Расчет однофазных неуправляемых выпрямителей (1)

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет» Филиал в г. Стерлитамаке

Кафедра автоматизированных технологических и информационных систем

Расчет однофазных источников постоянного тока

Учебно-методическое пособие

Уфа

2016

Учебно-методическое пособие содержит указания по расчету однофазных неуправляемых выпрямителей и предназначено по выполнению курсовой работы по дисциплине «Электроника».

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, 27.03.04 – Управление в технических системах, 21.05.06 – Нефтегазовые техника и технологии.

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2016

2

2.5.1Задание: рассчитать выпрямитель по следующим входным параметрам. 53

2.5.2Выбор и обоснование выбора схемы выпрямителя и сглаживающего

3

ВВЕДЕНИЕ

Выпрямителем называется устройство, осуществляющее преобразование переменного входного напряжения в выходное, имеющее некоторое постоянное значение.

Выпрямление напряжения переменного тока есть процесс нелинейного преобразования, при котором изменяются спектральные характеристики преобразуемого напряжения. В общем случае, в результате выпрямления образуется периодическая функция напряжения Ud~(t) со сложным спектром, из которого только постоянная составляющая является «полезным» продуктом преобразования. Гармонические (т.е. переменные) составляющие функции Ud~(t) вызывают периодическое изменение напряжения во времени, называемое пульсациями.

В большинстве случаев неуправляемые выпрямители содержат трансформатор, вентильный или диодный блок и сглаживающий фильтр.

Трансформатор обеспечивает согласование величин входного и выходного напряжений, а так же обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Вентильный блок, чаще всего выполняемый на основе диодов по той или иной схеме включения, реализует процесс выпрямления, в результате чего в составе выходного тока появляется постоянная составляющая.

Сглаживающий фильтр обеспечивает выделение полезной постоянной составляющей выпрямленного напряжения и подавление пульсаций.

Сглаживающие фильтры, чаще всего применяемые в выпрямителях, по схемному решению бывают резистивно-ёмкостными, ёмкостными, индуктивными, а также Г- и П-образными индуктивно-ёмкостными.

Используемый тип фильтра создаёт тот или иной характер (ту или иную реакцию) нагрузки для вентильного блока, что вносит определённые особенности, как в работу вентильного блока, так и в условия выбора элементов выпрямителя.

В настоящей работе затрагиваются вопросы правила выбора диодов вентильного блока, определения требований, предъявляемых к трансформатору выпрямителя, анализа работы выпрямителей при их работе на нагрузку активного, индуктивного или ёмкостного характера. Рассматривается общая методика расчёта неуправляемых выпрямителей.

4

1 Общее описание неуправляемых выпрямителей

1.1 Назначение выпрямителей

Большая часть устройств радиоэлектроники требуют для своей работы постоянного питающего напряжения, тогда как большинство источников электрической энергии предоставляют только переменное напряжение.

Выпрямители, как уже отмечалось выше, обеспечивают преобразование переменного напряжение первичного источника в постоянное, необходимое для питания различных радиоэлектронных систем.

Довольно часто для этих целей требуется не просто постоянное напряжение, а, кроме того, еще требуется, чтобы оно было и стабильным. В этих случаях выпрямители используются не как самостоятельные устройства, а как устройства, входящие в состав источника вторичного электропитания. В таком источнике выпрямитель дополняется схемой стабилизации выходного напряжения.

1.2 Методика расчёта выпрямителей

Расчёт выпрямителя заключается в выборе схемы выпрямления, определении требований, предъявляемых к элементам выпрямителя, выбор элементов выпрямителя, определении показателей качества выпрямления.

Общая структурная схема неуправляемого выпрямителя представлена на рисунке 1.1.

1 – трансформатор; 2 – вентильный блок; 3 – сглаживающий фильтр; 4 – нагрузка

Рисунок 1.1 – Структурная схема неуправляемого выпрямителя

На вход трансформатора подаётся первичное переменное периодическое напряжение U1 (ω t), с периодом T = (2 π)ω , ω – радиальная частота колебаний напряжения U1 (ω t). При расчёте выпрямителей это напряжение, как правило, известно. Оно характеризуется действующим U1 и максимальным U1max значениями. В случае если первичное напряжение имеет синусоидальную форму:

U1max 2 U1.

Ток i1 (ω t) – это переменный ток, потребляемый выпрямителем из сети. Так же как и напряжение, этот ток характеризуется действующим I1 и максимальным I1max значениями, но в отличие от напряжения U1 эти величины заранее

5

неизвестны и подлежат определению, для выявления требований, предъявляемых к первичному источнику питающего напряжения и трансформатору.

