Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники вторичного электропитания. Линейные источники вторичного электропитания. Учебное пособие
.pdf
Регулирование выпрямленного напряжения с помощью
трансформатора или автотрансформатора с отводами обмотки
Регулирование выпрямленного напряжения с помощью трансформатора или автотрансформатора наиболее экономично, так как при регулировании на всех ступенях сохраняется наиболее высокий коэффициент мощности. Принцип действия выпрямительного устройства рассматриваемого способа регулирования поясняет структурная схема, показанная на рис. 4.5 [8–10].
УУ
ПС
Рис. 4.5. Структурная схема регулируемого выпрямителя
с использованием автотрансформатора с отводами обмотки
К
БВ
СФ
Напряжение питающей сети ПС понижается автотрансформатором,
на отводах обмотки которого формируются различные по величине
напряжения. Вместо автотрансформатора может использоваться трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку схемы от питающей сети. Коммутатор К, управляемый сигналами схемы управления
УУ, подключает тот или иной отвод обмотки ко входу функционального
блока выпрямления БВ с неуправляемыми
вентилями (полупроводниковыми диодами). Коммутация отводов может осуществляться либо коммутационными аппаратами электромеханического типа, либо тиристорными переключателями. Регулирование с помощью коммутаторов электромеханического типа характеризуется рядом принципиальных недостатков: регулирование ступенчатое, инерционность, низкая надежность,
низкий КПД, наличие искрения. Регулирование с помощью тиристорных
переключателей позволяет плавно регулировать напряжение между ступенями.
Система управления формирует сигналы управления тиристорным
коммутатором в зависимости от значения выходного напряжения и фазового угла переменного напряжения на входе блока выпрямления.
71
Подачей на схему управления дополнительного управляющего сигнала
посредством изменяющегося сопротивления или напряжения осуществляется регулирование выходного напряжения. Таким образом в функциональном блоке выпрямителя (рис. 4.5) реализуется функция стабилизации выходного напряжения [8–10].
Регулирование выпрямленного напряжения
с помощью дросселей насыщения
Для реализации рассматриваемого способа регулирования выпрямленного напряжения дроссели насыщения могут быть включены последовательно либо с первичной обмоткой силового трансформатора, либо
последовательно со вторичной обмоткой силового трансформатора.
На рис. 4.6 изображена принципиальная схема регулируемого (управляемого) выпрямителя, в которой дроссель насыщения ДрН включен
последовательно с первичной обмоткой силового СТ трансформатора
[8–10].
ДрН
СТ
U
u
с
упр
1VD
С
3VD
Рис. 4.6. Принципиальная схема регулируемого выпрямителя
с дросселем насыщения
ф
R
н
Принцип действия выпрямителя основан на том, что рабочая обмотка дросселя насыщения ДрН и первичная обмотка силового трансформатора СТ образуют делитель напряжения питающей сети
u
с
, при-
чем сопротивление обоих плеч этого делителя имеет преимущественно
индуктивный характер. Напряжение первичной обмотки силового трансформатора СТ, а следовательно, и выходное напряжение выпрямителя зависят от величины индуктивного сопротивления дросселя насыщения
ДрН, которое может регулироваться за счет изменения напряжения
72
на управляющей обмотке. Чем больше величина постоянного напря-
U
жения
, приложенного к обмотке управления, тем меньше сопро-
упр
тивление дросселя насыщения и, следовательно, больше выходное
напряжение выпрямителя.
Регулирование напряжения с помощью управляемых
полупроводниковых вентилей
Регулирование напряжения с помощью управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров) может быть реализовано следующими
способами: путем изменения параметров полупроводниковых вентилей,
входящих непосредственно в выпрямительное устройство; изменением
параметров полупроводниковых вентилей, включенных в первичную
обмотку трансформатора (фазовое регулирование на стороне переменного тока); изменением ширины импульсов (широтно-импульсное регулирование на стороне постоянного тока
).
