Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
1.2.2 Однофазный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора Вторичная обмотка трансформатора от- носительно средней точки создает две э. д. с., равных по величине, но противоположенных по направлению, рисунок 1.2.4. Диоды VD 1 , VD 2 пропускают ток поочередно. В течение первого полупериода положительный потен- циал имеет анод диода VD 1 , поэтому ток про- текает через диод VD 1 , нагрузку и подклю- ченную к нему обмотку трансформатора. Во время второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD 2 и ток протекает через него подключенную к нему обмотку и нагрузку в том Рис. 1.2.4. 12 же направлении, что и в первый полупериод, рисунок 1.2.5. Таким образом, ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов, а каждая обмот- ка трансформатора проводит только один полупериод. В результате встреч- ного направления м. д. с. постоянных составляющих токов вторичных обмо- ток в сердечнике трансформатора не возникает вынужденного намагничива- ния. Рис. 1.2.5. Среднее значение выпрямленного напряжения: ( ) ( ) a a a m dm d U U t d t U t d t U U η π η ω ω η π ω ω π π π 2 2 0 0 2 9 0 2 2 sin 1 sin 1 ≈ = = = ∫ ∫ Среднее значение тока диода: 13 π dm d d d v I R U I I 2 2 2 ср = = = Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения суммы напряжений вторичных обмоток трансформатора: a d m U U U η π = = 2 m обр. 2 Основная гармоника переменной составляющей выпрямленного на- пряжения и тока имеет частоту в два раза больше частоты сети. Коэффициент пульсаций первой гармоники выпрямленного напряже- ния: ( ) ( ) 667 0 1 2 2 1 п = − ⋅ = k m K , где m - количество пульсаций за период напряжения питающей сети, k - номер гармоники. Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора: a d P I U S η 73 1 2 2 2 2 ≈ ⋅ ⋅ = Расчетная мощность первичной обмотки: a d P I U S η 23 1 1 1 1 ≈ ⋅ = Во вторичной обмотке из-за наличия диодов ток несинусоидален, что обуславливает появление мощности искажения. В первичной обмотке ток синусоидален и мощности искажения нет, поэтому 1 2 S S > . Полная расчетная мощность трансформатора меньше, чем у однофазного однополупериодного выпрямителя. 14 ( ) a d P S S S η 48 1 2 2 1 тр = + = Схема применяется в низковольтных схемах, при выпрямленных на- пряжениях единицы, десятки вольт из-за меньших, чем в мостовой схеме, по- терь на диодах. Однако имеет в два раза большее обратное напряжение и худший, чем в мостовой схеме, которая будет рассматриваться ниже, коэф- фициент использования трансформатора. 1.2.3 Однофазный мостовой выпрямитель Однофазный мостовой выпрями- тель состоит из двухобмоточного трансформатора и комплекта диодов VD 1 , VD 2 , VD 3 , VD 4 , рисунок 1.2.6. Пе- ременное напряжение подводится к од- ной диагонали моста, а нагрузка под- ключается к другой его диагонали – между точкой соединения катодов двух диодов, образующих катодную группу (VD 3 , VD 4 ) и точкой соединения ано- дов двух диодов, образующих анодную группу (VD 1 , VD 2 ). Диоды проводят ток попарно, в любой момент времени в проводящем состоянии находится та пара диодов, у которой анод диода катодной группы имеет положительный потенциал, а катод диода анодной группы – отрица- тельный потенциал. Так, например, при положительной полуволне питающе- го напряжения ток нагрузки будет протекать через два диода VD 1 , VD 4 , при отрицательной полуволне питающего напряжения через диоды VD 3 , VD 2 .Из временных диаграмм, рисунок 1.2.7, видно, что ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, а во вторичной об- мотке трансформатора – дважды за период и при активной нагрузке имеет форму синусоиды. Ток в первичной обмотке также синусоидален. Среднее значение и качество выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя такие же, как у однофазного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора. U 1 U 2 R d VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 Рис. 1.2.6. 15 Рис. 1.2.7. Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. a d m U U U η π 2 2 m обр. = = Поскольку и в первичной и во вторичной обмотке трансформатора протекает синусоидальный ток, отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. Расчетные мощности обмоток трансформатора и полная расчетная мощность трансформатора равны между собой: a d P S S S η 23 1 2 1 тр = = = Схема имеет лучший из рассмотренных однофазных схем выпрямления коэффициент использования трансформатора по мощности. Применяется при выпрямленных напряжениях от десятков до сотен вольт. 