KonspektElektrotekhnika_i_elektronika
.pdf
Электротехника и электроника
Ток нагрузки всегда протекает через один диод из катодной группы и один из анодной. Так как диоды работают поочередно, ток через один диод:
IVD ср = 0,5·Iн ср.
Полная мощность трансформатора ST = 1,23 Рd .
Действующее значение тока вторичной обмотки I2 = 1,11·Iн ср.
В однофазных схемах переключение диодов осуществляется при снижении тока до нуля.
Пример 6.3. Для питания приемника постоянного тока с параметрами Uном= 12 В, Iном= 1 А от сети переменного тока с U1 = 220 В используется одно- фазный мостовой выпрямитель. Определить параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора.
Решение. Приняв значения Uном = Uср = 12 В и Iном = Iнср = 1 А, определим действующее значение вторичного напряжения трансформатора U2:
U |
|
= |
U |
= |
12 |
= 13,3 В. |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
0,9 |
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Коэффициент трансформации: k |
= |
U1 |
= |
220 |
= 16,54 . |
|||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
12 |
U 2 |
13,3 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Максимальное значение обратного напряжения на диодах:
UVD обр.m = U2m = 
2 ·U2.= 
2 ·13,3= 18,8 В.
Среднее значение тока через диод: IVD ср = 0,5·Iн ср = 0,5·1= 0,5 А. В соответствии с этим следует выбирать диоды с
Iпр ср max ≥ kз·IVD ср = 1,3·0,5= 0,65 А и Uобр max ≥ kз·U2m = 1,3·18,8= 24,48 В.
6.1.4. Трехфазные схемы выпрямления
Схема выпрямления с нулевым выводом
Включает в себя (рис. 6.8,а):
-трехфазный трансформатор (T), вторичные обмотки которого соединены звездой;
-вентильную группу из трех диодов VD1, VD2, VD3, катоды которых объе- динены (зажим d) - катодная группа, а аноды соединены с выводами соответст- венно "a", "b", "c" вторичной обмотки трансформатора. Нагрузка с сопротивле- нием Rн включена между зажимом d и нулевым выводом n трансформатора.
Ток в нагрузке обеспечивается поочередным подключением Rн к соответст- вующей фазе трансформатора. При этом открыт диод фазы, напряжение кото- рой u2Ф наибольшее и положительное.
На интервале [а - b] (рис. 6.8,б) напряжение u2а положительное и больше напряжений u2b и u2с - открыт диод VD1, напряжение на нагрузке uн= u2а. Ток
нагрузки i = u протекает по цепи: а → VD1 → Rн → n.
R
При этом потенциал точки d φd = u2a > 0, а потенциалы анодов VD2, VD3 по отношению к φd отрицательные. Диоды VD2, VD3 закрыты. Обратное напряже- ние на диодах VD2 и VD3 определяется линейными напряжениями вторичных
- 100 -
6. Выпрямители
A |
Т |
|
|
а |
VD1 |
|
|
u2a |
|
|
|
|
|
|
b |
VD2 |
|
B |
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
u2b |
|
|
|
|
|
|
c |
VD3 |
|
C |
|
|
|
||
|
|
|
d |
||
|
n |
u2c |
|
||
|
|
R |
|||
|
|
|
iн |
||
|
|
|
|
н |
|
u2 |
|
|
u |
|
а) |
u2a |
|
н |
u2c |
u2a |
|
u2b |
|||||
a |
b |
|
c |
a |
U |
0 |
π |
|
2π |
2фm ω t |
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
обмоток трансформатора u2аb и u2ас. Максимальное обратное напряжение диода:
UVD обр.m = U2л m.
На интервале [b - с] напряжение u2b больше напряжений u2а и u2с - от- крыт диод VD2. Диоды VD1, VD3 за- крыты. Напряжение на нагрузке:
uн= u2b.
Ток нагрузки протекает по цепи: b → VD2 → Rн → n.
