Лекции 5-6 - Конспекты

ГЛАВА 5ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И ФИЛЬТРЫСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 5СОДЕРЖАНИЕ5.1 Общие сведения о выпрямительных устройствах ...................................... 35.2 Трансформаторы в выпрямительных устройствах .................................... 55.3 Неуправляемые выпрямители напряжения .............................................. 255.3.1 Общие замечания ............................................................................................ –5.3.2 Однофазные выпрямители ............................................................................

265.3.3 Многофазные выпрямители .......................................................................... 495.3.4 Обеспечение надёжной работы диодов ........................................................ 605.3.5 Высокочастотные выпрямители ................................................................... 615.3.6 Умножители напряжения ..............................................................................

635.3.7 Сглаживающие фильтры ............................................................................... 655.3.8 Бестрансформаторные схемы выпрямления напряжения ........................... 755.4 Управляемые выпрямители напряжения ..................................................

805.5 Основы и порядок проектирования выпрямительных устройств ......... 932Электропитание РЭАГлава 55.1 Общие сведения о выпрямительных устройствахВыпрямитель – это электротехническое устройство, входящее, какправило, в состав источника электропитания (ИЭП), предназначенное дляпреобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока(рисунок 5.1).Рисунок 5.1 – Идеальный выпрямитель в составе ИЭПИсторически необходимость в выпрямительных устройствах возникла нарубеже XIX и XX веков, когда появились электро- и радиоприборы, требующиепостоянного напряжения электропитания, тогда как промышленная сеть, какизвестно,былапеременноготока,априменениеаккумуляторовигальванических батарей, очевидно, оказалось экономически затратным.Выпрямители принято классифицировать по ряду признаков.1. По возможности управления уровнем напряжения: неуправляемые(осуществляют только преобразование знака напряжения) и управляемые(преобразуют не только знак, но и уровень напряжения).2.Почислуфазисточникапеременноготока:однофазныеимногофазные.3.

По типу выпрямительного элемента: ламповые (кенотронные),полупроводниковые, газотронные и т. д.4. По величине выпрямленного напряжения: низкого напряжения (менее1000 В) и высокого (свыше 1000 В).5. По уровню выходной мощности: маломощные (менее 600 Вт), среднеймощности (до 100 кВт) и большой мощности (свыше 100 кВт).3Электропитание РЭАГлава 56. По числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленногонапряжениязапериодпитающегонапряжения:однополупериодные,двухполупериодные, m-полупериодные.7. По назначению: бытовые, промышленные, специальные.Выпрямитель можно представить в виде структурной схемы (рисунок5.2), в которую входят: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ,сглаживающий фильтр СФ и цепь нагрузки Н.Рисунок 5.2 – Структура типового выпрямителяСТ – силовой трансформатор; ВБ – выпрямительный блок; СФ – сглаживающий фильтр;Н – цепь нагрузкиСиловой трансформатор служит для согласования входного и выходногонапряженийвыпрямителя.трансформатораВозможнысоответственносразличныеразличнымисоединениясхемамиобмотоквыпрямления.Напряжение вторичной обмотки трансформатора U2 определяет значениевыпрямленного напряжения Uср.

Трансформатор позволяет одновременногальванически развязать питающую сеть и цепь нагрузки.Отметим, что в последнее время в связи с появившейся возможностьюразрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие навысокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети,используют беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильныйблок присоединяют непосредственно к первичной питающей сети.Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичноенапряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока.В вентильном блоке используют, как правило, полупроводниковые диоды илисборки на их основе.

На выходе вентильного блока получают знакопостоянное4Электропитание РЭАГлава 5напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фазпитающей сети и выбранной схемой выпрямления.Сглаживающий фильтр обеспечивает требуемый уровень пульсациивыпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве фильтра используютпоследовательновключаемыерезисторилидроссельипараллельновключаемые конденсаторы. Иногда сглаживающий фильтр строят по болеесложным схемам.Выпрямители имеют следующие основные параметры.1.Среднеезначениевыходногонапряженияuвых(постояннаясоставляющая):T1U ср   uвых dt ,T0(5.1)где Т − период напряжения на входе.2. Среднее значение выходного тока iвыx (постоянная составляющая):T1I ср   iвых dt .T0(5.2)3.

Коэффициент пульсации выходного напряжения:KП Um,U ср(5.3)где Um – амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения.Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.Указанные параметры являются наиболее важными при использованиивыпрямителя.Припроектированиивыпрямителейширокоприменяюттакжеследующие параметры, характеризующие их внутренние особенности.1.

Действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя.2. Максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном вентиле.Это напряжение принято выражать через напряжение Uср.3. Среднее значение Iд.ср тока отдельного вентиля.5Электропитание РЭАГлава 54. Максимальное (амплитудное) значение Iд.макс тока отдельного вентиля.Токи Iд.ср и Iд.макс принято выражать через Iср.

Значение Uобр.макс используютдля выбора вентиля по напряжению. Значения Iд.ср и Iд.макс используют длявыбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малойтепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти изстроя даже в том случае, когда его средний ток Iд.ср мал, но великмаксимальный ток Iд.макс.Вслучаеесливвыпрямительномустройствеиспользуетсятрансформатор, то к перечисленным выше параметрам добавляются параметры,определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряженияна вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока вовторичной обмотке трансформатора, PT – расчётная (габаритная) мощностьтрансформатора.Такимобразом,задавшисьзначениемнапряжениянавыходевыпрямителя Uср и значением номинального тока в нагрузке (среднимзначением выпрямленного тока) Iср, можно определить напряжение вторичнойобмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимыйток вентилей и обратное напряжение на вентилях.

