Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электропитание устройств связи

..pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
19.61 Mб
Скачать

ты и стоимость, чем специальные регуляторы переменного или по­ стоянного напряжения. Кроме того, в выпрямителях с управляе­ мыми вентилями может быть обеспечена высокая скорость регу­ лирования (до долей периода изменения питающего напряжения), что позволяет обеспечить стабилизацию выпрямленного напряже­ ния и осуществить быстродействующую защиту выпрямителя от перегрузок и коротких замыканий.

Недостатком регулирования напряжения выпрямителя, изме­ нением параметров вентилей, является значительное увеличение амплитуды переменной составляющей и некоторое снижение cos<p.

Управляемые вентили (тиристоры, тиратроны и др.) могут на­ ходиться в двух крайних состояниях — в открытом, когда через

них протекает ток нагрузки и падение

напряжения

на

них почти

не зависит

от тока, и в закрытом, когда тока в вентиле

нет. Регу­

лирование

напряжения управляемого

выпрямителя

основано на

изменении момента отпирания очередного вентиля.

Рассмотрим принцип действия регулируемого выпрямителя на примере схемы рис. 6.50. Схема состоит из трансформатора, имею-

j

\ л* Л

 

~3t

Рис. 6.50. Двухполуиериодное регулируемое выпрямление:

а) схема; б) зависимости «21 (atf); u22(tot);

iд»(*>0

щего вывод средней точки; двух управляемых «вентилей (тиристо­ ров); Г-образного фильтра и схемы управления тиристорами. В регулируемых выпрямителях, из-за большой пульсации выпрям­ ленного напряжения, почти всегда применяется \£С-фильтр. При

рассмотрении принципа действия схемы и

при

выводе основных

соотношений принимаем:

£ др= о о ,

гдр = 0,

гтр= 0 ,

хтр= 0 ;

сопро­

тивление вентиля в прямом направлении равно нулю.

 

Так как индуктивность

дросселя

бесконечно

 

велика,

то ток

в дросселе не может претерпевать

каких-либо изменений

и явля­

ется величиной постоянной и равной /о. Ток

в дросселе создается

поочередным действием первой и второй фазы

и

независимо от

величины угла регулирования а протекает через каждый тиристор

6—311 1бй

и каждую фазу в течение половины периода. Когда угол регу­ лирования а больше нуля, то за счет ЭДС самоиндукции дросселя

тиристор будет проводить ток не только в течение части положи­ тельного полупериода, но и в течение части отрицательного полупериода, т. е. когда напряжение фазы меняет знак.

Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя от о)/=а iot = n положительно, а от а>/= я до о)/=я + а отрицательно (рис.

6.506). Интегрируя кривую выпрямленного напряжения в интерва­

ле от а до я + а и разделив это выражение

на я, найдем среднее

значение выпрямленного напряжения

 

 

 

а+л

 

а+я

 

 

U0 = —

(

undent = ~

( Uzmsirui>td(at — - ^ - 2 cos а.

(6.21)

я

J

п

J

я

 

 

а

 

а

 

 

Из (6.21) видно, что при индуктивной нагрузке среднее зна­ чение выпрямленного напряжения UGравно -нулю при угле регу­

лирования а = 90°.

Выражение (6,21) справедливо, если не нарушается условие не­ прерывности тока в дросселе. Для обеспечения этого условия не­

 

 

обходимо,

чтобы

индуктивность

 

 

обмотки

дросселя

была больше

 

 

критической индуктивности LKP

 

 

 

L > L Kр =

(/?н/ю) tg

(6.22)

 

 

 

Как видно из (6.22), это усло­

 

 

вие трудно

выполнимо при боль­

 

 

ших сопротивлениях нагрузки и

 

 

пои холостом ходе выпрямителя.

 

 

 

При

нарушении

условия

не­

 

 

прерывности тока дросселя время

 

 

открытого

состояния

тиристора

 

 

уменьшается.

Ток

в дросселе в

 

 

этом случае

 

прерывистый, а нап­

 

 

ряжение на

 

выходе выпрямителя

 

 

в

течение

некоторого

времени

Рис. 6.51. Зависимости uzi(o)t); равно 0

(рис. 6.51).

 

 

вы­

«22(©0; M©f); 1др(©0

Для этого

режима работы

 

 

прямителя

выражение

(6.21)

не­

применимо и среднее значение выпрямленного напряжения

 

1

13

 

и

 

 

 

 

 

 

г*

£/2m sin со W со / =

 

 

 

 

 

 

U 0 —

,1

- ^ ( c o s a — cosp).

