Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
s
х
М
r
r
sL1
2
1
sL2
L
r
а
а
U
1
U
2
U
1
U
2
а б
Рис. 3.5. Эквивалентные схемы однофазного трансформатора
На рис. 3.6 показана эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора, приведенного к числу витков вторичной обмотки, с учетом
взаимной индуктивности обмоток по потоку рассеяния (параметр
потерь в сердечнике трансформатора (параметр
ного потока (параметр
i
1
U
1
Рис. 3.6. Эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора с учетом
взаимных потоков рассеяния
).
0
r
1
i
1
nML
ss
121
nML
snM12
r
0
х
0
) и основного магнит-
r
0
r
2
ss
122
i
2
U
2
М
12
),
Эквивалентные схемы трехобмоточного трансформатора представлены на рис. 3.7 [7, 8].
На рис. 3.7,
а показана эквивалентная схема трехобмоточного транс-
форматора с учетом, что две обмотки связаны между собой взаимным
Ф
потоком рассеяния
схеме учитывается взаимная индуктивность
ния между вторичными обмотками с равным числом витков
, а потери в сердечнике ничтожно малы. В этой
М
23
по потокам рассея-
23
и
w
2
51
.
w
3
При этом коэффициент трансформации в таком трансформаторе
Р
w
w
n
.
тр
ww
3
2
11
Для случая, когда вторичные обмотки жестко вмотаны друг в друга,
эквивалентная схема трехобмоточного трансформатора упрощается
23
в [7, 8].
232MLs
233MLs
1
U
r
2
2
i
2
r
3
3
i
3
i
1
1
sL2
sL1
i
3,2
3,2
и принимает вид, показанный на рис. 3.7,
r
1
1
i
1
U
1
0
1
U
1
1
М LM
sL1
23 2 23
2
i
1
()
0
б в
2
1
M
LnL
s
1
а
s
3,2
i
3,2
Рис. 3.7. Эквивалентные схемы трехобмоточного трансформатора
При выборе трансформатора, питающего выпрямитель, или при его
проектировании основой являются типовая или габаритная мощность
трансформатора
г 1ном 2ном 1ном 1ном 2ном 2ном
где
– выходная мощность – мощность, поступающая к потреби-
Р
0ном
телю постоянного тока в номинальном режиме
и коэффициент габаритной мощности
г
0,5( ) 0,5( );РРР IU I U
Р
k
г
г
Р
0ном
,
Р IU
0ном 0ном 0ном
52
:k
г
.
Габаритная мощность трансформатора для выпрямителей всегда
R
I
I
больше его выходной мощности, т. е.
. Это обусловлено тем, что
1k
г
для выпрямителя независимо от типа схемы выпрямления должны быть
выполнены условия:
UU
20ном
и
20ном
.II
Габаритные размеры и масса трансформаторов для выпрямителей
всегда больше, чем у трансформаторов аналогичной мощности, но при
синусоидальных токах в обмотках. Это обусловлено тем, что в трансформаторах, работающих в выпрямительных схемах, полезная мощность определяется постоянной составляющей пульсирующего тока
U
2
2
I
0
, а нагрев обмоток – полными токами
первичной и
1
2
вторичной обмотки, которые содержат высшие гармонические составляющие.
53
4. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Выпрямительное устройство представляет собой функциональный
блок линейного источника вторичного электропитания, который в своем
составе может содержать силовой трансформатор, блок выпрямления
(схему выпрямления), систему управления (регулирования).
Классифицируют полупроводниковые выпрямительные устройства
по следующим основным признакам [8–10].
По числу выпрямленных полуволн различают однополупериодные
и двухполупериодные выпрямители.
По выходной мощности: установки малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой мощности.
По числу фаз источника питания: выпрямители однофазного тока
выпрямители трехфазного тока.
По возможностям регулирования: неуправляемые выпрямители;
управляемые выпрямители.
По схеме вентильного блока: выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением.
Выпрямители однофазного и трехфазного тока в зависимости от
схемы включения вентилей и схемы соединения обмоток
тора подразделяются на типы (схемы со средней точкой, мостовые
и т. д.). Полупроводниковые выпрямители однофазного тока, как правило, выполняются по схеме с выводом средней (нулевой) точки и по
мостовой схеме. Основная область применения таких схем – установки
трансформа-
54
малой и средней мощности. Иногда однофазная мостовая схема приме-
I
няется в установках большой мощности.
Выпрямители средней и большой мощности в основном получают
питание от сети трехфазного тока. При питании от сети трехфазного
тока в зависимости от схемы включения вентилей и схемы соединений
обмоток трансформатора формируется трех-, шести- или двенадцатипульсное выпрямление
.