16 1.2.4 Работа выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока на выходе выпрями- теля часто устанавливают сглаживающие фильтры с дросселем во входной цепи с достаточно большой индуктивностью, рисунок 1.2.8. Кроме того, этот режим возникает при работе выпрямителя на обмотку электромагнита или двигателя постоянного тока. При работе однополупериодного вы- прямителя вследствие влияния индуктив- ности ток нагрузки сглаживается: замедля- ется время его нарастания и спадания, смещается момент амплитудного значения. Под действием тока поддерживаемого ин- дуктивностью при смене полярности пи- тающего напряжения увеличивается время проводящего состояния диода, рисунок 1.2.9. В момент окончания прохождения тока, диод Рис. 1.2.9. Рис. 1.2.8. 17 закрывается и к нему резко прикладывается обратное напряжение. Напряже- ние на сопротивлении R d по форме повторяет ток. В двухполупериодном выпрямителе с выводом средней точки трансформатора при работе на активно-индуктивную нагрузку, рисунок 1.2.10 ток d I не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения 2 U . Ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, поэтому максимумы тока d I и напряжения d U следуют с некоторой за- держкой относительно максимумов напряжения 2 U , рисунок 1.2.11. Рис. 1.2.11. Рис. 1.2.10 18 При увеличении индуктивности ее сглаживающее действие увеличива- ется и пульсации в кривой d U уменьшаются, однако, активное сопротивле- ние сглаживающего дросселя увеличивает потери выпрямителя. Если пред- положить ∞ → L переменная составляющая d U будет полностью приложена к дросселю, а на нагрузке будет действовать только постоянная составляю- щая d U . Изменение формы кривой d I приводит к изменению кривых токов диодов, вторичной и первичной обмоток трансформатора. Кривая токов дио- дов при ∞ → L стремится к прямоугольной форме. Их амплитуда равна d d d R U I ≈ , а среднее значение 2 d a I I = . Кривая тока первичной обмотки трансформатора приближается к двуполярной кривой прямоугольной формы с амплитудой 2 d I Кривая обратного напряжения на диоде при активно-индуктивной на- грузке, как и при чисто активной нагрузке, определяется суммарным напря- жением двух вторичных обмоток трансформатора. Амплитуда обратного на- пряжения также равна ) ( 2 22 21 U U + Работа на активно-индуктивную нагрузку является наиболее благопри- ятным режимом работы для выпрямителя. В этом случае по обмоткам транс- форматора и через диоды протекает меньший по амплитуде ток. В результате чего уменьшается установочная мощность трансформатора и максимальный ток диодов. 1.2.5 Работа выпрямителей на активно-емкостную нагрузку U 1 U 2 R d VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 C Рис. 1.2.12. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения параллельно нагрузке подключают конденсатор достаточно большой емкости. В этом слу- 19 чае режим работы выпрямителя изменяется. Диоды открываются по очереди в те моменты времени, когда положительная полуволна напряжения U 2 , при- ложенного к аноду диода, больше напряжения конденсатора. Половину вре- мени, в течение которого протекает ток через диод принято называть углом отсечки θ . В те моменты времени, когда диоды закрыты, происходит разряд конденсатора на нагрузку. В результате кривая выпрямленного напряжения получается сглаженной. Рис. 1.2.13. Как правило, конденсатор подбирают таким образом, чтобы диоды на- ходились в открытом состоянии примерно одну треть от времени закрытого состояния. В связи с чем, амплитуда импульса тока через диоды и обмотки трансформатора в три, пять раз превышает ток через диоды при RL нагрузке. 20 Данный режим является наиболее тяжелым для выпрямителя, поскольку происходит перегрузка диодов и обмоток трансформатора по току. Особенно опасен момент включения выпрямителя, так как время первоначальной за- рядки конденсатора затягивается и возникающий при этом импульс тока мо- жет вывести из строя полупроводниковые приборы. В однополупериодном выпрямителе работа на RC- нагрузку, кроме описанных особенностей, приводит к увеличению максимального обратного напряжения прикладываемого к вентилю, так как во время закрытого состоя- ния к диоду прикладывается напряжение равное разности напряжения вто- ричной обмотки трансформатора и напряжения заряженного конденсатора. 