Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
трансформатор со средним выводом вторичной обмотки, и каждая из половин вторичной обмотки работает только полпериода,
то вторичная обмотка в этой схеме выпрямления используется
не полностью, и коэффициент использования обмоток трансформатора ниже.
Сравнивая двухполупериодную схему выпрямления с однополупериодной, можно сделать следующие выводы:
• среднее значение тока диода уменьшается в два раза
при одном и том же токе нагрузки;
• меньше коэффициент пульсаций (0,67);
• лучше используется трансформатор;
• обратное напряжение в обоих схемах одинаково.
Однако есть и недостатки: необходимость вывода средней
точки вторичной обмотки трансформатора, а также наличие
двух диодов вместо одного.
Мостовая схема.
Рисунок 6 - Принципиальная схема мостового выпрямителя
-31-
Пусть в некоторый момент времени переменное напряже-
2
4
π
π
π
ние на вторичной обмотке трансформатора таково, что потенциал точки А выше потенциала точки В. Тогда от точки А (« + »
источника напряжения) ток будет проходить через диод 4VD к
точке Г, далее через нагрузку к точке Б и через диод 2VD к точ-
ке В (« - » источника напряжения). В течение следующего полупериода, когда потенциал точки В выше потенциала точки А,
ток от точки В будет проходить через диод 3VD , нагрузку и ди-
од 1VD к точке А. Для первого полупериода направление тока
показано сплошными стрелками, для второго полупериода направление тока показано пунктирными стрелками. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.
Временные диаграммы мостовой схемы совпадают с диаграммами двухполупериодной схемы. Для мостовой схемы (при
активной нагрузке) справедливы соотношения:
• Среднее значение выпрямленного напряжения:
= .
π
9,022UUU =
220
• Максимальное обратное напряжение на вентилях:
обр
== . (8)
02max,
57,12 UUU
• Максимальное значение тока вентиля:
U
I
в
max,
2
2= .
R
н
• Среднее значение тока вентиля:
I
Iсв= .
,
0
• Действующие значения токов, проходящих через вен-
тили и обмотки трансформатора:
II
= ;
в
0
= ;
II
02
22
= .
I
k
T
I
22
• Коэффициент пульсаций:
-32-
01
П
k
.
67,0
=
Выпрямленный ток в данной схеме, в отличие от двухполупериодной схемы со средней точкой, протекает во вторичной
обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом
направлении, поэтому отсутствует намагничивание сердечника
трансформатора. Это позволяет уменьшить размеры и массу
трансформатора.
Когда диод 1VD не проводит ток, к его аноду приложен
положительный потенциал с верхнего конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый диод 2VD приложен отрицатель-
ный потенциал нижнего конца вторичной обмотки. Таким образом, в непроводящем направлении диод оказывается под напряжением вторичной обмотки трансформатора (8).
Т.е. обратное напряжение на мостовой схеме в два раза
меньше, чем в двухполупериодной со средней точкой.
Преимущества мостовой схемы выпрямителя перед схемой
со средней точкой:
• обратное напряжение, прикладываемое к неработающим
диодам, в два раза меньше;
• конструкция трансформатора проще, так как не требуется
вывода средней точки вторичной обмотки;
• возможность применения схемы без трансформатора, ко-
гда напряжение сети соответствует напряжению, которое должно быть приложено к мосту;
• габариты и масса трансформатора меньше вследствие
лучшего использования обмоток.
Недостатком мостовой схемы следует считать наличие четырех диодов по сравнению с двумя диодами в схеме со средней
точкой.
Трехфазные выпрямители.
Выпрямители трехфазного тока применяются, в основном,
для питания потребителей средней и большой мощности. При
-33-
этом они равномерно нагружают сеть трехфазного тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпрямителей наиболее простой является трехфазная схема с нулевым, выводом, представленная на рисунке 6а.
Рассмотрим работу этой схемы в случае чисто активной
нагрузки. Как видно из рисунке 7а, схема состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех вентилей и сопротивления нагрузки
R . Первичная обмотка трансформатора может быть соединена
н
звездой или треугольником, вторичная - только звездой. Катоды
вентилей 1VD , 2VD и 3VD соединенные между собой, имеют
положительный потенциал по отношению к нагрузке нR . На
нулевой точке трансформатора - отрицательный потенциал.
а б
Рисунок 7 - Принципиальная схема трехфазного выпрямителя (а)
и диаграмма напряжений на фазах (б)
Вентили в приведенной схеме работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух
-34-
вентилей, т. е. когда соответствующее фазное напряжение будет
1
2
2
положительным и больше двух других фазных напряжений. Например, в интервале времени
t
-
t
(рисунке 7б), когда напряжение aU2 положительно, а напряжения bU2 и cU2 или отрицательны, или положительны, но имеют меньшее значение, чем
напряжение aU2, ток будет проходить по фазе а вторичной обмотки трансформатора через вентиль 1VD и нагрузочный рези-
стор нR . В следующую треть периода в интервале времени
t будет работать вентиль 2VD , так как его анод имеет более
3
t
-
высокий положительный потенциал, чем аноды вентилей 1VD и
3VD . Ток будет проходить по фазе b вторичной обмотки транс-
форматора через вентиль 2VD и нагрузку. Причем через нагруз-
ку он будет проходить в том же направлении, что и в предыдущую треть периода. После этого будет работать вентиль 3VD ,
затем снова вентиль 1VD и т.д.