На рис. 4.7 показана структурная схема выпрямительного устройства, в котором выходное напряжение регулируется посредством изменения параметров полупроводниковых вентилей, входящих непосредственно в выпрямительный блок [8–10].
ПС
Упр
Рис. 4.7. Структурная схема регулируемого выпрямителя
с управляемыми полупроводниковыми вентилями
СТ
ФсУ
БРВ
ГИ
ФНЧС
Н
Генератор импульсов вырабатывает импульсы, которые подаются
на управляющие электроды тиристоров регулируемого вентильного
блока. Управляющие импульсы синхронизируются с изменением сетевого напряжения и сдвинуты посредством фазосдвигающего устройства относительно нулевых значений напряжения вторичной обмотки
на некоторый угол
Изменением фазового угла , например с помо-
.
щью потенциометра, можно управлять моментами перехода полупроводниковых вентилей в проводящее состояние, т. е. режимами работы
силовой части выпрямительного блока.
73
Реализация основных элементов устройства управления (фазосдвигающего устройства и генератора импульсов) зависит от мощности выпрямителя, от глубины диапазона регулирования выходного напряжения, от частоты напряжения питающей сети и других факторов.
Простейшая схема регулируемого выпрямителя на одном тири-
VS приведена на рис. 4.8, а [8–10].
сторе
u
VS
0
u
с
u
у
u
R
н
н
u
0
2
u
н
u
срвыпр
2
u
с
t
t
а
Рис. 4.8. Регулируемый выпрямитель на одном тиристоре:
а – схема; б – диаграммы работы
б
Для включения тиристора напряжение на аноде тиристора должно
быть положительным (но меньше
U
) и к управляющему электроду
пр.вкл
должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее
отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных
полуволн напряжения сети
для выполнения второго условия к
;u
c
управляющему электроду тиристора должен быть подведен отпирающий импульс
u
.
у
После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому выключение тиристора произойдет, когда
напряжение на его аноде станет равным нулю. Форма импульсов напряжения на резистивной нагрузке
без фильтра показана на рис. 4.8, б.
R
н
Очевидно, что момент включения тиристора можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, т. е.
При этом, если тиристор включается при
74
0 , то среднее выпрямленное
0.
напряжение на нагрузке
L
L
напряжение
ср.вып
0u
u
будет максимальным, а в случае 180
ср.вып
. Такой способ управления называется фазоим-
пульсным [8–10].
В приведенной простейшей схеме регулируемого выпрямителя
пульсации напряжения на нагрузке довольно большие, поэтому для
снижения их необходимо включать сглаживающий фильтр (на схеме
рис. 4.8,
а не показан). Надо отметить, что в приведенной схеме исполь-
зовать для сглаживания пульсаций емкостный фильтр не следует, поскольку заряд конденсатора через открывшийся тиристор может сопровождаться таким большим током, который выведет тиристор из строя.
Поэтому в тиристорных регулируемых выпрямителях используют
фильтры, в которых первым компонентом будет индуктивность.
Схема двухфазного регулируемого выпрямителя на двух тиристо-
рах
VS1 и VS2 с индуктивно-емкостным фильтром (рис. 4.9, а) позво-
ляет реализовать два режима работы: без блокировочного
ода и с блокировочным
диодом [8–10]. Основное различие этих
VD
бл
VD
бл
ди-
режимов заключается в способе выключения тиристоров.
В случае, когда регулируемый выпрямитель по схеме рис. 4.9,
а ра-
ботает без блокировочного диода, процесс происходит следующим образом. При поступлении управляющего импульса на тиристор
исходит его включение с углом отпирания
. В этом случае на выход
VS1 про-
выпрямителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки
.u
2
При
нако тиристор
дуктивности
VS1 не запирается, так как через него проходит ток ин-
ф
напряжение
имеет отрицательный знак, од-
u
2
и напряжение самоиндукции обеспечивает включен-
ωπt
ное состояние тиристора VS1.
