5.6.Шестифазные выпрямители по схеме треугольник-звезда и звезда- звезда
Шестифазная схема (m = 6) выпрямления находит применение для получения выпрямленных напряжений меньше 10В при больших значениях тока нагрузки (десятки – сотники и тысячи ампер). Она имеет такую же переменную составляющую (пульсацию), как и трехфазная мостовая.
На рис.7, а показан шестифазный однотактный выпрямитель со средней точкой, выполненный по схеме треугольник – звезда.
Рис.7, а
Основные соотношения в схеме выпрямления рис. 7, а
Габаритная мощность трансформатора в шестифазной схеме больше, чем в трехфазной мостовой.
Однако при низких выпрямленных напряжениях (менее 10 В) из-за того, что падение напряжения на диодах в каждом такте работы шестифазной схемы в 2 раза меньше, чем в трехфазной мостовой, КПД ее оказывается выше. Эта схема широко используется в бесконтактных генераторах постоян-ного тока, используемых на летательных аппаратах, и на других объектах.
На рис.7,б показан шестифазный однотактный выпрямитель со средней точкой, выполненный по схеме звезда – звезда.
Рис.7,б
Основные соотношения в схеме выпрямления рис. 7, б
Представленные схемы шестифазных однотактных выпрямителей нашли широкое применение на летательных аппаратах.
6. Электрические схемы сглаживающих фильтров.
Работа выпрямителя в сильной степени зависит от характера нагрузки, так как цепи переменного и постоянного токов электрически связаны.
Случай чисто активной нагрузки выпрямителя встречается относи-тельно редко и находит применение лишь для питания цепей, требующих ог-раничения переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения.
Часто нагрузкой выпрямителя являются устройства, обладающие значительной индуктивностью – это обмотки электромагнита, реле, магнит-ного усилителя, возбуждения электрических машин и др. Иногда индуктивность включает последовательно с нагрузкой как элемент сглаживающего фильтра.
Действие индуктивности состоит в том, что при изменении тока нагрузки в ней (в индуктивности) наводится э.д.с. самоиндукции, препятствующая, согласно правилу Ленца, этому изменению. Поэтому кривая выпрямленного тока сглаживается, а индуктивность в цепи нагрузки может использоваться как сглаживающий фильтр. Практически форма тока диода имеет форму, близкую к прямоугольной, поэтому действующее и амплитудное значения тока через вторичную обмотку трансформатора будут меньше, чем при работе на чисто активную нагрузку. Поэтому расчетные мощности обмоток (следовательно, и размеры трансформатора) будут меньшими при одном и том же значении выпрямленного тока.
Выпрямители
с емкостной реакцией нагрузки
характеризуются тем, что емкость
периодически подзаряжается через
выпрямитель и сохраняет свой заряд.
Выпрямленное напряжение
из-за этого выше, чем при работе на
активную нагрузку. Уменьшается также
амплитуда переменной составляющей
выпрямленного напряжения.
На выходе любого выпрямителя напряжение, кроме постоянной составляющей напряжения, содержит переменную составляющую, называемую пульсацией выходного напряжения. При питании аппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, в чаще вообще нарушает работу питаемых устройств, внося дополнительные низкочастотные помехи.
Для уменьшения пульсации между выпрямителем и нагрузкой устанав-ливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром и обычно состоящее из реактивных сопротивлений (индуктивностей и емкостей).
Различные
виды аппаратуры предъявляют различные
требования к величине и характеру
пульсации выпрямленного напряжения.
Так, например, цепи питания микрофона
допускают коэффициент пульсации
= 0,00001%, а цепи питания электронно-лучевых
трубок
=
0,1
0,5%,
в то время как трехфазная мостовая схема
выпрямления позволяет получить
=
5,7%.
В источниках вторичного электропитания аппаратуры наибольшее применения получили простейшие фильтры.
Используются также фильтры с параллельным и последовательным резонансным контуром и электронные фильтры на транзисторах.
К фильтрам предъявляется ряд требований. Основные из них следующие:
1. Обеспечение необходимого коэффициента сглаживания.
Коэффициент сглаживания является основным параметром сглажи-вающих фильтров и представляет собой отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра (на нагрузке):
.
Коэффициент
пульсации на входе фильтра
определяется схемой выпрямления и
вычисляется по известной формуле
.
Коэффициент
пульсации на выходе фильтра
,
где
и
соответственно амплитуда первой
гармоники и постоянная составляющая
напряжения на нагрузке.
Коэффициент пульсации на выходе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.
2. Минимально возможное падение постоянной составляющей напряжения на элементах фильтра;
3.Минимальные габариты, масса, стоимость;
4.Отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки;
5.Отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов тока при переходных процессах;
6.Высокая надежность.