 

 

Л

 

Я

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

В режиме прерывистых токов увеличиваются действующие зна­ чения токов тиристоров и трансформатора, что нежелательно. По­ этому L дросселя выбирают такой, чтобы, по возможности, во

всем диапазоне изменения сопротивления нагрузки удовлетворялось бы условие непрерывности тока. В режиме непрерывного тока дрос­ селя форма тока фазы приближается к прямоугольной.

162

Действующие значения токов фазы и тока первичной обмотки

трансформатора /2 ~ / о / К 2 , / 1 = (^2/^ 1) / о.

Величина пульсации на выходе выпрямителя зависит от угла регулирования а, при его увеличении увеличивается пульсация.

При изменении угла регулирования

а изменяется

угол сдвига

между

первой гармоникой то­

~ ^ и22

\

ка и

напряжения, т. е. выпря­

 

 

митель потребляет от сети зна­

 

 

чительную

реактивную

мощ­

 

 

ность.

 

 

 

 

 

 

 

 

Для улучшения параметров

 

 

схемы, а именно для уменьше­

 

 

ния пульсации

и

уменьшения

 

 

реактивной

мощности, потреб­

 

 

ляемой от сети переменного

то­

 

 

ка,

на

выходе фильтра вклю­

 

 

чается

обратный

диод

(рис.

 

 

6.52).

 

 

 

 

 

 

 

 

В первый

полупериод

 

на­

 

 

пряжение

первой

фазы

и21

 

 

Рис.

6 52

Схема двухполупериод*

Рис 6 53

Зависимости

u2(\ti)t)\

ного

регулируемого

выпрямителя

Иаб(о)/),

tfli(fi)f); £д2(ф/);

*дз(0)/),

 

с

обратным

диодом

£Др(ф /) для схемы с обратным диодом

положительно (рис. 6.53) и к аноду тиристора Д { прикладывается

положительный потенциал относительно его катода. Однако тири­ стор Д\ откроется в момент времени tu когда на его управляющий электрод поступит сигнал управления. В интервале —t3 тиристор Д 1 открыт, и напряжение на входе фильтра и&б повторяет напряже­

ние фазы а2и

закрыт, так как к

Во

второй полупериод тиристор Д t будет

нему

прикладывается обратное напряжение, а

тиристор Д 2 нач­

нет свою работу в момент времени t3. Начиная с этого момента, напряжение utiв повторяет напряжение второй фазы

Так как индуктивность дросселя бесконечно велика, то токи через тиристоры имеют форму прямоугольных импульсов с ам­ плитудой, равной току нагрузки /0.

В интервалах времени, когда открыт один из тиристоров, вен­ тиль Д 3 закрыт, так как к нему прикладывается обратное напря­

163

жение. При запирании тиристора в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции и отпирается вентиль Дз. Когда тиристоры

Дь Д2 закрыты, вентиль Д 3 открыт и через него протекает ток, равный току нагрузки /о.

При изменении угла регулирования а изменяется среднее зна­ чение выпрямленного напряжения U0-

Проинтегрировав кривую выпрямленного напряжения, получим выражение для среднего значения выпрямленного напряжения

 

 

^ 0 =

(Uim/n) (1 +

cos а).

 

 

 

Как видно из этого выражения, среднее значение выпрямлен­

ного напряжения

изменяется

от

максимального,

равного

(2Uzmln),

( а = 0 ),

до 0 (а = я ) .

Изменение величины

угла регу­

лирования

также

изменяет величину

коэффициента

пульсации.

Наименьший коэффициент

пульсации

имеет

место при

а = 0 .

Действующие значения

тока фазы

1% тока

первичной

обмотки

/, и тока /дз обратного диода Дз определяется

из

выражений

/8 =

~ У я а / п ,

/, = — /0 У я + а/п, I

=

10Уа/я.

 

V2

wi

Д

 

 

Данные

выражения

справедливы, если

выполняется условие

непрерывности тока дросселя, т. е. £ др> £ Кр.

