книги / Электропитание устройств связи

следовательную цепь. Характеристики двигателя изображены на

ной обмотки возбуждения.

В двигателе последовательною возбуждения магнитный поток не остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагруз-

(!)

Рис 5.22. Двигатель последовательного возбужде­ ния:

а) схема включения; б) характеристики

ки, что значительно изменяет скорость. Так как падение напряже­ ния в сопротивлении якоря и обмотке возбуждения очень мало в

тать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуж­ дения, который равен току в якоре, т. е. Ф = С7в = С7а, где С' —

постоянная величина. Так как напряжение сети постоянно, то чис­ ло оборотов

П = С"/1а,

где постоянная C"=Uc/CC'.

Это выражение показывает, что у двигателя последовательного возбуждения число оборотов резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет мягкую скоростную характеристи­ ку, близкую к гиперболе. С уменьшением нагрузки скорость дви­ гателя увеличивается. При холостом ходе (7а— 0) скорость двига­ теля беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в «разнос».

Таким образом, характерным свойством двигателей последова­ тельного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы вхолостую или при малых нагрузках. Двигатель имеет минимально допустимую нагрузку, составляющую 25—30% номи­ нальной. При нагрузке меньше минимально допустимой скорость двигателя резко увеличивается, что может вызвать его разруше­

111

Глава шестая.

Выпрямители

6.1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО

Выпрямительным устройством, или выпрямителем, называется статический преобразователь переменного тока в постоянный. Вы­ прямители широко применяются для питания устройств проводной связи, радиосвязи, телевидения, электронных устройств автомати­ ческого управления и т. д.

Выпрямитель в общем виде обычно состоит из трех основных звеньев (рис. 6.1).

Трансформатор преобразует напряжение сети переменного то­ ка в такое, которое необходимо для получения заданного напря­

так как все выпрямители, питаемые данной сетью, оказались бы электрически связанными между собой и влияли бы один на другой.

Вентильное звено преобразует переменный ток в постоянный. Количество вентилей звена зависит от схемы выпрямления.

Сглаживающий фильтр ослабляет пульсации, т. е. уменьшает переменную составляющую выпрямленного напряжения. Сглажи­ вающий фильтр чаще всего состоит из индуктивностей и емкос­ тей, соединяемых по определенной схеме.

Помимо элементов, показанных на рис. 6.1, выпрямитель мо­ жет содержать стабилизатор напряжения (или тока), который с определенной степенью точности поддерживает напряжение (или ток) постоянным при изменениях напряжения питающей сети и со­ противления нагрузки. Выпрямитель может также содержать ре­ гуляторы напряжения, устройства контроля, коммутации, защиты и др.

113

6 2. ВЕНТИЛИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Вентилем называется прибор, обладающий высокой проводи­ мостью (малым сопротивлением) для тока одного (прямого) на­ правления и малой проводимостью (большим сопротивлением") для тока противоположного (обратного) направления. У идеаль-

-1 ного вентиля сопротивление в прямом (прово­

дящем) направлении равно нулю, а в обрат­ ном (непроводящем) направлении бесконечно

В настоящее время наиболее широко применяются полупровол никовые вентили — селеновые, германиевые и кремниевые.

Вольтамперные характеристики полупроводниковых вентилей (рис. 6.3, 6.4) снимаются в схеме однополупериодного выпрямле­ ния при чисто активной нагрузке. Такие характеристики получили название классификационных. Классификационные ВАХ отлича­ ются от статических характеристик, полученных при постоянном токе. Для сравнительно грубых расчетов можно пользоваться

классификационными характеристиками, учитывая, что прямое па­ дение напряжения t/nр, полученное по этим характеристикам, со­ ставляет 0,5—0,6 величины Unp, полученной по статической харак­

теристике при одинаковых токах.

114

С точки зрения применения полупроводниковых неуправляе­ мых вентилей в выпрямителях важны их следующие эксплуатаци­ онные параметры:

1. Номинальный рабочий ток h рдог. представляет собой сред­

нее значение выпрямленного синусоидального тока частотой 50 Гц, протекающего через вентиль при его работе в однополупериодной схеме на активную нагрузку при номинальных для данного венти­ ля условиях охлаждения и температуре электронно-дырочного пе­ рехода, не превышающей предельного значения.

селеновых вентилей указывается действующее значение допусти­ мого обратного напряжения.

3. Прямое падение напряжения на вентиле Uup. Необходимо

учитывать, что величина £/пр, определенная из классификационных характеристик, составляет 0,5—0,6 от величины С/щ,, полученной по статическим характеристикам при том же токе

4. Динамическое сопротивление вентиля гл =

тиль в обратном направлении при приложении к нему обратного напряжения.

6. Максимальная мощность, которая может быть рассеяна вентилем — Рв доп»

Селеновые вентили промышленность выпускает в виде серий — А, Г, Е, Ф и Я.