На интервале [с - а] напряжение u2с больше напряжений u2а и u2b - от- крыт диод VD3. Диоды VD1, VD2 за- крыты. Напряжение на нагрузке:
uн= u2с.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω t |
Ток нагрузки протекает по цепи: |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с → VD3 → Rн → n. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
uVD1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω t |
Кривая выпрямленного напряже- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ния uн повторяет при этом положи- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тельную огибающую фазных напря- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
uab |
|
|
|
|
|
|
|
|
uac |
жений на вторичной обмотке транс- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
б) |
форматора. Количество пульсаций вы- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прямленного напряжения за период |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2лm |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
напряжения сети mп = 3. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.8 |
|
|
|
Точки а, b, с, в которых происхо- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дит смена проводящих ток диодов, на- |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
зывают точками естественной коммутации. |
|||||||||||||||||||
Среднее значение выпрямленного напряжения Uср = 1,17·U2ф. |
|||||||||||||||||||
Коэффициент пульсаций kп = 0,25. |
|
|
|
||||||||||||||||
Так как диоды работают поочередно, ток через один диод IVD ср = |
1 |
Iн ср. |
|||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
||
Полная мощность трансформатора ST =1,35 Рd .
Действующее значение тока вторичной обмотки I2 = 0,577·Iн ср.
|
|
w |
|
|
U ф |
|
Фазный коэффициент трансформации k |
= |
1 |
= |
|
1 |
, где: U1ф, U2ф - дей- |
|
|
|||||
12ф |
|
w2 |
|
U 2ф |
||
|
|
|
||||
ствующие значения фазных напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Пример 6.4. Определить сопротивление нагрузки Rн в трехфазной схеме выпрямления с нулевым выводом, если напряжение в сети Uс = 220 В, коэффи- циент трансформации трансформатора k12= 2, ток через диод IVD ср= 50 мА.
Решение. Принимаем схему соединения обмоток трансформатора Y/Y (рис.6.8).
- 101 -
|
|
|
|
|
Электротехника и электроника |
|
|
|
|||||||
|
Напряжение питающей сети Uс - линейное напряжение поступает на выво- |
||||||||||||||
ды первичной обмотки трансформатора U1л = Uс = 220 В. |
|
|
|
||||||||||||
|
Для схемы «звезда» фазное напряжение U |
1Ф |
= U1Л = 220 = 127 В. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Фазное напряжение вторичной обмотки U |
2ф |
= U1Ф = 127 = 63,5В. |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k12 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Среднее значение выпрямленного напряжения: |
|
|
|
|
||||||||||
|
Uср = 1,17·U2ф = 1,17·63,5= 74,3 В. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Среднее значение тока нагрузки Iн ср.= 3· IVD ср = 3·50= 150 мА= 0,15 А. |
|
|||||||||||||
|
Сопротивление нагрузки R = U ср |
= 74,3 = 495 Ом. |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
н |
Iн ср |
|
0,15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Мостовая схема выпрямления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Схема (рис. 6.9) содержит две вентильные группы: катодную VD1, VD2, |
||||||||||||||
VD3 и анодную VD4, VD5, VD6, которые соединены последовательно со сторо- |
|||||||||||||||
ны постоянного тока. Каждая из них повторяет работу трехфазной схемы с ну- |
|||||||||||||||
левым выводом. Нагрузка включена между общими точками d и e вентильных |
|||||||||||||||
групп. Напряжение на ней: uн = φd - φе. |
|
|
|
|
|
В каждый момент вре- |
|||||||||
|
|
|
|
|
VD4 VD5 VD6 e |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
мени работают два диода: |
|||||||
A |
Т |
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
один – |
из катодной группы, |
||
|
u2a |
|
|
|
|
|
|
|
|
второй – из анодной. |
При |
||||
|
|
|
b |
|
|
R |
|
u |
|
||||||
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
этом в катодной группе от- |
||||||
|
u2b |
|
c |
|
|
н |
|
|
н |