1.2.6 Работа неуправляемого выпрямителя на нагрузку с противо - э. д. с. Работа выпрямителя на противо - э. д. с. в цепи нагрузки является са- мой частой моделью реальных нагру- зок. Такими нагрузками, содержащи- ми противо - э. д. с., являются: - якорная цепь машины посто- янного тока, содержащая в схеме за- мещения кроме RL-параметров якор- ной обмотки еще и э. д. с. вращения машины; - аккумуляторы, замещаемые источником э. д. с. с малым активным внутренним сопротивлением; - гальванические ванны в химическом и металлургическом производст- ве, имеющие встречную э. д. с. раствора или расплава; - электрические дуги сварки, газоразрядных приборов освещения, плазменных установок и т.п. Главной особенностью такого рода потребителей является наличие у них собственной э. д. с. 0 E , которая направлена навстречу э. д. с. выпрямите- ля. В результате протекающий через нагрузку ток будет определяться разно- стью двух э. д. с. — э. д. с. выпрямителя и э. д. с. приемника. На рисунке 1.2.4 представлена схема мостового выпрямителя, нагру- женного на нагрузку с противо - э. д. с. Сопротивление R d в данном случае равно сумме сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источни- Рис. 1.2.14. 21 ка противо – э. д. с.. Мгновенный выпрямленный ток в цепи нагрузки опре- деляется следующим уравнением: d d d R E u i 0 − = Очевидно, что ток через вентили схемы может проходить только в те части периода, когда мгновенное выпрямленное напряжение будет больше Рис. 1.2.15. 0 E . В результате кривая выпрямленного тока будет иметь прерывистый ха- рактер. Максимальное обратное напряжение остается в этом режиме таким же, как и при работе схемы на чисто активную нагрузку без противо – э. д. с. 1.2.7 Внешние характеристики выпрямителей Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения вы- прямленного тока. На рисунке 1.2.16 приведены внешние характеристики двухполупериодного выпрямителя. 22 При чисто активной нагрузке наклон внешней характеристики с увели- чением тока обусловлен потерями в проводящих проводах в активном сопро- тивлении обмоток трансформатора, падением напряжения на диодах и поте- рями в стали трансформатора. При активно-индуктивной нагрузке наклон внешней характеристики увеличивается, так как добавляются активные потери в обмотке сглаживаю- щего дросселя. При активно-емкостной нагрузке характеристика начинается из точки 2 2U U d = , так как на холостом ходу конденсатор заряжается до амплитуд- ного значения входного напряжения. Характеристика имеет большой наклон и зависит от постоянной времени C R d = τ Рис. 1.2.16 При активно-индуктивно-емкостной нагрузке среднее значение тока при больших значения совпадает с характеристикой при активно- индуктивной нагрузке. В выпрямленном токе и напряжении присутствует переменная и постоянная составляющие, причем величина переменной со- ставляющей выпрямленного тока в основном определяется величиной индук- тивности сглаживающего дросселя. При уменьшении среднего значения тока нагрузки до величины крит d I режим работы выпрямителя изменяется, ток в дросселе становится прерывистым и начинается процесс подзаряда конден- сатора. Кривая внешней характеристики становится подобна кривой при ак- тивно-емкостной нагрузке. Изменение вида внешней характеристики необхо- 23 димо учитывать при проектировании выпрямителей, поскольку при умень- шении тока нагрузки меньше крит d I происходит резкое увеличение выпрям- ленного напряжения, примерно в 1.5 раза, и маломощная нагрузка может это- го не выдержать. Величина крит d I составляет 7-10 % от номинального значе- ния тока нагрузки, её можно уменьшить, увеличив величину индуктивности дросселя. При работе аппаратуры желательно схемотехнически избегать ре- жим работы ниже крит d I , на пример использовать балластное сопротивление. 