Лекции 5-6 - Конспекты, страница 10

Напряжение в сети и на мосте уменьшается по косинусоидальномузакону, а напряжение на конденсаторе С1 не меняется.Рисунок 5.43 – Временны́ е диаграммы работы бестрансформаторного ИЭП78Электропитание РЭАГлава 5Ток конденсатора останется нулевым до тех пор, пока напряжение надиодном мосте, сменив знак на противоположный, не достигнет значения -Uвых(момент t2). В этот момент появится скачком ток Ic1 через конденсатор С1 имост.

Начиная с момента t2, напряжение на мосте не меняется, а токопределяется скоростью изменения напряжения сети и, следовательно, будетточно таким же, как если бы к сети был подключен только конденсатор С1.Когда напряжение сети достигнет отрицательного амплитудного значения(момент t3), ток через конденсатор С1 снова станет равным нулю. Далеепроцесс повторяется каждый полупериод.Ток через мост протекает лишь в интервале времени t2-t3.Средний ток через нагрузку может быть найден какI ср  4 f сС1 2U вх  U вых  .(5.120)Отметим, что в случае отключения нагрузки U вых  2U вх , то естьвыходноенапряжениеИЭПстанетравнымамплитудномузначениюнапряжения сети. При уменьшении тока нагрузки, например, на 10%, выходноенапряжение увеличится так, чтобы выражение в скобках (5.80) тожеуменьшилось на 10%.

По этой причине параллельно нагрузке обычно включаютстабилитрон. При минимальном напряжении сети и максимальном токеангрузки через стабилитрон должен протекать ток не менее допустимогоминимального тока стабилизации Iст.мин.Рассчитаем в качестве практического примера рассматриваемый ИЭП.Исходными данными являются:- выходное напряжение Uвых = 9 В;- токи нагрузки от IН.мин = 5 мА до IН.макс = 15 мА;- напряжение сети изменяется от Uвх.мин = 200 В до Uвх.макс = 240 В.Принимаем Iст.мин = 5 мА.

Находим ёмкость "гасящего" конденсатора какС1  3,5I ст. мин  I Н . макс3,5  5  15 0,361 мкФ .U вх. мин  0,7U вых 200  0,7  979ВыбираемноминальноеЭлектропитание РЭАГлава 5значение ёмкости 0,39 мкФ и проверяем максимальный ток через стабилитрон:I ст. макс U вх.

макс  0,7U вых  С1  I3,5Н . мин0,39  240  0,7  9  5  21 мА .3,5По справочнику выбираем стабилитрон Д814Б, имеющий необходимоенапряжение стабилизации.Отметим, что для ограничения тока при подключении ИЭП к сетипоследовательносконденсаторомС1необходимовключитьрезисторсопротивлением несколько сотен Ом, а для разрядки конденсатора послеотключения – параллельно ему резистор сопротивлением несколько сотен кОм.Следует иметь в виду, что включение в рассматриваемую схему ИЭПстабилитрона существенно снижает его КПД. Однако повысить его можно,если "гасящий" конденсатор заменить на конденсаторный делитель, как этопоказано на рисунке 5.44.Рисунок 5.44 – Бестрансформаторный ИЭП с "гасящим" конденсаторнымделителем5.4 Управляемые выпрямители напряженияРассмотренные ранее выпрямители являлись нерегулируемыми, так каквеличина выходного постоянного напряжения однозначно определяласьвходным напряжением выпрямителя.Вместе с тем величину выпрямленного напряжения в ряде случаев нужноизменять.

Такая необходимость может возникнуть при включении мощныхдвигателей, накала генераторных ламп, для уменьшения бросков тока при80Электропитание РЭАГлава 5включении. При исследовании работы РЭА, приборов, например, при снятииВАХ также требуется регулируемое напряжение.Регулирование выпрямленного напряжения можно осуществлять настороне переменного тока (входе), на стороне постоянного тока (выходе) и всамом выпрямителе с помощью регулируемых вентилей.Изменение напряжения на входе выпрямителя в цепи переменного токаосуществляют с помощью автотрансформатора. Однако, как правило, онислишком громоздкие и имеют низкую надёжность вследствие наличияпереключаемых или скользящих контактов.Также изменять напряжение на входе выпрямителя в цепи переменноготока возможно с помощью реостата, включенного в цепь первичной иливторичной обмотки трансформатора.