На рисунке 6б видно, что пульсации напряжения на нагрузке значительно меньше, чем в схемах выпрямителей однофазного тока, и их частота в три раза больше частоты сети, что
облегчает фильтрацию. Если применить схему с большим числом вентилей, то пульсации еще больше уменьшаются, и поэтому в некоторых случаях можно обойтись без сглаживающих
фильтров.
Основные расчетные соотношения для трехфазного выпрямителя:
• Среднее значение выпрямленного напряжения (находится
путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке
трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения):
-35-
5
2
3
π
М
2
π
3
П
π
где
6
3
=
d
2
π
U
- действующее значение фазного напряжения на вторич-
2
∫
π
6
2
63
=θϑ⋅
2
π
171
U,UdSinUU
=
ной обмотке трансформатора.
• Максимальное значение обратного напряжения на венти-
ле:
,
22
=== ,
22,
UUUU
dММобр
где
U
- амплитуда фазного напряжения.
63
• Максимальное значение тока вентиля:
U
М
I
МВ
,
2
== .
R
d
U
d
33
• Среднее значение тока, протекающего через вентиль:
I
I = .
,
d
срВ
• Коэффициент пульсаций:
k
.
25,0
=
4 Сглаживающие фильтры
При рассмотрении схем выпрямителей было установлено,
что выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим
и содержит кроме постоянной и переменные составляющие. Допустимые значения коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Поскольку в любой схеме
выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во
много раз превышает пределы допустимых значений, на выходе
-36-
выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Основными
требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное
уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между
выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная
составляющая выпрямленного напряжения.
Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания.
Коэффициентом сглаживания называют отношение ко-
эффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:
k
q =
вхп
k
.
выхп
Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть
индуктивные катушки (дроссели), включенные последовательно
с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке.
Рисунок 8 - Простейшие L -, C - фильтры
Для обеспечения хорошего сглаживания необходимо, чтобы индуктивное сопротивление фильтра (рисунок 8), включен-
-37-
ного последовательно с нагрузкой, было значительно больше
сопротивления нагрузки на частоте пульсаций пω , т. е.
Lω
>>нR . Так как активное сопротивление дросселя обычно
фп
невелико, то постоянная составляющая выпрямленного тока не
создаст потерь постоянного напряжения, и постоянные напряжения на входе фильтра и на нагрузке можно считать практиче-
ски равными 0U .
Применение индуктивного фильтра выгодно при малых
сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях малой мощности),
так как в этом случае требуется небольшая индуктивность для
получения необходимого коэффициента сглаживания.
При включении конденсатора параллельно нагрузке (рисунок 8) для лучшего сглаживания пульсаций его емкостное сопротивление должно быть значительно меньше сопротивления
нагрузки, т. е.
Xω=
Сф
1
<<нR . Конденсатор заряжается че-
С
фп
рез вентиль в те моменты времени, когда напряжение на входе
фильтра превышает напряжение на конденсаторе. В остальное
время конденсатор разряжается на нагрузку.
В качестве конденсаторов фильтра обычно используют
электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.
Широкое применение на практике находят Г - образные
индуктивно-емкостные фильтры (рисунок 9).
При выполнении условия
X
Cф
<<нR <<
X
Lф
такие
фильтры позволяют получать значительно более высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем простейшие индуктивные и емкостные фильтры.
-38-
+
Рисунок 9
По заданному коэффициенту сглаживания пульсаций можно найти значение произведения по следующей формуле:
1
CL
q
= , (9)
фф
m
ω
22
c
где т - число фаз выпрямления (для однополупериодной схемы
т = 1, для двухполупериодных схем m = 2, для трехфазной
m = 3); сϖ - угловая частота сети.
LC – фильтр будет хорошо работать при
X
>>нR , и ток
Lф
через дроссель и нагрузку должен быть непрерывным. Для
обеспечения этого необходимо иметь дроссель с минимальной
индуктивностью
R
2
к
2
)1(
. (10)
mm
c
Определив из (10)
лить
C
.
ф
Lω−≥
ф
L
и подставив ее в (9), можно опреде-
ф
Более эффективным является П - образный фильтр. На рисунке 10а показана схема такого фильтра, представляющего собой сочетание простейшего емкостного и Г - образного фильтров.
-39-
Для получения более высокого коэффициента сглаживания
пульсаций необходимо увеличивать
L
и
C
ф
, что приводит к
ф
увеличению габаритных размеров и масс дросселей и конденсаторов. В этом случае лучшие результаты получаются с помощью
сложных многозвенных фильтров, состоящих из нескольких последовательно соединенных Г - образных звеньев фильтра (рисунок 10б).
а б в
Рисунок 10 - П – образные фильтры
Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра
q
ра-
ф
вен произведению коэффициентов сглаживания фильтров:
qqqф=
.
21
Обычно коэффициенты сглаживания отдельных звеньев
принимают равными друг другу.
При небольших значениях выпрямленного тока (порядка
10 - 15 мА) и небольших значениях коэффициента сглаживания
в целях удешевления и упрощения фильтра дроссель можно заменить активным сопротивлением. Тогда получится RC -
фильтр (рисунок 10в), для которого
CR
=
фф
m
-40-
CR
6
q
⋅
105,1
ω
c
1
>
фф
ьω
:
с
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]