Ввентилях серии А одним электродом служит алюминиевая пластина, на которую нанесен слой селена. Другой электрод пред­ ставляет собой катодный сплав, нанесенный на селен разбрызги­ ванием. Вентили данной серии допускают работу при температуре окружающей среды до +75°.

Ввентилях серии Г основанием также служит алюминиевая пластина, а вторым электродом алюминиевая фольга, впрессован­ ная в селен.

Вентили серии Г имеют большую, по сравнению с серией А, стабильность параметров и допускают работу при температуре окружающей среды до 4-80°.

Вентили серии Е предназначены для работы при повышенных температурах до +125°С.

Вентили серии Ф выполняются на тонкой основе (фольге), а вентили серии Я допускают работу с удвоенной плотностью тока.

Селеновые выпрямители комплектуются из вентилей, включае­ мых параллельно и последовательно. Они выпускаются на номи­ нальные токи от нескольких миллиампер до сотен ампер и на об­ ратные напряжения от нескольких десятков вольт до нескольких киловольт.

В зависимости от величины тока и обратного напряжения селе­ новые выпрямители имеют различные конструкции. Выпрямители,

115

рассчитанные на большие токи, выполняются в виде столбов, соб­ ранных из отдельных вентилей с пластинчатыми радиаторами. Се-

леновые выпрямители на средние токи (до нескольких ампер) час­

то имеют закрытую конструкцию, отличающуюся повышенной ме­ ханической прочностью. Высоковольтные селеновые выпрямители

выполняют в трубчатых корпусах на токи до 50 мА.

Селеновые вентили делятся на классы, в зависимости от вели­ чины обратного напряжения. Селеновые вентили разбиты на шесть классов (В, Г, Д, Е, И, К).

Так, вентили класса В имеют обратное напряжение 20 В, Г — 25 В, Д — 30 В, Е — 35 В, И — 40 В, К — 45 В.

Как видно из рис. 6.3, обратные ветви ВАХ селеновых венти­ лей существенно отличаются от характеристик кремниевых и гер­ маниевых вентилей отсутствием резко выраженного участка про­ боя.

Селеновые вентили обладают рядом недостатков. Так, при их длительном хранении уменьшается сопротивление запорного слоя и, как следствие, резко увеличивается обратный ток. Селеновые вентили подвержены старению: в результате с течением времени увеличивается прямое падение напряжения на вентиле. Это сни­ жает выпрямленное напряжение, и КПД выпрямительного устрой­ ства, увеличивает мощность, рассеиваемую на вентиле. Старе­ ние— процесс необратимый и ускоряется с ростом температуры.

К достоинствам селеновых вентилей следует отнести: высокую эксплуатационную надежность; самовосстановление электрической прочности при пробое и высокую перегрузочную способность, ко­ торая значительно выше, чем у кремниевых и германиевых вен­ тилей.

Достоинством германиевых и кремниевых вентилей является большая допустимая плотность тока при малом падении напряже­ ния в прямом направлении. В сочетании с большими допустимыми обратными напряжениями возможно создание весьма совершен­ ных силовых диодов, пригодных для преобразования больших то­ ков, при высоких значениях напряжения преобразования.

Сравнивая германиевые и кремниевые вентили, необходимо от­ метить следующее различие в их параметрах: обратный ток крем­ ниевых вентилей на один-два порядка меньше, чем германиевых; допустимое обратное напряжение кремниевых вентилей выше, чем германиевых; интервал допустимых рабочих температур кремние­

два-три раза больше, чем германиевых; предельная рабочая час­ тота кремниевых вентилей выше.

Германиевые вентили применяются в основном в низковольт­ ных выпрямительных устройствах.

В мощных выпрямительных установках, особенно при повы­ шенной температуре, применяются кремниевые вентили. Неуправ­ ляемые кремниевые вентили выпускаются на токи до 1000 А, при допустимых обратных напряжениях до 1000 В.

116

Внастоящее время широко применяются так называемые «ла­ винные» кремниевые вентили (типов ВКДЛ — кремниевые, диф­ фузионные, лавинные и ВКДЛВ — с водяным охлаждением)^ Данные вентили способны выдерживать кратковременные обрат­ ные перенапряжения, благодаря чему не нужна защита этих вен­ тилей от пробоя.

Врегулируемых выпрямителях получили распространение так называемые кремниевые управляемые вентили — тиристоры. Ти­ ристором называется трехэлектродный прибор с четырехслойной;

полупроводниковой структурой. Рассмотрим рис. 6.5, крайние р №

п области называются соответственно анодом и катодом, внутрен­

няя р-область — управляющим электродом.

На рис. 6.6 изображена ВАХ тиристора при двухэлектродном,

А/B2t то токи коллекторов транзисторов 2 к 1 получат приращения*

равные соответственно Д/с2=а2Д/в2/(1—аг), Д/с1=(а2/(1—аг)]Х X{cti/(1—cci)]A/n2, где at и аг — коэффициенты усиления по току, транзисторов 1 к 2 в схеме с общей базой.