Однако в этом случае имеет местозаметная потеря мощности выпрямителя.Более экономичная схема, в которой реостат заменён на дроссель сподвижным сердечником, позволяющим регулировать воздушный зазор, аследовательно, и значение индуктивности. Лучшие результаты регулированияиндуктивности обеспечивает дроссель насыщения,повспомогательнойобмотке которого пропускают постоянный ток.

То есть изменение тока вподмагничивающейобмоткеспомощьюпотенциометрапозволяетрегулировать напряжение на выходе выпрямителя.И хотя использование дросселя насыщения не приводит к заметномуснижению КПД выпрямительного устройства, однако при этом искажаетсясинусоидальнаяформавходногонапряжения,поэтомудлямощныхвыпрямителей этот метод использовать не рекомендуется.В свою очередь, регулирование напряжения постоянного тока с помощьюделителя напряжения или потенциометра, включенного между выходомвыпрямительного блока (фильтра) и нагрузкой, также связано с большимипотерями мощности. Применять этот метод целесообразно при мощности81Электропитание РЭАГлава 5выпрямленного тока, составляющей единицы-десятки ватт, то есть когда КПДвыпрямительного устройства не имеет существенного значения.Преодолеть все выше описанные недостатки методов регулированиявыходного напряжения выпрямительного устройства возможно за счётприменения регулируемых вентилей.Отметим также, что если напряжение нагрузки исчисляется несколькимивольтами, и сила тока нагрузки составляет десятки ампер (типично длясовременных процессоров), то мощность потерь в неуправляемом выпрямителеможет быть даже больше, чем мощность, отдаваемая в нагрузку.

В этом случаетакже находят применение выпрямители с управляемыми вентилями.Действительно, диоды, на которых традиционно строятся выпрямители,имеют большое прямое падение напряжения, приближающееся к 1 В. ДиодыШоттки отличаются сравнительно небольшим прямым падением напряжения0,5-0,6 В, что, однако, всё равно не решает задачу создания выпрямителя свысоким КПД.При низких уровнях напряжения и относительно низкой частотевыпрямляемого тока основная часть потерь в диодах определяется значениемпрямого тока через диод, поэтому для уменьшения потерь используютоднотактныесхемывыпрямления.В этомслучаеКПДвыпрямителяопределяется какU срU ср  U д,(5.121)где Uд – падение напряжения на диоде при прохождении прямого тока.Выпрямителисуправляемымивентилями(далееуправляемыевыпрямители) обычно выполняют на транзисторах и тиристорах. Во времянасыщения мощных современных транзисторов падение напряжения стокисток может составлять около 10…50 мВ, благодаря чему КПД низковольтныхуправляемыхвыпрямителейзначительнопревосходитКПДдиодныхвыпрямителей, выполняющих ту же функцию.

Более того, если требуется82Электропитание РЭАГлава 5выпрямить напряжение величиной 0,5 В, то это можно сделать толькоуправляемым выпрямителем.Если на затворы транзисторов (или на соответствующие электродыдругих активных компонентов) подают сигналы управления от выпрямленногонапряжения, то такой управляемый выпрямитель называют синхронным.

Еслиуправление транзисторами не связано напрямую с выпрямляемым напряжением(например, затворы транзисторов подключены к задающим генераторам), тотакой выпрямитель синхронным не является.Управляемые выпрямители строятся по принципу фазового управления,сутькоторогозаключаетсявтом,чтоизвыходногонапряжениянеуправляемого выпрямителя вырезаются участки синусоиды. Фазовый способуправления делится на три вида:-фазозапаздывающий–регулированиевыходногонапряженияосуществляется путём задержки момента включения связи между сетью инагрузкойпосравнениюснеуправляемымвыпрямителем,амоментпрекращения связи является функцией схемы и нагрузки;- фазоопережающий;- фазоизбирательный – любой из фрагментов синусоиды может бытьвырезан.Доминирующим является фазозапаздывающий метод, так как онлогически соответствует режиму работы силового тиристора, которыйоткрывается системой управления, а закрывается нулём тока.Таким образом, регулирование осуществляется за счёт задержки моментапрохождения тока через вентиль по отношению к моменту его собственногоотпирания.

