Контрольные вопросы и задачи

1. Из каких функциональных блоков в общем случае состоит выпрямитель?

2. Какие схемы однофазных выпрямителей Вам известны?

3. По каким параметрам выбираются диоды в схеме выпрямителя?

4. Почему расчётная мощность трансформатора больше «полезной» мощности нагрузки выпрямителя?

5. Вывести зависимость действующего значения входного тока однофазного выпрямителя от среднего значения тока нагрузки, когда ток нагрузки идеально сглажен?

6. Вывести выражение для установленной мощности трансформатора в схеме выпрямителя Рис.2.2 при идеально сглаженном токе нагрузке.

7. То же для схемы на Рис.2.3.

8. Для схемы Рис.2.2 рассчитать значения I_a, U_bmax при I_d=2А и U_d=220В.

9. Для схемы Рис.2.3 рассчитать значения I_a, U_bmax при I_d=5А и U_d=24В.

10. Для условий задачи п.8 рассчитать К_т при U₁=220В.

11. Для условий задачи п.9 рассчитать К_т при U₁=127В.

12. Вычислить напряжение на нагрузке в схеме Рис.2.2, если Е₂ = 50 в.

3. Сглаживающие фильтры.

Э.д.с. e_d вентильного комплекта выпрямителя содержит посто-янную (полезную) E_do и переменную (паразитную) составляющие. Качество e_d тем выше, чем меньше амплитуда пульсаций в выход-ном напряжении (либо в токе нагрузки i_d).

Снижение уровня пульсаций на выходе выпрямителей возмож-но за счёт увеличения фазности m и за счёт сглаживающих фильтров. Последние широко используются в источниках питания цепей постоянного тока современного электрообору-дования, в том числе и в изделиях СПТ.

3.1 Высшие гармонические в э.Д.С. Выпрямителя.

Выпрямленная э.д.с. e_d(t) m-фазного выпрямителя представля-ет собой периодическую функцию, которую можно разложить в ряд Фурье, физически представив в виде суммы из соединённых последовательно источников постоянной E_do и бесконечного ряда синусоидальных э.д.с., т.е. в виде

(3-1)

где _с=2f_c – круговая частота сети, а E_{km мax} и _km - амплитуда и начальная фаза гармонической составляющей.

Для выпрямителей на диодах значение амплитуды E_{km max}

определяется лишь косинусными коэффициентами Фурье

(K^*_km= 2/(k² m²-1) (3-2)

где E₂-действующее значение переменного напряжения на входе вентильного комплекта,

E_do=^m/_Sin^/_m2E₂ – среднее значение выпрямленной э.д.с.,

km- номер гармоники, k=1,2,3,…- натуральный ряд чисел, m-число фаз выпрямителя и

К^*_km – коэффициенты Фурье, вычисляемые по выражению (3-2)

С увеличением m спектр частот периодической функции е_d(_сt) становится более редким. Исчезают наиболее низкие по частоте гармоники, сильнее всего искажающие «гладкую» форму вы-прямленного напряжения. Для подтверждения сказанного, в таблице 1 приведены номера первых и ближайших к ним после-дующих гармоник, а также значения соответствующих им относительных амплитуд E_{1m мах}/ E_do = K^*_1m (коэффициентов Фурье) для 2-х, 3-х, 6-ти, 12-ти и 24-х фазных выпрямителей, вычисленные по выражению (3-2).

Таблица 1

Число фаз выпрямителя и форма э.д.с. еd	Спектр гармоник km и K
m=2	2;4;6;10;12;14;16; 18;20;22;24; и т.д. 0,666 0,057 0,014 0,0035
m=3	3;6;9; 12; 15; 18: 21; 24; и т.д. 0,25 0,057 0,014 0,0035
m=6	6;12;18;24;30; 36;42; 48; и т.д. 0,057 0,014 0,0035 0,0015 0,00087
m=12	12; 24; 36; 48; 60; 72; и т.д. 0,014 0,0035 0,0015 0,00087
m=24	24; 48;72; и т.д. 0,0035 0,00087

С исчезновением наиболее низких по частоте гармоник увели-чивается частота и уменьшается размах пульсации в выпрямлен-ном напряжения е_d(_сt). Это подтверждают и формы графиков на-пряжений m-фазных выпрямителей в первом столбце таблицы 1, показанные, начиная с m=2 до m=12. Для m=24 график не при-водится, из-за незначительности амплитуды пульсации основной гармоники на выходе такого выпрямителя (E_1max = 0,0035E_do).

Увеличение m уменьшает переменные составляющие в спектре напряжения e_d, однако, такой путь сглаживания возможен лишь при наличии трёхфазных сетей. При m 12 он требует установки специального многообмоточного трансформатора и пропорцио-нального увеличения количества диодов. Выпрямители с m 12 используются лишь при создании источников постоянного тока (напряжения) большой мощности. В маломощных устройствах (от единиц до сотен ватт) применяются, как правило, однофазные или наиболее простые 3-х фазные схемы с фильтрами. В изделиях средней мощности (от единиц до сотен кВт) чаще всего использу-ется трёхфазная мостовая схема (m=6). И только на подстанциях при мощности в тысячу и более кВт находят применение много-фазные схемы, составленные из 2-х и более трёхфазных мостов и «фазосдвигающих» многообмоточных трансформаторов.

2. ТИПЫ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ.

При построении сглаживающих фильтров используют схемы из реактивных сопротивлений X_L=jL_ф и X_c= -j/C_ф, величина кото-рых зависит от частоты протекающего по ним тока. Некоторые из возможных вариантов таких схем показаны на Рис.3.1(aд).

Выражения для передаточных коэффициентов К_фа÷К_фд на частоте mω_c приведены ниже

Рис.3.1 Принципиальные схемы фильтров (а÷д) и соответствую-щие им логарифмические амплитудно-частотные характеристики .

1 Разработчиками серий были Горчаков В.В., Донской Н.В., Иванов А.Г., Кириллов А.А. и др. Руководил разработками в то время заместитель директора по научной работе Поздеев А.Д. Позже он становится директором ВНИИР, заведующим кафедрой САУЭП ЧГУ, академиком РАЕН.

2 Разработка преобразователей была выполнена под руководством Альтшуллера М.И.

3 Электромашинный генератор – это тоже преобразователь, но только механиче-ской энергии паровой или гидравлической турбины в электрическую энергию.

4 С введением стандарта на электромагнитную совместимость [12] на выходе вентильного комплекта начинают применять активный фильтр в виде схемы корректора коэффициента мощности (ККМ). Его принцип действия и схемы будут рассмотрены в гл.

5 Величина E_do определяет «высоту» в вольтах прямоугольника с осна-ванием t =  (точнее 2/m), площадь которого равна «вольсекундной» площади полуволны синусоиды вторичной э.д.с. E₂ (Рис.2.2в).

32