1.3 Трехфазные неуправляемые выпрямители 1.3.1 Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом трансформатора Схема содержит трансформатор вторичные обмотки, которого соеди- нена звездой. Первичные обмотки со- единяют либо звездой, либо треуголь- ником. Выводы вторичных обмоток присоединяют к анодам трех диодов. Нагрузку подключают между нулевым выводом трансформатора и катодной группой вентилей, рисунок 1.3.1. При рассмотрении принципа ра- боты схемы не учитываются индук- тивности рассеяния обмоток транс- форматора, считается, что коммутация токов осуществляется мгновенно. На рисунке 1.3.2, а показаны фазные напряжения a u , b u , c u вторичных обмоток трансформатора относительно нулевой точки. Одновременно в от- крытом состоянии находится только один диод, анод которого имеет более высокий потенциал, относительно потенциалов анодов двух других диодов, закрытых напряжением равным разности напряжения подключенной к ним фазы и фазы проводящего диода: - на интервале t 1 – t 2 открыт VD 1 ; - на интервале t 2 – t 3 открыт VD 2 ; - на интервале t 3 – t 4 открыт VD 3 ; - на интервале t 4 – t 5 открыт VD 1 R d B C A a b c VD 1 VD 2 VD 3 Рис. 1.3.1 24 U d ωt ωt ωt ωt ωt ωt U 2a U 2b U 2c t 1 t 2 t 3 t 4 U ab U ac U = 6 U об 2 =2,09U d U VD1 i a i b i c U 2 а) б) в) г) д) е) Рис. 1.3.2 Интервал проводимости каждого диода составляет: 3 2 π φ = . Открытый диод подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результа- те на ней действует пульсирующее напряжение d U представляющее собой участки фазных напряжений, рисунок 1.3.2, б. При чисто активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет кривую выпрямленного напряжения. Очередность открывания вентилей характеризуют кривые токов, рису- нок 1.3.2, в, г, д. Среднее значение выпрямленного напряжения равно: 25 ( ) 2 2 2 2 3 3 17 1 2 6 3 3 sin 2 3 cos 2 3 2 1 U U U t d t U U d ≈ = = = ∫ − π π π ω ω π π π Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке опреде- ляется аналогично: dm dm d I I I 83 0 3 sin 3 = = π π Коэффициент пульсаций первой гармоники выпрямленного напряже- ния: ( ) 25 0 1 ) ( 2 2 1 п = − ⋅ = k m K Частота пульсаций первой гармоники: 150 1 = ⋅ ⋅ = f m k f Гц. Среднее значение тока диода: = = 3 sin 2 3 2 ср π π I I I d v На рисунке 1.3.2, е построена кривая обратного напряжения на диоде VD 1 . Обратное напряжение представляет из себя разность потенциалов анода и катода диода. Изменение потенциала анода определяется фазным напряже- нием a u , а катода фазным напряжением b u , при проводящем диоде VD 2 и фазным напряжением c u , при проводящем диоде VD 3 . Таким образом, обрат- ное напряжение на диоде VD 1 по существу состоит из участков линейных на- пряжений ab U и ac U . Максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде линейного вторичного напряжения: 26 d d обр U U U U U 09 2 3 2 6 3 2 2 2 = = = = π Ток вторичной обмотки трансформатора определяется соответствую- щим током диода, действующее значение этого тока: ( ) d dm dm dm I I I t d t I I 583 0 484 0 4 3 2 sin 6 1 cos 2 1 3 3 2 2 2 = = + = = ∫ − π π ω ω π π π Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора: d d d P I U I U m S 48 1 583 0 17 1 1 3 2 2 2 2 = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора: d P I U m S 22 1 1 1 1 1 = ⋅ ⋅ = Расчетная полная мощность трансформатора: d P S S S 35 1 2 2 1 тр = + = Кривые токов диодов содержат постоянную составляющую, которая, протекая через вторичную обмотку трансформатора, создает в каждом из трех стержней однонаправленный поток вынужденного намагничивания трансформатора. Это явление не желательно, так как приводит к насыщению трансформатора, а значит к увеличению полной мощности трансформатора. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляю- щей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансфор- матора соединяют треугольником. При этом расчетная полная мощность трансформатора не изменяется. Для устранения постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания каждую вторичную обмотку расщеп- ляют на две части и полученные шесть обмоток соединяют зигзагом. 27 Достоинство схемы – малое падение напряжения на диодах. Использу- ется для получения невысоких напряжений (десятки, сотни вольт) при повы- шенных мощностях (от 500 Вт). Схема характеризуется плохим коэффициен- том использования трансформатора, сравнительно большим обратным на- пряжением на диодах и наличием вынужденного намагничивания трансфор- матора. |