Так, например, в двухполупериодном выпрямителе при замененеуправляемых вентилей на управляемые и подаче на управляющий электродположительных импульсов напряжение на нагрузке уменьшится (рисунок5.45а). Угол задержки включения называется углом управления α. Приувеличении угла управления напряжение на нагрузке уменьшается.83Электропитание РЭАГлава 5а)б)Рисунок 5.45 – Двухполупериодный управляемый выпрямитель со среднейточкой (а) и диаграммы его работы (б)СУ – схема управленияОченьчастоуправляемыевыпрямителистроятнаосновеоднооперационных (обычных, незапираемых) тиристоров.Простейшиесхемырегулируемыхвыпрямителейобразуютсяизсоответствующих схем нерегулируемых выпрямителей при полной иличастичной замене полупроводниковых выпрямительных диодов тиристорами(например, в однофазной мостовой схеме обычно только два диода заменяют натиристоры).Рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемоговыпрямителя со средней точкой, нагруженного на резистор (чисто активнаянагрузка) (рисунок 5.45а).Если импульсы управления подаются сразу после появления натиристорах положительных напряжений, то схема будет работать точно так же,как схема на диодах.Часто временны́ е диаграммы работы подобных схем изображают,откладывая по горизонтальной оси не время t, а величину ωt (рисунок5.45б).Тогда временной задержке включения тиристора tвкл соответствует84Электропитание РЭАГлава 5определённый угол α сдвига по фазе между напряжением на тиристоре иимпульсами управления, причём  tвкл(5.122)Для рассматриваемой схемы угол управления, как легко заметить, можетизменяться в пределах от 0 до π.

Чем больше угол управления, тем меньшесреднее напряжение на выходе выпрямителя.При   0 кривая выходного напряжения uвых соответствует случаюнеуправляемого выпрямителя и напряжение U ср  0,9U 2 максимально. Углууправления    отвечают uвых  0 и U ср  0 .Таким образом, управляемые выпрямители позволяют преобразоватьпеременный ток в постоянный и плавно изменять выпрямленное напряжение отнуля до номинального значения.Зависимость напряжения Uср от угла α называется регулировочнойхарактеристикой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражениядля среднего значения напряжения на нагрузке. Это напряжение на интервалеα-π соответствует синусоиде вторичного напряжения, то есть1U ср   2U 2 sin td t .(5.123)Результат расчёта даётU ср  U ср 01  cos,2(5.124)где U ср 0  0,9U 2 – среднее значение напряжения на нагрузке при   0 .Нарисунке5.46априведенарегулировочнаяхарактеристикауправляемого выпрямителя, построенная по выражению (5.124).Типовая мощность трансформатора составит:PT      1  2 U ср I ср .2 2 1  cos 85(5.125)Электропитание РЭАГлава 5На рисунке 5.47 приведены временны́ е диаграммы напряжений и токовуправляемого выпрямителя для случая индуктивной нагрузки, причём L   .Отметим,чтовтиристорныхвыпрямителяхиспользуютфильтры,начинающиеся с дросселя, так как при подключении сразу ёмкостного фильтразаряд конденсатора через открывшийся тиристор может сопровождатьсябольшим током, способным вывести тиристор из строя.а)б)Рисунок 5.46 – Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя дляслучая чисто активной нагрузки (а) и индуктивной (б)Большая величина L является наиболее характерным случаем прииспользовании выпрямителя на практике.

Режим работы выпрямителяхарактеризуется наличием в кривой напряжения uвых участков отрицательнойполярности, целиком заполняющих интервалы α, а также идеально сглаженнойкривой тока нагрузки iвых. В соответствии с указанной кривой тока токитиристоров iд1, iд2 имеют вид импульсов прямоугольной формы. Среднеезначение тока тиристоров связано с током Iср соотношением I д1  I д 2 Потребляемыйотсетитокi1прямоугольную форму с амплитудой I1m являетсяI срnпеременнымI ср2иимеет. Его первая гармоника сдвинутав сторону отставания на угол    относительно напряжения на входе.86.Электропитание РЭАГлава 5Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения 2u2.Максимальное обратное напряжение равно 2 2U 2(при   90 ), как и внеуправляемом выпрямителе.