Форма тока i1 (ω t) определяется схемой выпрямителя и характером нагрузки, т.е. видом сглаживающего фильтра. Величины I1 и I1max определяются величиной нагрузки Rн. Чем больше нагрузка (т.е. чем меньше Rн), тем больше I1 и

I1max.

Напряжение U2 (ω t) и ток i2 (ω t) – это напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора выпрямителя.

Трансформатор осуществляет трансформацию (преобразование) первичного напряжения U1 (ω t) во вторичное U2 (ω t), т.е. обеспечивает изменение параметров первичного напряжения U1 и U1max без изменения его формы.

В силу неизменности формы первичного и вторичного напряжений между параметрами U1 и U2, и U1max и U2max существует жёсткая связь через коэффициент, называемый коэффициентом трансформации

где U2, и U2max, соответственно, действующее и максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

При синусоидальной форме напряжения U2 max 2 U2 .

Параметры напряжения U2 (ω t) – U2 и U2max, определяются тем напряжением, которое требуется для питания необходимого устройства, а так же

схемой выпрямителя, т.е. схемой вентильного блока. Они подлежат определению, поскольку с помощью этих значений осуществляется выбор диодов вентильного блока, а так же определяются требования, предъявляемые к трансформатору.

Сигнал на выходе вентильного блока Ud (ω t) представляет собой однополярное пульсирующие напряжение, которое фильтруется сглаживающим фильтром.

На выходе сглаживающего фильтра формируется постоянное напряжение Ud=, равное среднему значению напряжения Ud (ω t) (постоянной составляющей Ud (ω t)) и определяемое по следующей общей формуле:

где id~(ω t) – переменный ток, формируемый на выходе вентильного блока.

Так же как и токи i2 (ω t) и i1 (ω t), ток id~(ω t) определяется характером и величиной нагрузки, а так же схемой выпрямления.

Параметры тока i2 (ω t) – I2 и I2max – действующее и максимальное значение, подлежат определению.

Так же как и для напряжений, для токов i1 (ω t) и i2 (ω t) существует жёсткая связь через коэффициент трансформации kтр.

6

Однако трансформатор – это устройство, обеспечивающее преобразование одной переменной величины в другую переменную величину. Трансформатор не способен трансформировать постоянный ток.

В некоторых же схемах выпрямителей ток вторичной обмотки трансформатора имеет и переменную и постоянную составляющие. Связь между токами первичной и вторичной обмотки трансформатора через коэффициент трансформации kтр наблюдается только между переменными составляющими. Постоянная составляющая тока вторичной обмотки трансформатора, если такая имеется, в первичную обмотку не трансформируется и вызывает вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.

Тем не менее, можно записать:

если под I1, I2, I1max, I2max понимать параметры переменных составляющих токов.

В выпрямителях, работающих при синусоидальном первичном напряжении, токи первичной и вторичной обмоток могут иметь, а могут и не иметь синусоидальную форму.

I2 max 2 I2 .

В противном случае расчёт действующего значения тока осуществляется по общей формуле:

колебаний i~ ( t) .

Для выбора трансформатора необходимо знать токи и напряжения

коэффициент трансформации kтр, а так же требуемую габаритную мощность трансформатора:

трансформатора;

I1i и U1i – действующее значение тока и напряжения i-й первичной обмотки, в частности в случае одной первичной обмотки Р1 I1 U1.

7

m

P2 I2i U2i - суммарная габаритная мощность всех m вторичных обмоток

i 1

трансформатора;

I2i и U2i – действующее значение тока и напряжения i-й вторичной обмотки, в частности, в случае одной вторичной обмотки Р2 I2 U 2 . Единица измерения

габаритной мощности: В А.

Величины U1 и U2, kтр, fс и Рг являются исходными параметрами для выбора или расчёта трансформатора. Выбор одного из промышленно изготавливаемых трансформаторов можно осуществить по специальному справочнику.

В некоторых случаях, когда потребляемый нагрузкой ток имеет достаточно большое значение и сопротивление нагрузки соизмеримо с активным и реактивным сопротивлением обмоток трансформатора, необходимо учитывать потери в трансформаторе.

Осуществляется это учетом величины индуктивности рассеяния Ls трансформатора и величины активного сопротивления rтр проводов обмоток трансформатора.

Для оценки их значений, в случае если трансформатор для выпрямителя еще не выбран, можно воспользоваться соотношениями из [4], дающими приближенные значения индуктивности рассеяния и активного сопротивления обмоток трансформатора, работающего в схеме выпрямителя, если выпрямленный ток имеет значения не меньше 20мА.