крывается |
диод фазы, на- |
||||
C |
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
пряжение |
которой |
наи- |
||
|
u2c |
|
VD1 VD2 |
VD3 |
|
|
|
большее и положительное; |
|||||||
|
|
|
н |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
в анодной |
группе – |
диод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фазы, |
напряжение которой |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Рис. 6.9 |
|
|
|
|
|
|
наибольшее и отрицатель- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ное. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На интервале [а - с´] (рис. 6.10) напряжение фазы а - u2а наибольшее и по- |
||||||||||||||
ложительное, а напряжение фазы b - u2b наибольшее и отрицательное. Открыты |
|||||||||||||||
диоды: VD1 - катодной группы и VD5 – |
анодной группы вентилей. Тогда потен- |
||||||||||||||
циал точки d φd=u2a, а потенциал точки е φе= u2b; Напряжение на нагрузке: |
|
||||||||||||||
|
uн= (u2а.- u2b) = u2аb – |
линейное напряжение. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ток нагрузки i |
н |
= uн |
протекает по цепи: а → VD1 → Rн → VD5 → b. |
|
||||||||||
|
|
|
Rн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На интервале [с´ - b] напряжение фазы а - u2а наибольшее и положительное, |
||||||||||||||
а напряжение фазы с - u2с наибольшее и отрицательное. Открыты диоды: VD1 - |
|||||||||||||||
катодной группы и VD6 – анодной группы вентилей. Тогда потенциал точки d |
|||||||||||||||
φd=u2a, а потенциал точки е φе= u2с. Напряжение на нагрузке: |
|
|
|||||||||||||
|
uн= (u2а.- u2с) = u2ас. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Ток протекает по цепи: а → VD1 → Rн → VD6 → с. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
- 102 - |
|
|
|
|
|
|
|
||
6. Выпрямители
u2 |
u2a |
u2b |
u2c |
u2a |
a |
b |
c |
|
a U |
0 |
π |
|
2π |
2фm ω t |
|
|
|
|
|
|
c' |
a' |
b' |
c' |
Т
uн 
VD1 |
VD2 VD3 |
VD1 |
ω t |
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VD5 VD6 |
VD4 |
VD5 |
|
||
Таким образом, потенциал точки d изменяется по положительной огибаю- щей кривой фазных напряжений (вклю- чаются диоды VD1, VD2, VD3), потенци- ал точки e - по отрицательной огибаю- щей кривой фазных напряжений (откры- ваются диоды VD4, VD5, VD6), а мгно- венное напряжение на нагрузке uн - по огибающей линейных напряжений. Ко- личество пульсаций выпрямленного на- пряжения за период напряжения сети:
mп = 6.
uн |
uab uac ubc uba uca ucb |
|
Среднее |
значение |
выпрямленного |
|
|
|
|
|
напряжения для катодной и анодной |
||
|
|
|
|
групп определяется как в схеме выпрям- |
||
|
|
|
|
ления с нулевым выводом. При их по- |
||
0 |
|
|
ω t |
следовательном соединении со стороны |
||
|
|
постоянного |
тока получаем выходное |
|||
uVD1 |
|
|
|
|||
|
|
ω t |
напряжение в 2 раза |
больше, чем его |
||
0 |
|
|
||||
|
|
|
значение для нулевой схемы выпрямле- |
|||
|
|
|
|
|||
|
uab |
uac |
|
ния: |
|
|
|
|
Uср = 2,34·U2ф. |
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
U2лm |
|
Коэффициент пульсаций kп = 0,057. |
||
|
|
|
|
Диоды работают попарно поочеред- |
||
|
Рис. 6.10 |
|
|
но. Ток iн в |
каждый |
момент времени |
|
|
|
протекает через пару диодов (один из ка- |
|||
|
|
|
|
|||
тодной, второй из анодной группы). Так как диоды в вентильных группах |
||||||
работают поочередно, то каждый из них проводит ток лишь треть периода. Ток |
||||||
через один диод IVD ср = 1 Iн ср. 3
Максимальное обратное напряжение диода UVD обр.m = U2л m. Полная мощность трансформатора ST =1,05 Рd .
Действующее значение тока вторичной обмотки I2 = 0,817·Iн ср.
Пример 6.5. Определить параметры трансформатора в трехфазной мосто- вой схеме выпрямления: фазные и линейные напряжения и токи обмоток, пол- ную мощность, а также коэффициент трансформации, если среднее значение выпрямленного напряжения Uср = 24 В, напряжение питающей сети Uс= 220 В, сопротивление нагрузки Rн = 200 Ом.
Решение. Принимаем схему соединения обмоток трансформатора Y/Y (рис. 6.9). Напряжение питающей сети Uс – линейное напряжение поступает на выводы первичной обмотки трансформатора U1л = Uс = 220 В.
Для схемы «звезда» фазное напряжение первичной обмотки:
U1Ф = U1Л = 220 =127 В. 