Несмотря на многообразие известных схем выпрямления трехфазного тока, практически применяются: трехфазная схема со средней точкой; шестифазная схема с уравнительным реактором, трехфазная мостовая схема.
Трехфазная схема со средней точкой иногда применяется в установках средней мощности, а также является составным элементом более
сложных схем. Шестифазная схема с уравнительным
реактором и трехфазная мостовая схема применяются в установках средней и большой
мощности. Эти схемы обеспечивают шестипульсное выпрямление и высокие технико-экономические показатели.
Выпрямление с двенадцатикратной пульсацией выходного напряжения формируют последовательным или параллельным соединением
схем. Такого типа комбинированные схемы позволяют уменьшить пульсации в кривой выпрямленного напряжения.
На стадии
разработки выпрямителей выполняется расчет электриче-
ских параметров схемы выпрямления с учетом характера нагрузки.
Основные параметры схемы выпрямления
При расчете линейного источника вторичного электропитания,
как правило, задаются параметры нагрузки: средние значения выпрямленного напряжения
U
d
и тока
, а также допустимым (нор-
d
мируемым для данной нагрузки) коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения
[8–10]. Однако выпрямительные свойства
k
п.н%
линейных ИВЭП, в частности выпрямителей, характеризуются конкретным значением коэффициента пульсации выпрямленного напряжения на выходе
. При проектировании линейного ИВЭП требу-
k
п%
ется выполнить условие: коэффициент пульсации выпрямленного
напряжения
на выходе выбранной схемы линейного ИВЭП
k
п%
55
не должен превышать нормируемый для данной нагрузки коэффици-
R
I
I
Р
ент
пульсации выпрямленного напряжения [8–10].
k
п.н%
Среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя
22
11
UudtUtdt
dm
22
22
00
sin
U
2
m
.
Среднее значение выпрямленного тока через нагрузку
U
I
d
d
.
н
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения по первой гармонике является доминирующим и по определению
U
01
m
k
п
01
,
U
d
где
– амплитуда основной (первой) гармоники, численное значе-
U
01m
ние которой можно определить путем разложения несинусоидальной
кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье;
– среднее значе-
U
d
нием выпрямленного напряжения.
При расчете трансформатора исходными параметрами являются:
действующие значения напряжений
обмотке; действующие значения токов
ной обмотке; габаритная мощность трансформатора
При выборе диодов основными параметрами являются
и
U
обр.им.макс
[8–10].
в первичной и
U
1
в первичной и
1
во вторичной
U
2
во вторич-
2
.
г
I
пр.ср.макс
Действующее значение тока диода
22
11
I idt I tdt I
д 22
222
22 2
00
sin
md
.
Импульсное (максимальное) значение обратного напряжения на диоде
UUU
обр.им.макс 2md
56
.
Параметры и зависимости, характеризующие работу выпрямителя
[8–10]:
1) гармонический состав кривой выпрямленного напряжения;
2) гармонический состав кривой переменного тока, потребляемого
из питающей сети;
3) внешняя характеристика выпрямителя – зависимость среднего
значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока
UfI
dd
();
4) регулировочная характеристика управляемого выпрямителя –
зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла
управления
Uf
d
();
5) коэффициент мощности выпрямительной установки ;
6) коэффициент полезного действия
.
Проанализировать совместно процессы, протекающие в разных
функциональных компонентах схемы выпрямителя, с учетом характера
нагрузки, потерь напряжения на трансформаторе, вентилях, фильтре
весьма сложно. Поэтому, как правило, анализ начинают с рассмотрения
идеализированных выпрямителей, которые содержат идеальные вентили и идеальный трансформатор.
Под термином «неуправляемый идеальный вентиль» следует понимать несимметричный резистор, сопротивление
которого в одном
направлении равно нулю, а в противоположном – бесконечности.
Для управляемого вентиля вводится понятие «идеальный управляемый вентиль», сопротивление которого в обратном направлении,
а также и в прямом закрытом состоянии равно бесконечности. В открытом состоянии прямое сопротивление в таком вентиле равно нулю.
В идеальном трансформаторе полагаем, что активные сопротивле
-
ния обмоток, потери в магнитопроводе, индуктивности рассеяния
и намагничивающий ток равны нулю.
Рассмотрим случаи работы выпрямителя на чисто активную нагрузку.
57
4.2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ
УСТРОЙСТВА
Неуправляемые выпрямительные устройства являются одним из
функциональных блоков линейных источников вторичного электропитания, который, как правило, содержит силовой трансформатор, блок
выпрямления и фильтрующее устройство. Блок выпрямления определяет схема выпрямления.
Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым
(средним) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 4.1,
а)
представляет собой параллельное соединение двух однофазных однополупериодных выпрямителей, работающих поочередно на общую
нагрузку
так как вторичная обмотка (полуобмотки
с нулевым выводом
[8–10]. По сути этот выпрямитель является двухфазным,
R
н
и
w
2
) трансформатора
w
2
2 создает сдвиг ЭДС, равных по величине, но про-
тивоположных по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток формирует систему равных по величине напряжений
и
uu
носительно средней точки на
на выводах вторичных полуобмоток, сдвинутых по фазе от-
23 2
180
[8–10].
uu
12 2
При рассмотрении работы неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку, как правило, принимают следующие допущения: синусоидальное напряжение питающей сети; падения напряжения на обмотках
и в диоде равно нулю.
В случае работы рассматриваемой схемы выпрямителя на активную
нагрузку (рис. 4.1,
б) фазное напряжение вторичной обмотки трансфор-
матора можно представить в виде
где
U
и
u
2
– мгновенное и действующее значения фазного напряже-
2ф
ния соответственно;
2sinuUt
22ф
– угловая частота питающей сети; t – время.
58
,
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного
R
двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную
нагрузку с учетом потерь в вентилях и в трансформаторе, изображены
w
1
б [8–10].
,
ui
11
i
1VD
а
w
21
u
u
22
w
22
b
а б
1VD
i
21
d
н
U
d
i
2VD
2VD
i
i
,uu
21 22
U
d
напряжений и токов в схеме (б)
u
1
i
1
1VD
2VD
u
u
u
22
21
u
21
22
2
U
dm
U
обрмакс
t
t
t
t
на рис. 4.1,
i
1
Рис. 4.1. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления с нулевым
выводом (средним) вторичной обмотки трансформатора (а); диаграммы
Выводы вторичных полуобмоток
вентилей (диодов)
на вторичных
и
u
23
VD1 и VD2. Вследствие того, что напряжения
и
w
21
полуобмотках трансформатора располо-
w
22
жены в противофазе, каждый из диодов схемы
и
w
12
подключены к анодам
w
22
u
21
VD1 и VD2 проводит ток
поочередно в соответствующий полупериод. В течение первого (и последующих нечетных) полупериода питающего напряжения положительный потенциал имеет анод диода
диод
VD1, нагрузку и вторичную полуобмотку
При этом диод
VD2 в течение каждого нечетного полупериода питаю-
VD1: ток
протекает через
i
1VD
трансформатора.
w
21
щего напряжения закрыт, так как находится под обратным напряжением
U
, равным разности потенциалов между анодом и катодом этого
обр.имп
диода (разности фазных напряжений вторичной обмотки – линейному
напряжению) [8–10].
59
В течение второго (и последующих четных) полупериода питающего напряжения положительный потенциал имеет анод диода
протекает через диод VD2, нагрузку и вторичную
i
2VD
мотку трансформатора. При этом ток
в цепи нагрузки протекает
i
d
VD2: ток
полуоб-
w
22
в том же направлении, что и в первый полупериод питающего напряжения. Диод
напряжения находится под обратным напряжением
Вследствие того, что каждая половина
VD1 в течение каждого четного полупериода питающего
U
и
w
21
вторичной обмотки
w
22
обр.имп
[8–10].
поочередно через полупериод пропускает полуволны синусоидального
тока в противоположных направлениях, в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток, протекающий
через нагрузку в течение обоих полупериодов питающего переменного
тока, имеет синусоидальный характер (рис. 4.1,
б). В нагрузке формиру-
ется два полупериода пульсирующего напряжения, частота пульсации
которого в два раза выше частоты питающей сети.
Протекающие по вторичным
матора токи
ii i
21 1 0VD
и
ii i
22 2 0VD
и
w
21
полуобмоткам трансфор-
w
22
имеют направление, при ко-
тором постоянные составляющие этих токов создают встречно
направленные магнитные потоки. Поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в схеме выпрямления отсутствует [8–10].
Основные параметры, характеризующие схему выпрямителя при работе на активную нагрузку, приведены в табл. 4.1 [8–10].
Выпрямитель применяется чаще всего при мощностях до 100 Вт.
Однофазная мостовая схема выпрямления
Однофазная мостовая схема выпрямления (рис. 4.2, а) содержит
трансформатор и четыре диода, два из которых соединены анодами
и образуют общий «минус» выпрямителя, а два других диода соединены
катодами и образуют общий «плюс» выпрямителя. На рис. 4.2,
б пока-
заны диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного
мостового выпрямителя на активную
нагрузку без учета потерь
R
н
в трансформаторе и в диодах [8–10]. В первый полупериод (и последующие нечетные полупериоды), когда потенциал точки
60
а положительный,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]