видно,

что включение

Сравнивая схемы рис. 6.50 и рис 6.52,

на входе фильтра обратного диода уменьшает коэффициент пуль­ сации и фазовый сдвиг Л? первой гармоники тока и

напряжения первичной обмотки трансформатора Регулировочная ха­ рактеристика в схеме с обратным диодом более жесткая, так как для уменьшения выпрямлен­ ного напряжения до ну­ ля в схеме с обратным диодом угол а необходи­

мо сделать равным я, а не л/2, как в схеме без об­

Рис 6 54 Схема двухпочупериодного регули­

ратного диода

 

руемого выпрямителя с вольтодобавкой

Для уменьшения ко­

 

эффициента

пульсации

выпрямленного напряжения применяют схемы с «вольтодобавкой» На рис 6 54 изображена двухполупериодная схема с вольтодобав

кой

 

(рис.

6.55) напряжения u2i и

и\ t

поло­

В первый полупериод

жительны относительно средней точки трансформатора

Напря­

жение на выходе

выпрямителя

U0 до момента времени

^

повто­

ряет напряжение

П21 В

момент

времени ti включается

тиристор

Дь диод Д2 запирается,

а напряжение щ с этого момента

повто­

164

ряет напряжение и'ц. Во второй полупериод работает диод Д 3 и тиристор Дк. При изменении угла а среднее значение выпрям* ленного напряжения Ua изменяется. В схеме с «вольтодобавкой»

Рис. 6.55. Зависимости и н ( с о ( ) ; и 2 2 ( и > ( ) ; u ' i i l & t ) ,

и 22(со/); tio(со/) для схемы с вольтодобавкой

невозможно регулировать выпрямленное напряжение до нуля. Ми­ нимальное значение напряжения t/0 в этой схеме равно: £/0m <n=

—2L^2m/не­

регулируемые выпрямители могут быть выполнены не только по двухфазной схеме со средней точкой. Широко применяются од­ нофазные мостовые схемы регулируемых выпрямителей. Для пи­ тания мощных передающих устройств используются многофазные регулируемые выпрямители.

Глава седьмая.

Сглаживающие фильтры

7.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Влюбой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напря­ жение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения.

Пульсация напряжения столь значительна, что непосредствен но питание нагрузки от выпрямителя, возможно, относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) там, где приемник энер­ гии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. При питании аппаратуры связи и радиоаппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств.

Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, т. е. для ослабления пульсации, между выпрямите­ лем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, кото­ рый обычно состоит из реактивных сопротивлений (индуктивно­ стей и емкостей).

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в об­ щем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы. При этом амплитуда первой гармоники максималь­ на и во много раз превосходит амплитуды высших гармоник.

В зависимости от назначения аппаратуры связи предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрям­ ленного напряжения.

Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сгла­ живания характеризуется величиной максимально допустимой ам­ плитуды переменной составляющей.

В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подав­ ление основной гармоники.

При оценке помех, проникающих из цепей питания в телефон­ ные каналы, необходимо учитывать не только амплитуду напря жения данной гармоники, но и се частоту. Это объясняется тем»

166

что

микротелефонные

цепи и

 

ухо человека обладают различ­

 

ной чувствительностью к коле­

 

баниям разной частоты, даже

 

если их

амплитуда

одинакова.

 

В связи с этим введено поня­

 

тие

псофометрического

коэф­

 

фициента помех ак (рис. 7.1),

 

величина которого

определена

 

экспериментально

с

учетом

 

свойств микротелефона и чело­

 

веческого уха.

 

 

 

Этот

коэффициент,

учиты­

Рис 7 I Зависимость псофометрическо! о

вающий

количественное влия­

коэффициента от частоты

ние

гармоники

с частотой

единице. Относительное влияние

800 Гц, и принимается

равным

гармоник с другими частотами характеризуется величиной псофо­ метрического коэффициента ак.

Эффективное значение псофометрического напряжения пульса­

ции С/псф на выходе выпрямителя

 

 

£/псф =

У

0,5 [(Uo lmах)2 +

(UQ2ma2f

+ ■ • •+ (U0Kmак)2],

 

где ai, ct2, .

.

ак — псофометрические

коэффициенты для

соот­

ветствующих

гармоник; U0\т,

...,

(У0кт — амплитуды

соот­

ветствующих гармоник выпрямленного напряжения.

При питании ВЧ аппаратуры связи на выходе выпрямителя важно знать эффективное значение напряжения пульсации

^эф = ] / 0,5 + Щ2т "Ь 1 • ’ + UОкт)'

При питании многоканальной ВЧ аппаратуры эксперименталь­ но было установлено, что пульсация в цепях питания должна учи­ тываться двумя нормами: одной для гармоник с частотами ниже 300 Гц и другой для гармоник с частотами выше, так как влияние этих двух групп гармоник на работу ВЧ аппаратуры существен­ но различны.