3 
3
- 103 -
|
|
|
|
|
Электротехника и электроника |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Среднее значение выпрямленного напряжения Uср = 1,17·U2ф, откуда фазное |
||||||||||||||||||||||||||||
напряжение вторичной обмотки U |
|
|
= |
U |
ср |
|
= |
|
24 |
= 10,25 В. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
2ф |
2,34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2,34 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Для схемы соединения “ звезда” |
линейное напряжение вторичной обмотки: |
|||||||||||||||||||||||||||
U2л = |
3 U2ф = |
3 ·10,25= 17,75 В. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Среднее значение тока нагрузки Iн ср |
= |
U |
ср |
= |
24 |
|
= 0,12 |
А. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
Rн |
|
200 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Действующее значение фазного и линейного тока вторичной обмотки (для |
||||||||||||||||||||||||||||
схемы соединения “ звезда”): I2л = I2ф = 0,817·Iн ср= 0,817·0,12= 0,1 А. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Полная мощность трансформатора: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ST = 1,05 Рd = 1,05 U cp Iн ср = 1,05 24 0,12 = 3,03 ВА. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Действующее значение фазного и линейного тока первичной обмотки (для |
||||||||||||||||||||||||||||
схемы соединения “ звезда”): |
I1л = I1ф |
|
= |
|
ST |
|
|
= |
|
3,03 |
|
= 0,008 |
А. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
3U1ф |
|
3 |
127 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Коэффициент трансформации k |
|
= |
U1ф |
|
= |
|
127 |
= 12,4 . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
U 2ф |
|
|
|
10,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
6.1.5. Сглаживающие фильтры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Для улучшения гармонического состава выпрямленного напряжения (фор- |
||||||||||||||||||||||||||||
мы выходного напряжения) устанавливаются сглаживающие фильтры. Назна- |
||||||||||||||||||||||||||||
чение фильтра: пропустить на выход постоянную составляющую выпрямлен- |
||||||||||||||||||||||||||||
ного напряжения и максимально ослабить его переменную составляющую. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Действие сглаживающих фильтров основано на использовании в цепи |
||||||||||||||||||||||||||||
реактивных индуктивного L и емкостного C элементов, которые способны при |
||||||||||||||||||||||||||||
подключении к источнику накапливать энергию, и отдавать ее в нагрузку при |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Lф |
iн |
|
|
|
|
уменьшении |
(прекращении) |
поступления |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
энергии от источника. Этим обеспечивается |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
равномерность |
|
|
поступления |
энергии |
в |
|||||||||||||||
uв |
|
|
uн |
R |
|
|
|
нагрузку. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
Для |
|
|
|
мощных |
приемников |
при |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a) |
|
значительных токах нагрузки и количестве |
||||||||||||||||||||
u |
|
uв |
|
|
|
|
|
пульсаций m ≥ 2 обычно используют ин- |
||||||||||||||||||||
|
|
|
uн |
|
|
дуктивный фильтр - сглаживающий реак- |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
тор или дроссель (индуктивная катушка с |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
ω |
t |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
||
0 |
π |
2π |
|
3π |
|
|
ферромагнитным сердечником) L , который |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
включается |
последовательно |
с нагрузкой |
||||||||||||||||||||||
uL, |
|
iн |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
(рис. 6.11,а). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
iн |
π |
2π |
|
3π |
ω |
t |
|
|
|
|
|
Индуктивное |
сопротивление фильтра |
|||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
XL= ωLФ пропорционально частоте. Для по- |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
uL |
б) |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
стоянной |
|
|
составляющей |
выпрямленного |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
тока (частота тока f = 0 и угловая частота |
||||||||||||||||||||
|
|
Рис. 6.11 |
|
|
|
|
ω=2π f= 0) XL = 0 и увеличивается при воз- |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 104 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Выпрямители |
|
|
|
|||||
растании частоты тока. Так как XL обычно значительно больше сопротивления |
||||||||||||||||||
нагрузки Rн, переменные составляющие выделяются на дросселе (рис. 6.11,б): |
||||||||||||||||||
|
uL = uв – |
uн. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Индуктивность фильтра: LФ |
