Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Краткие теоретические сведения. Устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем





 

Устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем. Выпрямители с потребляемой нагрузкой мощностью до нескольких киловатт относят к классу маломощных выпрямителей. Такие выпрямители получают питание от однофазной сети переменного тока и называются однофазными. Они делятся на: а) однополупериодные (или однотактные) выпрямители, в которых ток через вторичную обмотку трансформатора проходит только в течение одного полупериода переменного напряжения сети; б) двухполупериодные (или двухтактные), в которых ток во вторичной обмотке трансформатора проходит в течение обоих полупериодов. Структурная схема выпрямителя имеет следующий вид

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема выпрямителя

 

 

Основой схемы является выпрямитель на одном или нескольких диодах, соединенных по определенной схеме. На рисунках 2 – 4 приведены основные однофазные схемы

 

 

 

Рисунок 2 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

 

 

Рисунок 3 – Схема однофазного выпрямителя с выводом нулевой точки

 

 

Рисунок 4 – Схема однофазного мостового выпрямителя

 

Кривая выпрямленного напряжения кроме постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, наличие которой является, как правило, нежелательным. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя. Характер входной цепи сглаживающего фильтра совместно с внешней нагрузкой определяют вид нагрузки выпрямителя. В данном разделе методических указаний рассмотрены методы расчета маломощных выпрямителей, работающих на различные виды нагрузки: активную нагрузку (R – НГ), активно-индуктивную нагрузку (RL – НГ), активную нагрузку и емкостный фильтр (RС – НГ).

Задача расчета выпрямителей сводится к определению расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры основных элементов выпрямительного устройства.

При расчете схемы выпрямителя исходными данными являются:

- U1 – напряжение сети переменного тока, А;

- Ud – среднее значение выпрямленного напряжения, В;

- Id – среднее значение выпрямленного тока, А (или другие параметры, позволяющие определить величину Id).

Расчетными величинами являются:

-Ia, Ia max – среднее и максимальное значения тока диода, А;

-Ub max – максимальное значение обратного напряжения на диоде, В;

-U2 –действующее значение вентильной (вторичной) обмотки трансформатора, В;

-I1, I2 – действующие значения токов в обмотках трансформатора, А;

-S1, S2 – полная мощность каждой из обмоток трансформатора, В;

-Sт – расчетная (типовая) мощность трансформатора, В·А;

-некоторые дополнительные величины, заданные условиями конкретной задачи.

При определении основных соотношений между токами и напряжениями в схеме принимаем равными нулю падения напряжения на диодах, в обмотках трансформатора, соединительных и подводящих проводах.

 

1.1.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

 

Схема однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой показана на рисунке 2. Приведем основные соотношения для этой схемы.

Ud = 2 sinυ dυ = U2, (1)

U2 = Ud =2,22 Ud. (2)

Частота пульсаций напряжения на нагрузке в однополупериодной схеме равна частоте сети, т. е. fп(1) = fс, так как напряжение на нагрузке достигает максимума один раз за период. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике

q1 = = 1,57. (3)

Среднее значение выпрямленного тока является прямым током диода

 

Id = Ia = = 0,45 . (4)

 

Максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду, равно

 

Ub max = 3,14 Ud, (5)

 

т.е. обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

 

I2 = = Id = 0,157 Id. (6)

 

При расчете типовой мощности трансформатора однополупериодного выпрямителя практически без большой ошибки можно считать, что S1 ≈ S2. Тогда типовая мощность трансформатора равняется

 

Sт = S1 = S2 = U2∙ I2 = 2,22 Ud∙1,57 Id ≈ 3,5 Рd, (7)

 

где Рd = Ud∙ Id – мощность постоянных составляющих выпрямленного напряжения и тока.

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки трансформатора создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. Это явление принято называть вынужденным намагничиванием трансформатора. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током при нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока приводит к увеличению сечения провода первичной обмотки и размеров трансформатора в целом.