ωπt
При
ход напряжение
индуктивности
включается тиристор VS2, который передает на вы-
второй фазы вторичной обмотки. В этом случае ток
u
2
переключается на вторую фазу, а тиристор VS1 вы-
ф
ключается. Форма напряжения на выходе вентильного блока имеет вид,
показанный на рис. 4.9, б (заштрихованная область). Напряжение на
нагрузке
нию выпрямленного напряжения
оказывается почти постоянным и равным среднему значе-
u
н
U
.
срd
75
u
R
L
L
у
бл
L
ф
С
R
ф
1VS
u
2
u
1
2VS
u
2
Рис. 4.9. Двухфазный регулируемый выпрямитель:
VD
а б
а – принципиальная схема; б – диаграммы работы
При достаточно большом значении индуктивности
включения тиристора можно регулировать от 0 до
напряжение растет с уменьшением угла отпирания
0
u
d
0
н
u
0
2
u
d
u
н
L
ф
. Выходное
π/2
и уменьшается
н
ω
t
t
t
угол
при его увеличении.
При работе с блокировочным диодом
тиристоры VS1 и VS2
VD
бл
выключаются, когда напряжение на аноде становится равным нулю.
Однако ток в индуктивности фильтра
включается блокировочный диод
периода от
π
до
ток индуктивности
VD
бл
нагрузки) протекает через блокировочный диод
не прерывается, так как
ф
. Вследствие этого на интервале
(а следовательно, и ток
ф
. Напряжение на
VD
бл
выходе вентильного блока (выпрямленное напряжение) не меняет полярности (рис. 4.9, б).
Угол включения тиристоров в схеме с блокировочным диодом
можно регулировать на интервале от 0 до
π
. При одинаковом угле
VD
бл
76
включения тиристоров в схеме без блокировочного диода
R
VD
значе-
бл
ние выходного напряжения меньше, чем в схеме с блокировочным диодом
, так как на рассматриваемом интервале периода на выход пе-
VD
бл
редается отрицательное напряжение.
Мостовые схемы регулируемых выпрямителей могут быть выпол-
нены двух типов: с блокировочным диодом и без блокировочного диода (рис. 4.10) [8–10].
Т
u
с
1VS
1VD
2VD
L
ф
2VS
VD
бл
С
ф
н
Т
u
с
2VS
1VS
1VD
L
ф
2VD
R
С
н
ф
а б
Рис. 4.10. Мостовой регулируемый выпрямитель
В мостовой схеме регулируемых выпрямителей с блокировочным
диодом (рис. 4.10, а) тиристоры VS1 и VS2 включаются через угол,
VD
бл
π
равный
. При включении тиристора VS1 одновременно включается
диод VD2, а при включении тиристора VS1 включается диод VD1. Блокировочный диод
выполняет те же функции, что и в двухфазном
VD
бл
вентильном блоке (рис. 4.9, а).
В мостовой схеме регулируемых выпрямителей без блокировочного
диода (рис. 4.10, б) при включении тиристора VS2 одновременно
VD
бл
включается диод VD2, а при включении тиристора VS1 включается диод
VD1. Блокировочный диод в этой схеме не нужен, так как его функции
выполняют диоды VD1 и VD2. В остальном процессы протекают так же,
как и в двухфазном выпрямителе.
77
5. ФИЛЬТРЫ И СТАБИЛИЗАТОРЫ
5.1. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Сглаживающие фильтры выполняют функции сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации линейных источников вторичного электропитания,
содержащих выпрямительное устройство.
Количественная оценка сглаживающего фильтра, как правило, проводится по величине его коэффициента сглаживания.
Коэффициентом сглаживания фильтра по гармонике пульсаций принято считать отношение коэффициента пульсаций на входе
(выходе выпрямителя) к коэффициенту пульсаций на его выходе (входе
нагрузки) для той же гармоники.
Как правило, коэффициенты пульсаций определяют по основной
гармонике, поэтому коэффициент сглаживания оценивают по низшей
гармонике пульсаций выпрямленного напряжения.