Основным параметром сглаживающих фильтров является ко­ эффициент сглаживания, которым называется отношение коэффи­ циента пульсации на входе фильтра (/СЦВх) к коэффициенту пуль­ сации на выходе фильтра (/Сивых) (на нагрузке)

Кс = Х„. j K n выч = (U01m/U0)I(U>*JUH).

где Uoim, UHlm — амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; UQ, UH — постоянные со­

ставляющие напряжений на входе и выходе фильтра.

Кроме необходимого коэффициента сглаживания фильтры дол­ жны обеспечить минимально возможное падение постоянной сос­ тавляющей выпрямленного напряжения на элементах фильтра; минимальные габариты, массу и стоимость; отсутствие заметных

]6 7

искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие перенапря­ жений и бросков тока при переходных процессах; высокую надеж­ ность.

Существуют следующие схемы сглаживающих фильтров: из одной емкости или одной индуктивности; из двух элементов (Г-об- разные), индуктивно-емкостные (LC) и активно-емкостные (RC); сложные П-образные фильтры (CLC и CRC) и многозвенные (LC, RC); резонансные фильтры; фильтры с компенсацией пере­

менной составляющей на выходе фильтра; электронные фильтры на транзисторах и электронных лампах.

7.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ ИЗ ОДНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ ИЛИ ЕМКОСТИ

Индуктивный фильтр состоит из дросселя, включенного после­

довательно с нагрузкой (рис. 7.2а). Сглаживающее действие та­

кого

фильтра основано на возникновении в дросселе

ЭДС само­

 

 

 

индукции, препятствующей

изменению вы­

 

 

 

прямленного тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

Дроссель выбирается так, чтобы индук­

 

 

 

тивное сопротивление

его

обмотки (хь=

 

 

 

=wicocL) было много больше сопротивле­

 

 

 

ния нагрузки Ян. При выполнении этого ус­

Рис.

7,2. Сглаживающие

ловия большая часть

переменной

состав­

 

фильтры:

ем­

ляющей выпрямленного напряжения падает

а) индуктивный; б)

на обмотке дросселя. На сопротивлении на­

 

костной

 

грузки выделяется

в основном

постоянная

 

 

 

составляющая выпрямленного

напряжения

U Q и

переменная

составляющая, величина которой

много

меньше

переменной составляющей напряжения,

падающей

на

обмотке

дросселя.

Пренебрегая падением напряжения на активном сопротивле­

нии обмотки

дросселя

(At/OT= 0 ) , коэффициент сглаживания

та­

кого фильтра

 

 

 

 

 

 

Кп вх

 

У

(mo)cL)2

 

/Сс=

/

\

 

(7Л)

 

Кп вых

\ и9 ) /

\ иЛ 1

 

 

где Uoim, Uni™. — амплитуды первой гармоники напряжений на входе и выходе фильтра соответственно; UQ, UH— постоянные со­ ставляющие напряжений на входе и выходе фильтра; Ru— соп­ ротивление нагрузки; L — индуктивность обмотки дросселя; сое— = 2л;/с — угловая частота (fc — частота тока сети); m — коэф­

фициент, зависящий от схемы выпрямителя и показывающий, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напря­ жения больше частоты тока сети.

При заданной схеме выпрямления (т) величина индуктивно­ сти L, необходимая для получения заданного /Спвых, может быть определена из (7.1) Lzz (R ^nm с) V К 2с— 1.

168

Емкостный фильтр необходимо рассматривать совместно с вы­

прямителем (рис. 7.26). Его действие основано на накоплении электрической энергии в электрическом поле конденсатора и его разряде при отсутствии тока через вентиль на сопротивление на­ грузки Ян-

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра определяется как отношение коэффициента пульсации при отключенной емко­ сти к коэффициенту пульсации на выходе выпрямителя при ее включении:

Кс = КпВХ _

 

(7.2)

Кп ] “ (=сг)/( - £ - ) •

 

где Кпвх — коэффициент пульсации

на выходе выпрямителя при

отсутствии емкости Кпвх=2/(/п2— 1)

(см. § 6.4); Кпвых — коэф­

фициент пульсации на выходе выпрямителя при наличии емкости

Кп ьых= Н/гфС (см. § 6.5).