Однополупериодный выпрямитель имеет ограниченное применение, из-за указанных недостатков. Его применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электронно-лучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию напряжения. Мощность однополупериодных выпрямителей не превышает 10 – 15 Вт.

 

1.1.3. Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей

 

Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей приведены на рисунках 3 – 4. Основные расчетные соотношения при работе схем наактивную нагрузку – в таблице 1.

 

Таблица 1 – Основные расчетные соотношения для однофазных двухполупериодных схем выпрямления при работе на R- нагрузку

Расчетная величина Нулевая схема Мостовая схема
     
Среднее значение выпрямленного напряжения
Среднее и максимальное значение анодного тока диода.
Максимальное обратное напряжение на диоде  
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора    

 

     
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора    
Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора    
Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора    
Расчетная (типовая) мощность трансформатора  

Продолжение таблицы 1

 

 

Здесь .

 

При работе двухполупериодного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (L→ ∞), максимальное значение тока вентилей в мостовой и нулевой схеме

Ia max = Id. (8)

 

В мостовой схеме действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, I2 мост равно

I2 мост = Id. (9)

Для нулевой двухполупериодной схемы значение I2нул определяется соотношением

I2нул = . (10)

Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора в мостовой и нулевой схемах равно

 

I1мост = I1нул = Id / n. (11)

 

Изменятся по сравнению с режимом чисто активной нагрузки и соотношения для мощностей

 

S1мост = S2мост = Sт.мост = 1,11 Pd; (12)

 

S1нул = U1· I1 = 1,11 Pd, (13)

S2нул = U2· I2 = 1,57 Pd, (14)

Sт.нул = (S1нул + S2нул) / 2 = 1,34 Pd. (15)

 

Другие величины (Iа, Ud, Ubмакс) рассчитывают по формулам, приведенным в таблице 1.

Работа схемы на активную нагрузку и емкостный фильтр. Использование емкостного фильтра для сглаживания кривой выпрямленного напряжения изменяет режим работы выпрямителя по сравнению с рассмотренными выше режимами. Работа схемы характеризуется импульсным режимом, что объясняется процессом заряда и разряда конденсатора.

Для расчета выпрямителя с емкостным фильтром используют метод Терентьева, основанный на допущении, что емкость фильтра бесконечно велика и напряжение на емкости принимается постоянным. При таком допущении отсутствуют пульсации выпрямленного напряжения, а импульс анодного тока симметричен. Длительность импульса анодного тока (т.е. длительность открытого состояния диода) обозначают 2Q, где Q - угол отсечки. Тогда для m-фазной схемы выпрямления среднее значение тока нагрузки определится соотношением:

(16)

Значения основных величин, которые определяются при расчете выпрямителя с емкостным фильтром, выражают через заданные параметры (Ud, Id, r) и угол отсечки Q. Для упрощенного расчета, каким является метод Терентьева, не вычисляют угол отсечки, а вводят параметр А= tg Q-Q и коэффициенты B=f(A), D=f(A), H=f(f) и F=f(A). На основании формулы (16)

,

откуда . (17)

Кривые зависимости коэффициентов В, D, H и F от параметра А приведены на рисунке 5, а основные расчетные соотношения для однофазных двухполупериодных схем выпрямления при работе на активную нагрузку и емкостной фильтр – в таблице 3.

Сопротивление r в формуле (17) представляет собой сумму сопротивлений диода и обмотки трансформатора r = Rд + rт. Величину r можно принять по таблице 2.

 

Таблица 2 – Значения сопротивления r в зависимости от мощности вентильного трансформатора

 

Рd =Ud·Id, Вт 1-10 10-100 >100
r, Ом (0,08¸0,1) RH (0,05¸0,09) RH (0,04¸0,06) RH

 

 

а) б)

Рисунок 5- Графики зависимостей расчетных коэффициентов

от параметра А.

