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;

- U_d – среднее значение выпрямленного напряжения, В;

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

Расчетными величинами являются:

-I_a, I_{a max} – среднее и максимальное значения тока диода, А;

-U_{b 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;

-S_т – 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.

U_d = ₂ sinυ dυ = U₂, (1)

U₂ = U_d =2,22 U_d. (2)

Частота пульсаций напряжения на нагрузке в однополупериодной схеме равна частоте сети, т. е. f_п(1) = f_с, 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

I_d = I_a = = 0,45 . (4)

Максимальное обратное напряжение, приложенное к диоду, равно

U_{b max} = 3,14 U_d, (5)

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

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I₂ = = I_d = 0,157 I_d. (6)

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

S_т = S₁ = S₂ = U₂∙ I₂ = 2,22 U_d∙1,57 I_d ≈ 3,5 Р_d, (7)

где Р_d = U_d∙ I_d – 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

I_{a max} = I_d. (8)

В мостовой схеме действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, I_{2 мост} равно

I_{2 мост} = I_d. (9)

Для нулевой двухполупериодной схемы значение I_2нул определяется соотношением

I_2нул = . (10)

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

I_1мост = I_1нул = I_d / n. (11)

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

S_1мост = S_2мост = S_т.мост = 1,11 P_d; (12)

S_1нул = U₁· I₁ = 1,11 P_d, (13)

S_2нул = U₂· I₂ = 1,57 P_d, (14)

S_т.нул = (S_1нул + S_2нул) / 2 = 1,34 P_d. (15)

Другие величины (I_а, U_d, U_bмакс) 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 (U_d, I_d, 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 = R_д + r_т. 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 U_d близко к амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. U_d = 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.

u_d

U_d

Рисунок 6 – Диаграмма выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя

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

Как правило, наличие переменной составляющей ~ u_d 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(q_вх1) L q_1вых

R_н U_dн

Рисунок 1.7 – Схема индуктивного фильтра

отношению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра q_вх к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра q_вых, т.е

s = q_вх/ q_вых. 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 U_d1m – амплитудное значение напряжения первой гармоники на входе фильтра; U_dн1m- амплитудное значение напряжения первой гармоники на выходе фильтра т.е. на нагрузке.

Напряжения U_d1m и U_dн1m определяют как падения напряжения от протекания первой гармоники тока пульсации I_п(1) по формулам:

,

.

Отсюда получаем коэффициент сглаживания, равный

s .

На практике обычно справедливо следующее соотношение между параметрами ω_п(1)L_ф» R_н, следовательно

,

отсюда

L_ф = . (19)

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

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 R_н 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 R_н переменному току, путем включения параллельно нагрузке конденсатора, т.е. используют Г-образный LC- фильтр.

2. LC- ФИЛЬТР

­

L_ф

U_d q_1вх

С_ф R_н U_dн

Рисунок 8 – Схема LC- фильтра

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

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

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

Формулы для расчета величин U_d1m и U_dн1m при использовании LC- фильтра будут иметь следующий вид:

,

.

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

(для Х_с // R_н), определится величиной Х_с. Поэтому в формуле для U_d1m отсутствует сопротивление R_н.

После подставки приведенных выше соотношений для U_d1m и U_dн1m в формулу (18) получим

,

или в выражении через f_с

.

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

L_фС_ф ≥ (20)

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

,

, т.е. Х_Lф ≈ 50Х_сф.

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

3. С- ФИЛЬТР

q_1вх q_1вых

Рисунок 9 – Схема С-фильтра

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

С_ф = .

Для двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром получим

С_ф = . (21)

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

Н = f(А) по формуле

С_ф ≥ . (22)

4. RC- ФИЛЬТР

Для выпрямителей с очень малой нагрузкой (I_д 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

С_ф ≥ . (23)

Значение активного сопротивления фильтра выбирают по условию

R_н / (R_ф + R_н) = 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 I_d, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Это явление отражает внешняя характеристика выпрямителя. Уравнение внешней характеристики для схемы без фильтра имеет вид

U_d = U_d0 – I_d (r_т + R_д), (24)

где U_d0 = 0,9 U₂ – напряжение на нагрузке при токе I_d =0.

Date: 2015-06-07; view: 1055; Нарушение авторских прав