Индуктивность рассеяния Ls трансформатора определяется соотношением:

где kL – коэффициент, зависящий от типа выпрямителя и характера нагрузки , а Bm – амплитуда рабочей магнитной индукции трансформатора, используемого в выпрямителе. Bm можно определить по справочнику для выбранного типа трансформатора. В частности, в Приложении 1 приведены графики зависимости Bm от габаритной мощности трансформатора и частоты питающей сети для трансформаторов типа ТПП, выполненных из электротехнической стали с ленточным сердечником броневого типа.

Активное сопротивление трансформатора равно:

где kr – коэффициент, зависящий от типа выпрямителя и характера нагрузки. Выходное сопротивление трансформатора равно:

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения, приходящихся на один период питающего напряжения.

Значения kL и kr в зависимости от типа выпрямителя и характера нагрузки представлены в Таблице 1.1. Значения взяты из [4]. Тип выпрямителя определяется схемой вентильного блока.

8

Таблица 1.1 – Значения коэффициентов kL и kr в зависимости от типа выпрямителя и характера нагрузки

Если трансформатор, используемый для выпрямителя, рассчитывается, то величины Ls и rтр определяются во время его расчета. Если используется один из типовых трансформаторов, то значения Ls и rтр могут быть также определены по справочнику для выбранного трансформатора, или измерены непосредственно.

При протекании тока через трансформатор, из-за наличия ненулевых значений Ls и rтр на трансформаторе происходит падение некоторого напряжения, равного:

Величина ∆Uтр – это величина, на которую необходимо скорректировать значение Ud=, определяемого формулой (1.2).

Вентильный блок (блок 2 на рисунке 1.1) реализует тот или иной алгоритм выпрямления. Он представляет собой некую схему, содержащую электронные элементы, осуществляющие преобразование входного биполярного напряжения в выходное однополярное. Неуправляемые выпрямители чаще всего выполняются на основе полупроводниковых диодов.

При выборе диодов вентильного блока необходимо учитывать:

Iв ср – среднее значение тока вентиля. В общем случае определяется по формуле:

Эта величина определяет тот средний ток, который может выдержать диод, когда он еще не выходит из строя;

Iв max – максимальное значение тока вентиля, определяется схемой выпрямления и характером нагрузки;

9

Uобр max – максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду, так же определяется схемой выпрямления и характером нагрузки;

fд – рабочая частота диода. Определяется частотой первичного

напряжения U1~(ω t) – fс.

Зная все эти параметры можно по специальному справочнику выбрать необходимый диод. Очевидно, что параметры выбираемого диода должны быть больше рассчитанных, иначе выбранный диод просто выйдет из строя во время работы.

В Приложении 2 приводятся параметры некоторых типов диодов.

При протекании выпрямленного тока через вентильный блок на каждом из диодов этого блока происходит выделение напряжения равного Uпр. Величина Uпр может быть определена по справочнику для выбранного типа диода. При расчете выпрямителя необходимо учитывать это напряжение, поскольку оно уменьшает выходное выпрямленное напряжение Ud=. Т.е. необходима коррекция расчетного напряжения Ud= на величину:

Это необходимо делать для того, чтобы обеспечить заданное значение напряжения на нагрузке.

Еще одним параметром, характеризующим диод, является максимальный обратный ток диода Iобр, который протекает через него, когда к нему прикладывается максимальное обратное напряжение Uобр max. Наличие Iобр обуславливается не идеальностью диода, и приводит к уменьшению мощности передаваемой от фильтра в нагрузку, за счет разряда фильтра через диод, к которому приложено обратное напряжение.

Однако величина Iобр кремневых диодов, которые в последнее время чаще всего используются в выпрямителях, обычно, на несколько порядков меньше его прямого тока. Поэтому, если выбрать диод с Iобр << Id= (достаточно 10 Iобр ≤ Id=), то потери, связанные с наличием не нулевого значения тока Iобр, можно не учитывать.

Сглаживающий фильтр, используемый для подавления пульсаций выпрямленного напряжения, выбирается или рассчитывается исходя из требуемого качества подавления пульсаций.

Основным параметром для его расчёта является коэффициент сглаживания kсгл, определяемый по формуле:

k

kсгл kп1в , (1.13)

п1н

где kп1н – требуемый коэффициент пульсаций по первой гармонике на нагрузке, определяемый требованиями, предъявляемыми нагрузкой;

kп1в – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике, определяемый схемой выпрямителя.

За исключением схемы однофазного однотактного однополупериодного выпрямителя kп1в – определяется по следующей общей формуле [3]:

10