= Rн q2 − 1 , где q - коэффициент сглажива- |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kω |
|
|
|
|
|
|
|
ния - отношение коэффициента пульсаций kпвх на входе фильтра (выходе вы- |
||||||||||||||||||
прямителя) к коэффициенту пульсаций на его выходе kпвых для той же k-той |
||||||||||||||||||
гармоники напряжения: q = |
kпвх |
= |
U m(k )вх |
. |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kпвых |
U m(k )вых |
|
|
|
|
||||
|
Емкостный фильтр представляет собой конденсатор СФ, который |
|||||||||||||||||
включается |
параллельно |
нагрузке |
(рис. |
6.12,а). Емкостное |
сопротивление |
|||||||||||||
ХС=1/ωС обратнопропорционально частоте. Так как XС значительно меньше Rн, |
||||||||||||||||||
то постоянная составляющая выпрямленного тока поступает к нагрузке (при |
||||||||||||||||||
частоте f = 0, ω = 0, ХС = ∞), а переменные составляющие замыкаются через |
||||||||||||||||||
конденсатор, минуя нагрузку. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
VD |
|
iVD |
|
iн |
|
|
|
|
|
Рассмотрим работу однополупериод- |
||||||
|
|
|
|
iCз |
|
|
|
|
|
|
|
ной |
схемы |
выпрямления |
с |
емкостным |
||
|
|
|
|
|
iCр |
|
|
|
|
|
фильтром. |
|
|
|
||||
|
|
u |
|
+ |
|
u |
|
R |
|
|
|
|
||||||
|
|
C |
|
|
|
|
Если переменное напряжение источни- |
|||||||||||
|
u2 |
- |
|
Cф |
н |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
|
ка u2 возрастает и становится больше на- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a) |
|
|||||||
u, |
|
|
|
|
|
|
(Rн = ∞ |
|
пряжения на конденсаторе uc (интервалы |
|||||||||
|
|
uС=u |
|
|
) |
|
[0 - t1], [t2 - t3] на рис. 6.12,б) диод VD от- |
|||||||||||
i |
|
|
|
|
н |
|
|
uн |
|
|
крыт, через него протекает ток iVD, который |
|||||||
|
i |
|
|
uC |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Cз π |
|
|
|
|
|
|
распределяется между нагрузкой и конден- |
||||||||||
0 |
|
u2 |
2π |
|
3π |
|
ω |
t |
|
сатором: |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iVD = iн + iCз, |
|
|
|||||
|
|
|
|
iCр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
iн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где iн – ток нагрузки, iCз – |
ток заряда кон- |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
денсатора. |
|
|
|
||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|||||
|
t1 |
|
|
|
t2 |
t3 |
|
|
Конденсатор заряжается |
до значения |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
Uc ≈ |
U2m. Энергия, накопленная конденса- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|||||||
|
|
|
|
Рис. 6.12 |
|
|
|
|
|
тором, определяется выражением: |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C U 2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W = |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2m . |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Начиная с момента t = t1, напряжение u2 уменьшается, uС становится больше |
|||||||||||||||||
напряжения u2 - диод запирается (потенциал катода выше потенциала анода). |
||||||||||||||||||
Нагрузка и конденсатор отключены от источника. Конденсатор разряжается че- |
||||||||||||||||||
рез нагрузку (iCр – |
ток разряда), отдавая ей накопленную энергию и поддержи- |
|||||||||||||||||
вая в ней ток неизменного направления. При этом через Rн ток протекает не- |
||||||||||||||||||
прерывно, пульсации выпрямленного напряжения (uн = uС) значительно умень- |
||||||||||||||||||
шаются. Среднее значение выпрямленного напряжения Uср растёт. |
|
|||||||||||||||||
|
Пульсации тем меньше, чем меньше ток нагрузки - больше Rн (конденсатор |
|||||||||||||||||
медленнее разряжается). В случае Rн = ∞ |
|
(режим холостого хода) напряжение |
||||||||||||||||
UС = Uн = U2m, коэффициент пульсаций kп = 0. |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- 105 - |
|
|
|
|
|
|
Электротехника и электроника
С ростом нагрузки эффективность емкостного фильтра понижается. При больших токах сглаживание может быть достигнуто увеличением емкости кон- денсатора С фильтра, но требуемое значение С при этом составляет порядка 103…10 4 мкФ, что не всегда целесообразно. Для однополупериодной схемы
выпрямления: С = |
2 |
; для двухполупериодной: С = |
1 |
. |
|
|
|||
|
ωkп Rн |
2ωk R |
||
6.2.УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Врегулируемых электроприводах постоянного тока для регулирования вы- прямленного напряжения применяют управляемые выпрямители (УВ). Их структура полностью соответствует структуре неуправляемых выпрямителей, но в состав вентильной группы входят управляемые приборы – тиристоры, ко- торые позволяют при незначительных внутренних потерях и малой мощности управления управлять большими мощностями, подводимыми к нагрузке.
