
Так как все величины, характеризующие работу выпрямителя (действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки Оъ h, действующее значение тока первичной обмотки /ь 'габарит ная мощность трансформатора РТр, среднее, действующее и ам плитудное значения тока в вентиле /ср, /в> /макс, обратное напря жение на нем f/обр, пульсация выпрямленного напряжения Кп и внешняя характеристика выпрямителя), зависят от угла отсечки 0 и угла ф, то они также зависят от расчетного параметра ALf явля ющегося функцией угла отсечки 0 и угла ф.
При расчете выпрямителя, работающего на емкость, все ука занные выше величины определяются графоаналитическим спо собом.
Рис. ЗЛ;1. ЗавмаИ^ость пара |
Рис. 3.12. |
Зависимость па |
метра BL от inaipaiMerpa Лх |
раметра DL от параметра |
|
и угла ф |
AL и ум а |
ф |
Рассчитываемые величины (u ^ |
h, / 1, Ртр, /ср, /в, /макс, £ДбР, Ки) |
|||
связаны |
с исходными |
(UB> /<ъ т) |
через коэффициенты (BL, DL, |
|
Fl , Н ), которые, в свою |
очередь, |
|
||
являются функциями |
угла отсеч |
|
||
ки 0 и |
угла ср, а следовательно, |
|
||
и параметра A L. На рис. |
(3.11) — |
|
||
(3.17) |
приведены |
зависимости |
|
|
различных коэффициентов от па |
|
|||
раметра А г при различных значе ниях угла ф.
j
15
|\\\ L / ■за"
В(ГОД?
V®
NS
NV
С
J — — — — — —
О0.1 0.2 0.3 0/t 0.5 AL
Рис. 3 .13. 3 amiciiMOCTb параметра FL от па раметра A L и угла ф
•Pine. |
3jl4. Зависимость пар*а- |
|||
метра |
Н |
от |
/параметра A L и |
|
угла |
Ф |
для |
т=А и- частоты; |
|
сети |
50 :н |
400 |
гц |
|
Рис. |
3.15. Зависимость |
параметра |
Раис. 3.16. Зависимость парамет |
|||||
pa |
Н от параметра AL и угла |
ц |
||||||
Н от параметра |
Аь и |
угла |
ср для |
|||||
для |
т = 3 /и частоты сети 50 |
и |
||||||
т = 2 |
и частоты |
сети |
50 и |
400 гц |
||||
400 |
гц |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||