Из выражений (7.1), (7.2) видно, что

с

 

увеличением

m коэф­

фициент

сглаживания

индуктив­

Ф

L

 

 

 

 

~6Т

 

ного фильтра увеличивается, а ем­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\Рниг

 

костного

уменьшается.

Поэтому

Щш

 

 

 

 

 

емкостный фильтр

выгодно

при­

 

 

 

 

\ Сд

С,' щ

Uo

 

 

 

 

 

менять при выпрямлении однофаз­

 

 

 

 

 

UHUgg.

 

а----

 

 

 

 

 

ных, а индуктивный при выпрям­

6)

 

 

 

 

 

 

 

лении многофазных

токов.

При

J L

 

 

 

 

 

увеличении Rn сглаживающее дей­

 

 

 

 

 

 

 

]Рн1ш

ствие емкостного

фильтра

увели­

 

 

с,

I

 

 

Urn

 

 

 

чивается, а индуктивного

умень­

 

 

 

шается.

Поэтому

 

емкостный

 

 

 

 

 

 

 

фильтр

выгодно

применять

при

г)

 

 

 

 

 

 

 

малых, а индуктивный при боль­

 

 

 

 

 

 

 

ших

токах нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

Г1

1Him

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ц//т

 

 

 

 

 

 

7.3. LC-ФИЛЬТРЫ

 

 

 

-J=-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

Наиболее широко используют

 

 

 

х_

 

 

Г-образный индуктивно-емкост­

 

 

Рис. 7 3. LC-фильтры:

ный фильтр (рис. 7.3а). Для сгла­

 

 

живания

пульсации

таким

филь­

а) Г-образный; б) П-образный, в)

многозвенный; г) фильтр из индук­

тром

необходимо,

чтобы емкост­

тивности

 

и

аккумуляторной батареи

ное

сопротивление

конденсатора

 

 

 

 

 

 

 

 

для низшей частоты пульсации было много меньше сопротивле­

ния нагрузки гхС1 = — ~— < /?Д

а также много меньше

индук-

тивного

\

т

)

для первой гармоники

(Х а=

сопротивления

дросселя

= ----Ц г

<ГП(йс1 = Хь ).

 

 

 

то)с Сх

 

)

 

 

 

При выполнении этих условий, пренебрегая активным сопро­ тивлением дросселя и принимая UQ^ U E, коэффициент сглажива-

169

ния Г-образного фильтра

К г _

Ublm_ __ n^ (^ U 2 l — j.

(7.3)

____

u Him

 

Так как 1/ = о)о — собственная частота фильтра, то

К с = <ос/со0)2 — 1.

Коэффициент сглаживания /Сс определится отношением изве­ стных уже пульсаций на входе и выходе фильтра. Таким обра­ зом, необходимое произведение индуктивности и емкости (в ГФ)

LCx = (Kc +

(7.4)

Выражая в (7.4) L в генри, а С4 в микрофарадах, получим

следующие расчетные формулы:

для / = 50

Гц LCX=

10(^ -+ i )

(ГмкФ);

(7.5)

 

 

т2

 

 

для / = 400

Гц ЬСХ=

° ’16(-^ +

1) (ГмкФ)

(7.6)

 

 

т2

 

 

Выражения (7.4) — (7.6) дают возможность по заданному ко­ эффициенту сглаживания определить необходимую величину про­ изведения.

Одним из основных условий выбора L и Ct является обеспече­

ние индуктивной реакции фильтра. Такая реакция необходима для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя, а также в случаях использования в выпрямителях германиевых, кремниевых или ионных вентилей.

Для обеспечения индуктивной реакции необходимо выполнить следующее неравенство:

L > 2Rj(m2— l)mcoc =

2£/P/(m2— l)mcoc/ 0.

(7.7)

Определив из

(7.7)

величину L,

можно

найти значение

емко­

сти Cj.

на

выходе фильтра не

постоянна, можно

опре­

Если нагрузка

делить величину емкости Си задавшись

допустимым выбросом на­

пряжения на выходе фильтра ДС/н при

сбросе

нагрузки

Ci > (Л/д/Л U \)L ,

(7.8)

где Д/0 — величина изменения тока нагрузки на выходе фильтра; Д1/н — допустимый выброс напряжения на выходе фильтра.

Определив величину Си

можно найти величину L. Если нагрузка на выхо­

де фильтра имеет импуль­ сный характер, величина емкости Cj существенно вли­ яет на степень искажения формы импульсов тока

170

Соседние файлы в папке книги