6.2.1. Тиристоры
Это переключающие приборы, обеспечивающие бесконтактную коммута- цию электрических цепей.
Трехэлектродный тиристор имеет три вывода: мощные анод (А) и катод
(К), и маломощный управляющий электрод (УЭ). Его обозначение на схемах приведено на рис. 6.13,а; буквенное обозначение VS (вентиль включающий, от английского слова switching - включение).
Iпр А |
Uпр |
|
|
|
|
При прямом включе- |
||||||
К |
|
|
|
нии тиристора и отсутст- |
||||||||
+ |
VS |
УЭ |
|
|
|
вии |
тока |
управления Iу |
||||
GB2 |
|
|
(выключатель |
S |
разомк- |
|||||||
Uип |
R |
|
||||||||||
Iу |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
нут), начальный |
участок |
|||||||
GB1 - |
S + |
- Uу |
н |
|
||||||||
|
a) |
|
вольт-амперной |
характе- |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ристики |
тиристора |
0-а |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Iпр, |
А |
|
|
|
(рис. 6.13,б) аналогичен |
|||||
|
|
Iпр |
в |
|
|
|
обратной ветви ВАХ дио- |
|||||
|
|
|
|
|
|
да. Тиристор заперт. |
|
|||||
|
|
|
б Iу отп Iу> 0 I = 0 |
|
Регулируя |
напряже- |
||||||
Uобр, Uобр max |
|
Iуд |
|
|
у а |
Uпр, |
ние на выводах аккумуля- |
|||||
|
|
|
|
торной батареи с элемент- |
||||||||
В |
|
0 Uпр |
Uпер1 |
Uпер |
В |
ным |
коммутатором |
GB1, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
увеличим |
прямое |
напря- |
|||
|
|
Iобр, |
мкА |
|
б) |
|
жения Uпр до величины |
|||||
|
|
|
|
напряжения переключения |
||||||||
|
Рис. 6.13 |
|
|
|
Uпер - тириcтор переходит |
|||||||
|
|
|
|
в |
открытое |
состояние |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(участок б-в). Напряжение на тиристоре уменьшается, его сопротивление пада- ет практически до 0, а прямой ток определяется параметрами внешней цепи:
Iпр= Uип / Rн,
где Uип – напряжение на выводах источника питания GB1,
- 106 -
6. Выпрямители
Rн - сопротивление нагрузки.
Значение Uпер можно уменьшить, если подать на УЭ ток управления Iу от источника GB2 (S замкнут) по цепи УЭ - К. Так, при Iу1 > 0 напряжение пере- ключения снижается до Uпер1. Регулируя напряжение Uу на выводах аккумуля- торной батареи GB2, увеличиваем ток управления; Uпер при этом уменьшается. При определенном значении тока Iу = Iу отп (отпирающий ток) тиристор включа- ется независимо от значения приложенного к нему напряжения Uпр (происходит спрямление ВАХ).
После включения тиристора ток Iу не оказывает воздействие на прямой ток Iпр, то есть Iу может быть кратковременным импульсом, длительность которого больше времени включения тиристора.
Тиристор остается во включенном состоянии, пока его ток не станет мень- ше тока удержания Iуд. Отсюда следует, что выключить тиристор можно или отключив источник GB1 (Uпр = 0), или поменяв его полярность на обратную (что имеет место в цепях переменного тока). При этом Iпр спадает до 0 и через некоторое время (восстановления запирающих свойств) tвос.= 10…100 мкс тири- стор вновь готов к работе.