Определение перечисленныххарактеристик выпрямительного устройства обычно называют его расчётом.5.2 Трансформаторы в выпрямительных устройствахИсторически прослеживается закономерность применения совместно свыпрямителями силовых трансформаторов. Это обусловлено главным образомтем, что основным источником электроснабжения является промышленная сетьпеременного тока 220 В 50 Гц, а та или иная радиоэлектронная аппаратура(РЭА) требует преимущественно низковольтного электропитания постояннымтоком.

Ранее такое преобразование электроэнергии широко осуществляли спомощью линейных ИЭП, в которые, как раз, и входили трансформаторныевыпрямители.6Электропитание РЭАГлава 5Совместное применение силового трансформатора и выпрямителятребует соответствующих расчётов напряжений и токов как в цепяхвыпрямителя,такивобмоткахтрансформатора.Рассмотримдалееэлектромагнитные процессы, протекающие в силовом трансформаторе, а такжеего расчёт.В общем случае расчётные мощности P1 и P2 обмоток трансформатораопределяются кажущейся мощностью обмоток переменного тока:P1  m1U1I1 ,(5.4)P2  m2U 2 I 2 ,(5.5)где m1, m2 – число фаз на первичной и вторичной стороне трансформатора; U1 иU2 – действующие значения напряжения на первичной и вторичной сторонетрансформатора соответственно; I1 и I2 – действующие значения тока напервичной и вторичной стороне трансформатора соответственно.Расчётная (типовая) мощность трансформатора PT равна полусуммерасчётных мощностей обмоток.

В случае двух обмоток расчётная мощностьможет быть найдена как:PT P1  P2.2(5.6)Расчётные мощности определяют расход активных материалов (стали,меди),необходимыхдляразработкитрансформатора.Силовыетрансформаторы для ИЭП изготавливают на мощности от долей вольт-ампер додесятков тысяч киловольт-ампер.В идеальном трансформаторе ток в первичной обмотке не может течь,если цепь вторичной обмотки разомкнута.В реальном же трансформаторе, когда вторичная обмотка разомкнута,создаётся режим холостого хода (рисунок 5.3).

При равенстве вторичного токанулю,электродвижущаясила(ЭДС) индукции в первичной обмоткепрактически полностью компенсирует напряжение на входе, поэтому ток,протекающийчерезпервичнуюобмотку,7равенпеременномутокуЭлектропитание РЭАГлава 5намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора ссердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала,трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь всердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощностьперемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить,умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение,подаваемое на трансформатор. Для трансформатора без ферромагнитногосердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого ходаопределяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, котороепропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.Рисунок 5.3 – Трансформатор в режиме холостого ходаU1 – действующее значение напряжения сети; I0 – ток холостого хода в первичной обмотке;Ф0 – переменный магнитный поток; W1 и W2 – первичная и вторичная обмоткисоответственно; RН – сопротивление нагрузкиИтак, при подключении первичной обмотки к сети с действующимзначением напряжения U1 через неё протекает ток холостого хода I0.

Этот токпо закону Фарадея возбуждает в сердечнике трансформатора переменныймагнитный поток Ф0, который пронизывает витки первичной и вторичнойобмоток и индуцирует в каждой из них ЭДС:1  W1dФ0,dt(5.7) 2  W2dФ0,dt(5.8)где W1 и W2 – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно.8Электропитание РЭАГлава 5Если сердечник не насыщен, то Ф0 изменяется по синусоидальномузакону:Ф0  Фмакс sin t ,(5.9)где Фмакс – максимальная амплитуда магнитного потока.Тогда ЭДС в первичной обмотке будет иметь вид1  W1Фмакс cos t  E1m sin  t   ,2(5.10)где E1m – максимальная амплитуда ЭДС в первичной обмотке.Действующее значение ЭДС найдём какE1 E1m 2W1 f сФмакс 4,44W1 f сФмакс .22(5.11)где fc – частота питающей сети.Аналогично получим ЭДС и для вторичной обмотки:E2  4, 44W2 f сФмакс .(5.12)Поделив (5.11) на (5.12), получим коэффициент трансформации:E1 W1 n.E2 W2(5.13)Отметим, что в идеальном трансформаторе отсутствуют потери энергиина гистерезис, вихревые токи и потоки рассеяния обмоток.

Также считается,что магнитный поток Ф, создаваемый первичной обмоткой, полностьюохватывается вторичной обмоткой. В этом случае говорят, что коэффициентсвязи обмоток равен единице.В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через всевитки обеих обмоток, и, поскольку изменяющееся магнитное поле порождаетодну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке,пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всюпоступающую электроэнергию из первичной цепи трансформирует в магнитноеполе и затем в электроэнергию вторичной цепи. В этом случае поступающаяэлектроэнергия равна преобразованной энергии:9Электропитание РЭАГлава 5P1  U1I1  P2  U 2 I 2 .(5.14)Отсюда получим уравнение идеального трансформатора:E2 I1 W2  n.E1 I 2 W1(5.15)В реальном трансформаторе кроме основного потока Ф0 существует ещёслабый поток рассеяния ФS, замыкающийся по воздуху.