Коэффициент усиления по току кремниевого транзистора а всегда меньше единицы и не является постоянной величиной. При увеличении тока эмиттера а возрастает.

При любом положительном напряжении на аноде тиристора* меньшем Uamах (см. рис. 6.6), величина тока эмиттера каждого*

117

тиристора приблизительно равно сопротивлению полупроводнико­ вого диода в прямом направлении. Динамическое сопротивление тиристора в области 3 отрицательно (dufdKQ), и работа прибора неустойчива. Область 4 ВАХ соответствует запиранию тиристора

при обратном анодном напряжении.

Если приложить к управляющему электроду тиристора неболь­

стоянии насыщения за счет положительной обратной связи. В от­ личие от транзисторов, для сохранения состояния проводимости тиристоров нет необходимости постоянно подавать сигнал на его управляющий электрод. Тиристор после включения теряет управ­ ляемость. Тиристор закрывается, если его анодный ток станет меньше величины, равной / Вык-

Из характеристик рис. 6.8 видно, что при увеличений тока уп­ равления уменьшается пробивное напряжение тиристора, а при достаточно большом токе уп­ равления характеристика тири­ стора подобна характеристике

неуправляемого вентиля. Тиристоры выпускаются на

токи до нескольких сотен ам­ пер и на допустимые обратные напряжения до 1000 В. Тири­ сторы в отличие от обычных вентилей характеризуются ря­ дом дополнительных парамет­ ров. К таким параметрам отно­ сятся: время включения ^вкл и время восстановления управ­ ляемости tBOc тиристора, ток

удержания тиристора при остутствии управляющего сигнала / вкл и амплитуда тока управления /у тах-

118

В переходных режимах на величине напряжения пробоя тири­ стора значительно сказывается скорость нарастания прямого на­ пряжения dunp/dt. С увеличением dunvldt напряжение пробоя тири­ стора уменьшается, и при большой величине dunv/dt тиристор мо­

жет открыться при токе управления, равном нулю. Поэтому dUuv/dt не должна превышать определенной величины для данного

типа тиристора.

При больших токах нагрузки иногда вентили включают парал­ лельно, так как допустимые средние значения тока вентиля ока­ зываются недостаточными

При параллельном включении вентилей, из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (рис. 6.9, кри­ вые U 2).

У.Д, У.Д?

и'пр ucw U

Рис. 6.9. Параллельное включение маломощных венти­ лей:

а) схема; б) характеристика

Для выравнивания токов при параллельном включении венти­ лей в маломощных выпрямителях последовательно с ними вклю­ чают одинаковые по величине резисторы (рис. 6.9). Их включение позволяет уменьшить разность токов в параллельно включенных вентилях (рис. 6.9, кривые 3, 4). При параллельном включении

вентилей в мощных выпрямителях такой способ неприемлем из-за больших потерь в резисторах. В этом случае применяют специаль­ ные токовыравнивающие реакторы (рис. 6.10).

Токовыравнивающие реакторы, в простейшем случае, имеют две обмотки и общий магяитонровод. Под действием токов венти­ лей, протекающих по обмоткам W\, W2, в них наводятся ЭДС, при­

чем ЭДС в обмотках имеет такой знак, что ток в одном из венти­ лей уменьшается, а в другом увеличивается. В результате раз­ ность токов в вентилях, включенных параллельно, уменьшается.

При больших обратных напряжениях в схемах выпрямления вентили включают последовательно. Из-за несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные напряжения на вентилях распределяются неравномерно.

119

Для выравнивания напряжений, в маломощных выпрямителях, последовательно включенные вентили шунтируются резисторами {ряс. 6.11), величина сопротивлений которых в несколько раз

меньше обратного сопротивления вентиля.

Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнива­ ния обратных напряжений не пригоден из-за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств при­ меняют реактивные делители напряжения (рис. 6.12).

6.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ПАРАМЕТРЫ

Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от характера его нагрузки. Различают следующие режимы работы выпрямителя: на активную нагрузку, на нагрузку емкостного ха­ рактера, на противоэдс, на индуктивную нагрузку, на нагрузку, 'состоящую из L, С и R.

Идеальная активная нагрузка выпрямителя относительно ред­ ка и характерна лишь для цепей, не требующих ограничения пере­ менной составляющей выпрямленного напряжения.

Емкостная нагрузка характерна для выпрямителей малой мощ­ ности. Емкость устанавливается на выходе выпрямителя парал­ лельно нагрузке, для уменьшения переменной составляющей вы­ прямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель бу­ дет определяться емкостью, сопротивление которой для перемен­ ной составляющей много меньше сопротивления нагрузки.

Режим работы выпрямителя на противоэдс является характер­ ным при заряде аккумуляторных батарей или при питании двига­ телей постоянного тока.

Если фильтр выпрямителя начинается с достаточно большой индуктивности, то принято считать, что нагрузка выпрямителя ин­ дуктивная. На индуктивную нагрузку в основном работают выпря­ мители средней и большой мощности.

120