При обратном включении тиристор заперт, обратная ветвь ВАХ подобна аналогичной ветви диода, то есть тиристор не пропускает ток в обратном на-
правлении. |
|
|
|
Вывод: тиристор – |
полууправляемый переключающий прибор. |
||
Как и диоды тиристоры изготавливают в штыревом (рис. 6.14,а) и табле- |
|||
|
|
точном (рис.6.14,б) исполнении. Отличие - в |
|
|
|
наличии дополнительного маломощного выво- |
|
|
|
да - управляющего электрода. |
|
|
|
Основные параметры, определяющие вы- |
|
|
|
бор тиристоров: |
|
|
|
- Iпр |
ср max, А - максимально допустимое |
|
|
среднее значение прямого тока; |
|
а) |
б) |
- Uобр max, В - максимально допустимое об- |
|
Рис. 6.14 |
|
ратное напряжение. |
|
|
|
Для тиристоров: |
|
Iпр ср max = 1…1000 |
А, Uобр max = 50…4000 |
В. |
|
Параметры цепи управления: |
|
||
Iу отп = 0,1...1,5 А при напряжении управления Uу = 2...10В.
Следовательно, тиристоры позволяют за счет малой мощности управления (до 1,5·10=15Вт) управлять включением мощных цепей (до 1000·4000=4·106 Вт).
Пример условного обозначения тиристора: Т171-320-10-6,
где Т – тиристор; 171 - конструктивное исполнение (номер модификации, условное обозначение
размера, условное обозначение конструктивного исполнения: 1 – штыревой, 3 – таблеточный);
ток Iпр ср max = 320 А;
10 – класс по напряжению в сотнях вольт. Напряжение Uобр max = 10·100=1000 В;
- 107 -
Электротехника и электроника
критическая скорость нарастания напряжения dU / dt в закрытом состоянии –
500В/мкс (6-я группа по ГОСТ 20859-79).
Вмощных УВ в тиристорах выделяется тепло, обусловленное:
а) прямым падением напряжения в открытом состоянии Р = Uпр·Iпр (стати- ческое тепло);
б) тепло, выделяемое в процессе коммутации: переходные процессы, обу- славливают дополнительные потери энергии.
Для отвода тепла тиристоры устанавливают на специальные охладители.
6.2.2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель
Его можно получить заменой в схеме неуправляемого выпрямителя диодов VD на тиристоры VS (рис. 6.15,а).
В однофазном мостовом неуправляемом выпрямителе отпирание диодов осуществляется в моменты измененияполярности напряжения u2 когда ω t = {0;
π ; 2π ; 3π и т.д.}. Эти моменты называют точками естественной коммутации.
Длительность проводящего состояния VD фиксирована и составляет половину периода. При этом среднее значение выпрямленного напряжения:
Ucp = Ud = U0 = 0,636 U2m = 0,9 U2.
В отличие от диода VD тиристор VS в положительный полупериод не от- крывается до подачи импульса напряжения uимп на управляющий электрод, что
|
|
а |
u2 |
n |
|
позволяет задерживать начало про- |
|||||||
|
|
|
хождения тока через тиристор по |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
uимп14 |
|
VS1 |
|
VS2 |
|
отношению |
к моменту |
естествен- |
|||||
|
|
uимп23 |
ной коммутации. Задержка на |
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
uимп23 |
|
VS3 |
|
|
|
включение тиристора определяется |
|||||||
|
|
VS4 |
uимп14 |
углом α |
(рис. 6.15,б), который от- |
||||||||
|
|
i |
R |
|
|
считывается от точки естественной |
|||||||
|
|
|
|
коммутации |
и |
называется |
углом |
||||||
|
|
н |
н |
|
|
||||||||
|
|
|
uн |
|
a) |
отпирания. |
|
|
|
|
|
||
|
uимп14 |
|
Управление |
тиристорами |
вы- |
||||||||
u |
uимп23 uимп14 |
прямителя |
осуществляется |
мало- |
|||||||||
|
|
|
|
|
мощной электронной системой им- |
||||||||
|
|
|
|
|
u2 |
||||||||
|
|
|
|
|
пульсно-фазового |
управления |
|||||||
0 |
|
|
|
|
ω t |
(СИФУ). Она обеспечивает форми- |
|||||||
α |
π |
π+α |
2π |
3π |
|||||||||
|
рование |
управляющих |
импульсов |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
uимп. Фаза импульсов (угол α ) из- |
|||||||
u |
|
|
|
U |
|
меняется |
при регулировании |
на- |
|||||
|
|
|
|
пряжения управления uУ на входе |
|||||||||
н |
|
|
|
ср |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
0 |
|
|
|
|
ω t |
СИФУ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
π |
|
2π |
3π |
Схема выпрямителя содержит |
||||||||
|
|
|
|||||||||||
i |
|
|
|
|
|
четыре |
тиристора VS1… VS4, |
к |
|||||
|
|
|
|
|
управляющим электродам которых |
||||||||
н |
|
|
|
|
ω t |
||||||||
0 |
|
π |
|
2π |
подключены выходы СИФУ. На- |
||||||||
|
|
3π |
|||||||||||
|
|
|
Рис. 6.15 |
б) |
грузка - резистор с сопротивлением |
||||||||
|
|
|
|
Rн. |
|
|
|
|
|
|
|||
- 108 -
6. Выпрямители
На интервале [0 - α ] тиристоры схемы закрыты и напряжение на нагрузке
uн = 0. В момент ω t = α подачи импульса uимп14 на тиристоры VS1 и VS4 они от- крываются, напряжение u2 подается на нагрузку, напряжение uн скачком воз-
растает и далее uн=uв=u2 (рис. 6.15,б). Ток iн = uн повторяет форму выпрям-
Rн
ленного напряжения.
В момент ω t = π начинается отрицательный полупериод, напряжение u2 из- меняет знак и становится обратным для тиристора, ток iн уменьшается до нуля
– тиристоры VS1 и VS4 запираются и ток в обратном направлении не проводят (как и диод). Выключение (коммутация) тиристоров обратным напряжением сети переменного тока называется естественной коммутацией.
В момент ω t = (π +α ) подаются импульсы uимп23 на тиристоры VS2 и VS3 - они открываются, напряжение u2 подается на нагрузку. Далее процесс повторя- ется.
С увеличением угла отпирания время открытого состояния тиристоров со- кращается, соответственно уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке Ud = Uср. При α = π Uср = 0. Ток имеет прерывистый характер. С увеличением угла α бестоковые паузы возрастают.
Таким образом, в тиристорном УВ регулирование выпрямленного напря- жения осуществляется не за счет изменения амплитуды напряжения U2m , подведенного к выпрямителю, а за счет изменения времени, на которое нагруз- ка подключается к питающей сети в каждом периоде.
Ucp /U0 |
|
|
|
Регулировочная |
характеристика |
||||||
|
|
|
УВ при работе на активную нагрузку |
||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
- зависимость Ud α = Uср(α ) = f(α ); опре- |
|||||||
0,5 |
|
|
|
деляется выражением: |
|
|
|||||
|
|
|
U ср (α) = |
1 |
T |
|
1 + cos α |
|
|||
|
|
|
|
∫ uн dt = U 0 |
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
T |
0 |
2 |
|
|
|||
0 |
|
|
α |
Таким образом, |
изменением |
угла |
|||||
|
|
|
отпирания α в пределах от 0 до π |
(рис. |
|||||||
π/6 π/3 π/2 2π/3 5π/6 |
π |
||||||||||
|
|||||||||||
|
Рис. 6.16 |
|
|
6.16) можно регулировать Uср от мак- |
|||||||
|
|
|
симального значения Uср = U0 до 0. Зна- |
||||||||
|
|
|
|
||||||||
чение U0 определяется для соответствующей схемы неуправляемого выпрями- |
|||||||||||
теля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 6.6. Определить диапазон регулирования выходного напряжения однофазного мостового управляемого выпрямителя, если U1=220 В, w1=300, w2=100.
Решение. Регулирование выходного напряжения осуществляется измене- нием угла отпирания от 0 до 180º.
При α = 0 среднее значение выпрямленного напряжения Uср(0) = U0, которое определяется так же, как для схемы неуправляемого выпрямителя U0 = 0,9·U2.
Определяем коэффициент трансформации: k |
= |
w1 |
= |
300 |
= 3 |
|
|
||||
12 |
w2 |
100 |
|
||
|
|
|
|||
- 109 - |
|
|
|
|
|