В общем виде коэффициент сглаживания для основной гармоники
фильтра
k
вх
где
n
kk
сг ф
k
k
,
(1)вхn
– коэффициенты пульсаций входного и выходного
(1)выхn
(1)
kUU
(1)вых вых (1)вых
nm
U
напряжения (по первой гармонике);
ющие входного и выходного напряжения;
U
(1)вх
вх
m
,
U
U
вх
вых
U
,
– постоянные составля-
U
,
(1)вхm
(1)выхm
туды первой гармоники входного и выходного напряжения;
78
– ампли-
U
вых
kU
вх
−
коэффициент передачи постоянной составляющей фильтра;
U
(1)вх
m
– коэффициент фильтрации [10, 11].
U
(1)вых
m
k
ф
Если пренебречь потерями в фильтре и считать, что среднее значение
выпрямленного напряжения до и после фильтра одинаково
(),UU
вх вых
коэффициент сглаживания будет равен коэффициенту фильтрации [10, 11].
Диапазон требуемых коэффициентов пульсаций выходного напря-
k
жения
для различного рода устройств колеблется от 0,001 до 0,5
пвых
[10, 11].
Чтобы уменьшить
до допустимого значения, в выпрямительных
k
п
устройствах применяют сглаживающий фильтр, причем способность
фильтра снижать пульсации выпрямленного напряжения определяется
коэффициентом
[10, 11].
k
сг
Кроме основного требования – сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к фильтру предъявляются следующие требования
[10, 11]:
1) потери мощности и падение постоянной составляющей напряже-
ния в фильтре должны быть минимальными, т. е. он должен обладать
наибольшим КПД при минимальных габаритных размерах, массе и стоимости;
2) фильтр не должен влиять на работу потребителя;
3)
внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не
должны нарушать функционирование устройств, содержащих электронные микропроцессорные компоненты;
4) во время переходных процессов фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков, значения которых превышают пределы, допустимые для элементов электропитания и потребителя;
5) собственная частота фильтра должна быть существенно меньше
основной частоты пульсаций во избежание
возникновения резонансных
явлений в отдельных звеньях фильтра, поскольку они приводят к резкому возрастанию пульсации выпрямленного напряжения;
6) фильтр должен обладать высокой надежностью в пределах задан-
ного диапазона температур.
79
Сглаживающие фильтры различают по элементам, из которых они
состоят, по схеме соединения и количеству этих элементов, обычно
называемых звеньями.
Простые однозвенные фильтры состоят из конденсатора или катушки
индуктивности, сложные фильтры представляют собой сочетание индуктивностей, конденсаторов, резисторов (рис. 5.1 и 5.2) [10, 11]. Сложный
многозвенный фильтр состоит из нескольких простых фильтров.
L
ф
С
ф
а б
Рис. 5.1. Простые пассивные сглаживающие фильтры:
а – схема емкостного фильтра; б – схема индуктивного фильтра
R
н
R
Следует помнить, что с включением емкости (конденсатора С) и индуктивности (дросселя L) между схемой выпрямления и потребителем
проявляется реактивный характер нагрузки выпрямителя.
При выборе схемы и параметров фильтра кроме коэффициента сглаживания (
k
) необходимо также учитывать характер нагрузки и усло-
сг
вия ее работы. Так, например, если выпрямитель служит для питания
коллекторных цепей усилителя низкой частоты, надо предусмотреть,
чтобы выходное сопротивление фильтра было минимальным для токов
частот в пределах частотного диапазона усилителя. В противном случае
в усиливаемом сигнале появятся искажения. Необходимо также исключить
возможные перенапряжения и броски тока, обусловленные пере-
ходными процессами в фильтре при изменениях нагрузки.
Все фильтры делятся на две группы:
фильтры с пассивными RLC-элементами;
с активными элементами (транзисторами).
В настоящее время фильтры с активными элементами как самостоятельные функциональные узлы встречаются редко. Это обусловлено
тем, что задачу сглаживания фильтров пульсаций успешно решают стабилизаторы напряжения, выполненные на активных элементах.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]