 

Таблица 3 – Основные расчетные соотношения для однофазных выпрямителей при работе на активную нагрузку и С-фильтр

 

Расчетная величина Нулевая схема Мостовая схема
Максимальное значение анодного тока диода  
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора    
  Максимальное обратное напряжение на диоде    
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора    
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора    
Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора    
Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора    
Расчетная (типовая) мощность трансформатора  
         

 

Следует обратить внимание, что при наличии конденсатора в схеме, напряжение Ud близко к амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. Ud = 1,41U2 (в режиме холостого хода), а не

0,9 U2, как при активной или активно-индуктивной нагрузке.

1.1.4. Расчет сглаживающих фильтров

 

Основным требованием, предъявляемым к сглаживающему фильтру, является, является максимально возможное уменьшение переменных составляющих выпрямленного тока и напряжения в сопротивлении нагрузки.

 

ud

 

Ud

 

Рисунок 6 – Диаграмма выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя

 

Из приведенного рисунка видно, что кривая выпрямленного напряжения кроме постоянной составляющей содержит переменную составляющую: ud = Ud + ~ ud, т.е. переменная составляющая представляет разность напряжений ~ ud = ud(ωt) - Ud.

Как правило, наличие переменной составляющей ~ ud нежелательно, поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения, путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров.

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов: дросселей (L) и конденсаторов (С). Дроссель оказывает большое сопротивление переменному току и малое постоянному току, а конденсатор наоборот. Указанные свойства используют при построении простейших сглаживающих фильтров. Сглаживающие дроссели (L) включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор (С) – параллельно ей.

Рассмотрим сглаживающее действие фильтров с индуктивным входом (L- и LC- фильтры).

 

 

1. L- ФИЛЬТР

Схема L – фильтра показана на рисунке 1.7. Основным параметром, характеризующим эффективность сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания s, равный

 

 

q1(qвх1) L q1вых

Rн Udн

 

Рисунок 1.7 – Схема индуктивного фильтра

 

отношению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра qвх к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра qвых, т.е

s = qвх/ qвых. Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания, фильтры должны иметь минимальное падение напряжения на элементах, минимальные габариты, массу, стоимость.

Рассчитывают коэффициент сглаживания по первой (основной) гармонике по формуле

s1 = = , (18)

 

где Ud1m – амплитудное значение напряжения первой гармоники на входе фильтра; Udн1m- амплитудное значение напряжения первой гармоники на выходе фильтра т.е. на нагрузке.

Напряжения Ud1m и Udн1m определяют как падения напряжения от протекания первой гармоники тока пульсации Iп(1) по формулам:

 

,

 

.

Отсюда получаем коэффициент сглаживания, равный

s .

На практике обычно справедливо следующее соотношение между параметрами ωп(1)Lф» Rн, следовательно

,

отсюда

 

Lф = . (19)

 

Анализ формулы показывает, что сглаживающая способность фильтра повышается с увеличением числа фаз выпрямителя m и с увеличением индуктивности L, а также с уменьшением Rн.

Сопротивление R уменьшается с увеличением мощности НГ. Поэтому использование L-фильтра эффективно в выпрямителях средней и большой мощности.

В маломощных выпрямителях применение простейшего L-фильтра менее эффективно, поскольку Rн здесь относительно большое, поэтому для получения требуемого значения коэффициента s1 необходимо значительно увеличивать индуктивность дросселя L.

В маломощных выпрямителях эту задачу решают не увеличением L, а уменьшением Rн переменному току, путем включения параллельно нагрузке конденсатора, т.е. используют Г-образный LC- фильтр.

 

2. LC- ФИЛЬТР

 

­

Lф

Ud q1вх

Сф Rн Udн

 

 

Рисунок 8 – Схема LC- фильтра

 

Заметим, что включением конденсатора создается самостоятельная цепь для протекания переменной составляющей тока, обусловленного переменной составляющей напряжения ud, минуя цепь нагрузки.