6.1Эквивалентная схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра. Расчет коэффициента фильтрации
Фильтры
простейшего типа могут быть представлены
в виде Г-образного четырехполюсника
состоящего из сопротивления
и
.К
входным зажимам этого четырехполюсника
приложено выпря-мленное напряжение
(рис.8).
Источник этого напряжения может быть
заменен двумя последовательно включенными
генераторами постоянного и переменного
напряжения. К выходным зажимам подключена
нагрузка.
Рис.8
На схеме обозначено:
=
,
где
-
активное сопротивление дросселя;
=
,
где
-
активное сопротивление (потерь)
конденсатора;
,
где
-
частота тока в сети (на входе выпрямителя);
;
.
Коэффициент сглаживания для данной эквивалентной схемы равен:
,
где
.
Гармонические составляющие напряжения пропорциональны отношению комплексных сопротивлений:
,
где
.
Преобразуем
выражение для
,
подставив в него заранее
:
,
где
;
.
Отношение переменных составляющих равно:
После преобразования получим:
.
Модуль отношения переменных составляющих будет равен
.
Поскольку
постоянный ток через комплексное
сопротивление
не течет, то отношение постоянных
составляющих
можно представить пропорционально
отношению активных сопротивлений
.
Окончательно для коэффициента сглаживания имеем выражение:
(I)
Это
выражение является общим и точным
выражением для определения коэффициента
сглаживания, т.к. учитывает все параметры
фильтра:
,
фазность схемы m,
частоту тока входного напряжения
выпрямителя
,
сопротивления нагрузки
.
6.2 Расчет индуктивно-емкостного фильтра
Если
на эквивалентной
схеме (Рис.8)
активным сопротивлением конденсатора
пренебречь, что оправдано при низких
частотах, (до 1 кГц), то выражение (I)
-фильтра
упростится и будет иметь вид (см. рис.9)
Рис.9
.
(II)
На практике обычно выполняются следующие неравенства:
<<
;
<<1,
а
<<
,
поэтому
.
Так
как при расчете фильтра коэффициент
фильтрации задан и искомыми величинами
являются
и
,
то выражение
удобнее переписать в виде:
.
Если
выразить
в генри, а
в микрофарадах, то получаются следующие
расчетные формулы:
При
Гц,
,
При
Гц,
.
Одним
из основных условий выбора
и
является обеспечение индуктивной
реакции фильтра на выпрямитель (т.е.
чтобы
>>
).
Индуктивная реакция необходима для
большей стабильности внешней характеристики
выпрямителя.
Для
обеспечения индуктивной реакции фильтра
необходимо найти критическое значение
индуктивности обмотки дросселя
и выбрать
.
При
ток в дросселе имеет прерывистый
характер, при
ток в дросселе непрерывен. Для этого
необходимо, чтобы амплитудное значение
первой гармоники тока пульсации
.
.
Расчет дросселя производится по известной литературе [59, 60, 10] или выбирается по справочнику.
Для
использования в схемах сглаживания
фильтров рекомендуются дроссели типа
.
Определив
и выбрав
можно найти из выражения для
значение емкости
.
Конденсатор выбирается по справочнику.
Как правило, это электролитические конденсаторы, например типа К50, К52, К53 и др.
Конденсатор выбирается по величине рабочего напряжения, при этом необходимо, чтобы величина амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения не превышала предельно допустимой величины для выбранного типа конденсатора. Этот параметр конденсатора в значительной степени зависит от частоты основной гармоники выпрямленного напряжения.
Если расчетное значение переменной составляющей превышает допустимое для данных частот и температуры, то следует либо выбрать конденсатор не большее рабочее напряжение, либо увеличить емкость и тем самым уменьшать переменную составляющую до требуемого значения [53, 12].
Обычно с увеличением температуры окружающей среды допустимое значение напряжение на конденсаторе снижается, поэтому конденсатор надо выбирать с напряжением на 15-20% выше напряжения холостого хода, учитывая при этом также напряжения, которые могут возникать при запуске схемы и резкий изменениях тока нагрузки.
Емкость электролитических конденсаторов существенно зависит и от температуры окружающей среды. Она резко уменьшается при отрицательных температурах, что следует обязательно учитывать при проектировании.
Выбор конкретных значений и производится таким образом, чтобы получить наименьшую массу. В первом приближении необходимо, чтобы массы дросселя фильтра и выходного конденсатора были примерно равны другу.
Индуктивно-емкостные фильтры применяются в выпрямителях на токи от единиц до сотен ампер.