Так как сопротивление конденсатора С переменному току мало, то падение напряжения на С от протекания переменного тока ιd тоже мало, чем и достигается уменьшение пульсаций напряжения на нагрузке udн.

Коэффициент сглаживания Г-образного LC-фильтра определяют по выражению (18).

Формулы для расчета величин Ud1m и Udн1m при использовании LC- фильтра будут иметь следующий вид:

,

.

 

Следует учесть, что для LC- фильтра справедливо неравенство «Rн, т.е. Хс «Rн. Так как конденсатор фильтра подключается параллельно нагрузке, то суммарное сопротивление на выходе фильтра

(для Хс // Rн), определится величиной Хс. Поэтому в формуле для Ud1m отсутствует сопротивление Rн.

После подставки приведенных выше соотношений для Ud1m и Udн1m в формулу (18) получим

,

или в выражении через fс

.

Для однофазных двухполупериодных выпрямителей m=2, следовательно, коэффициент сглаживания равен

.

С учетом того, что s1, как правило, требуемая величина, (или заданная), то расчет параметров LC- фильтра проводят по формуле

LфСф (20)

 

При расчете LC- фильтра следует избегать явления резонанса. Для этого необходимо, чтобы собственная частота фильтра была меньше частоты основной гармоники пульсаций ωп(1) и не была кратна ей, т.е. должно выполняться условие ωф < ωп(1). Поэтому при выборе параметров фильтра требуется соблюдать условие ХLф>XСф. Здесь Сф- емкость фильтра, равная единицам или десяткам микрофарад. При расчете фильтра обычно является достаточным обеспечение следующих условий:

,

 

, т.е. ХLф ≈ 50Хсф.

 

Используя эти условия, определяют значение конденсатора Сф (или индуктивности Lф), а далее по формуле (20) определяют значение второго элемента LC- фильтра.

 

 

3. С- ФИЛЬТР

 

 

q1вх q1вых

 

Рисунок 9 – Схема С-фильтра

 

Рассмотрим сглаживающее действие фильтров с емкостным входом (С- и RС-фильтры). Расчет С- фильтра выполняется по формуле

 

Сф = .

 

Для двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром получим

 

Сф = . (21)

 

Если расчет схемы выпрямителя с емкостным фильтром выполняют методом Терентьева с помощью расчетных коэффициентов, то требуемую емкость фильтра, Сф, мкФ, можно определить с помощью коэффициента

Н = f(А) по формуле

Сф. (22)

 

4. RC- ФИЛЬТР

Для выпрямителей с очень малой нагрузкой (Iд не превышает нескольких мА) используют Г-образный RC- фильтр (вместо С- фильтра).

Для расчета RC- фильтра и выпрямителя с RC- фильтром также пользуются упрощенной методикой (методом Терентьева).

В этом случае для определения расчетных коэффициентов, параметр А определяется по формуле

 

А = .

 

Далее расчет выполняется как для С- фильтра, с учетом активного сопротивления RC- фильтра

Сф . (23)

Значение активного сопротивления фильтра выбирают по условию

Rн / (Rф + Rн) = 0,75¸0,9.

Анализ работы маломощных выпрямителей однофазного тока проводился для идеальной схемы выпрямления, т. е. для схемы без потерь в активных сопротивлениях трансформатора, фильтрах, а также без учета падения напряжения на диоде. В реальном выпрямителе указанные сопротивления не равны нулю. На этих сопротивлениях создается падение напряжения от протекания тока Id, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Это явление отражает внешняя характеристика выпрямителя. Уравнение внешней характеристики для схемы без фильтра имеет вид

Ud = Ud0 – Id (rт + Rд), (24)

где Ud0 = 0,9 U2 – напряжение на нагрузке при токе Id =0.

 

 

Date: 2015-06-07; view: 992; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.007 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию