схема. Документ Microsoft Word. Краткие теоретические сведения
 Скачать 176.68 Kb.
|
|
Краткие теоретические сведения Выпрямительное устройство (выпрямитель) это статический преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Общая структурная схема выпрямителя приведена на рис. В. В состав типового выпрямителя входит трансформатор (Т), схема выпрямления (UZ) и сглаживающий фильтр (ZQ).  Трансформатор обеспечивает необходимое повышение или понижение входного питающего напряжения переменного тока, а также обеспечивает гальваническую развязку между источником питания и выпрямителем. В необходимых случаях трансформатор может также обеспечивать преобразование числа фаз входного напряжения. Схема выпрямления является главным и обязательным элементом любого выпрямительного устройства и состоит из одного электрического вентиля (диода, тиристора) или группы вентилей. В этой схеме происходит преобразование напряжения переменного тока в выпрямленное напряжение пульсирующего тока. Сглаживающий фильтр обеспечивает уменьшение амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения, таким образом, чтобы приблизить форму этого напряжения к форме напряжения постоянного тока. При проектировании и экспериментальной оценке выпрямительных устройств оцениваются параметры напряжения и тока нагрузки: Количество пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения переменного тока (T) m=p∙q(1) где p – число фаз вторичной обмотки трансформатора выпрямительного устройства; q - число выпрямленных полупериодов. Частота пульсаций выпрямленного напряжения fП=m∙fC(2) где fC – частота сети питания, связанной с энергосистемой (в РФ принята fC=50 Гц). Постоянная составляющая выпрямленного напряжения или средневыпрямленное напряжение (U0)  (3)где k –число каскадов, образующих схему выпрямления;  - амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора выпрямительного устройства (см. рис.В).Среднее значение выпрямленного тока (I0)  (4)где RH –активное сопротивление нагрузки схемы выпрямления;  - активная мощность на нагрузке схемы выпрямления.Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (nП).  (5)где Um,1 – амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения (при практических расчетах приближенно можно считать, что она равна амплитуде переменной составляющей выпрямленного напряжения). Амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения  (6)При оценке КПД схемы выпрямления необходимо определить мощность, потребляемую трансформатором выпрямительного устройства в режиме нагрузки (SТ). Для этого требуется измерить или рассчитать следующие параметры: действующие значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора (U1,U2 и I1,I2 соответственно); полные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора (S1,S 2); Расчетная мощность трансформатора (SТ) и коэффициент его использования (КТ); КПД трансформатора (  ).Перечисленные параметры связаны между собой следующими соотношениями  . (7)где n1 и n2 –количество фаз в цепи первичной и вторичной обмоток трансформатора.  (8) (9) (10)где  и  – коэффициенты мощности в цепи первичной и вторичной обмоток трансформатора.Зная величину средневыпрямленного напряжения (U0) и тока (I0) на нагрузке схемы выпрямления, а также коэффициент трансформации трансформатора выпрямительного устройства (nT) можно определить действующие значения напряжения и тока в первичной и вторичной обмотках (U1,U2 и I1,I2) и расчетную полную мощность трансформатора (ST), в зависимости от типа схемы выпрямления, руководствуясь следующей таблицей. Таблица 2. Действующие значения напряжения и тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора
КПД схемы выпрямления с учетом потерь энергии в трансформаторе может быть рассчитан следующим образом  (11)Выпрямленный ток, протекая в цепи нагрузки, вызывает падение напряжения на вентилях схемы выпрямителя. Таким образом, фактические действующее значение выпрямленного напряжения на нагрузке будет меньше значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода на величину ΔU0. Для оценки этой величины используется внешняя характеристика выпрямителя, которая представляет из себя зависимость выпрямленного напряжения от тока в нагрузке схемы выпрямления U0=f(I0). Внешняя характеристика имеет следующее аналитическое описание  (12)где RH– сопротивление нагрузки; rVD - сопротивление ветви схемы выпрямления, через которую протекает ток нагрузки. На рис. С представлен пример внешней характеристики схемы выпрямления. Р  ис. С. Пример внешней характеристики схемы выпрямления При проведении измерений необходимо учесть, что с помощью измерительных приборов лабораторного стенда измеряются величины, которые соответствуют изложенным выше теоретическим обозначениям следующим образом (Таблица 3). Таблица 3. Соответствие теоретических обозначений и обозначений измеренных величин
При проведении измерений постоянной (U0) и переменной (Um,1) составляющих выпрямленного напряжения необходимо учесть, что они связаны между собой следующим образом  (13)где kФ =1,11 – коэффициент формы синусоидального напряжения;  - коэффициент амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения;  - коэффициент формы переменной составляющей выпрямленного напряжения.Коэффициент амплитуды зависит от типа схемы выпрямления и определяется с учетом угла отсечки вентиля (α), т.е части периода T=2π, когда данный вентиль пропускает ток в прямом направлении  (14)Однофазные схемы выпрямления имеют угол отсечки α=π; трехфазные однополупериодные схемы - α=π/3; трезхфазные мостовые - α=π/6 и т.д. Коэффициент формы переменной составляющей выпрямленного напряжения определяется как отношение действующего значения тока в вентиле (в ветви схемы выпрямления) IVDк среднему значению выпрямленного тока I0, т.е.  (15)Действующее значение тока IVDравно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I2, которая определена выше (см Таблицу 3). Руководствуясь формулами 13-15 при проведении измерений достаточно ограничится измерением величины постоянной составляющей выпрямленного напряжения (U0), а постоянная составляющая может быть вычислена после этих измерений. Краткие теоретические сведения После выпрямления переменного тока образуется пульсирующее напряжение сложной периодической формы. Форма и характеристики этого напряжения зависят от множества факторов, основными из которых являются: схема выпрямления; характер нагрузки и параметры качества электроснабжения (несинусоидальность, отклонение частоты, импульсы и провалы напряжения и.т.п). Наличие пульсаций выпрямленного напряжения говорит о наличие в его составе гармоник напряжения переменного тока, которые могут оказывать негативное влияние на качество работы аппаратуры ЖАТС постоянного тока и создавать помехи в токораспределительных сетях. Сглаживающие фильтры обеспечивают подавление гармоник напряжения переменного тока и формирование напряжения, близкого по форме к напряжению постоянного тока на нагрузке выпрямительного устройства. Схемы и конструкции сглаживающих фильтров подразделяются на две группы: активные и пассивные фильтры. На рис. 2 приведен пример наиболее распространенных схем пассивных сглаживающих фильтров, которые, как правило, используются в электропитающих устройствах средней и большой мощности.  Рис.2. Типовые схемы пассивных сглаживающих фильтров: а) L-фильтр; б) C-фильтр; в) RC-фильтр; г) П-образный CLC-фильтр; д) двухзвенный Г-образный LC- фильтр. Принцип действия пассивных LC-фильтров основан на том, что реактивное сопротивление емкости и катушки индуктивности зависит от частоты протекающего через них тока. Таким образом, всегда можно подобрать такие параметры этих элементов, чтобы обеспечить подавление нежелательных гармоник выпрямленного напряжения. Достоинствами пассивных фильтров является простота и надежность их конструкции, а также возможность их использования при значительных значения выпрямленного тока и напряжения. Главным недостатком пассивных фильтров является то, что катушки индуктивности часто бывают достаточно громоздкими и дорогостоящими, а также обладают существенно нелинейными характеристиками. Существуют значительные потери выпрямленного напряжения вследствие перемагничивания сердечника индуктивности и могут возникать дополнительные гармоники в результате нелинейности индуктивного сопротивления. Резонансные явления в катушке из-за постоянного присутствия в ней распределенной межвитковой емкости могут приводить к нежелательному усилению некоторых гармоник выпрямленного тока. Для питания радиоэлектронной аппаратуры связи и микропроцессорных систем СЦБ малой и средней мощности могут применяться активные сглаживающие фильтры. Активные фильтры реализуются на основе операционных усилителей (ОУ), которые и представляю собой активный элемент фильтра. ОУ позволяют имитировать индуктивное сопротивление, хотя в схему их включения входит только емкость и сопротивления. Таким образом использование активных фильтров позволяет устранить основной недостаток пассивных LC-фильтров, связанный с использованием катушек индуктивности. Основными характеристиками сглаживающих фильтров являются: коэффициент сглаживания, коэффициент фильтрации и коэффициент передачи постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Коэффициент сглаживания показывает насколько коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра меньше, чем на его входе  (1)Где nП,ВХ и nП,ВЫХ – коэффициенты пульсаций напряжения на входе сглаживающего фильтра (т.е. на выходе схемы выпрямления) и на выходе фильтра (т.е. на нагрузке), соответственно. Коэффициент фильтрации показывает во сколько раз уменьшается амплитуда основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра в сравнении с ее этой амплитудой на его входе  (2)Коэффициент передачи постоянной составляющей выпрямленного напряжения позволяет оценить потери постоянной составляющей выпрямленного напряжения в фильтре  (3)Величина этого коэффициента составляет: в фильтрах выпрямительных устройств большой мощности KППТ≈0.99; в схемах малой и средней мощности KППТ≈0.91-0.95 и в фильтрах без потерь KППТ=1. Коэффициент фильтрации и коэффициент сглаживания связаны между собой следующим образом  (4)При расчете параметров элементов сглаживающего фильтра считается, что основная энергия пульсаций выпрямленного напряжения сосредоточена в его первой гармонике (Um,1). Поэтому расчет коэффициента сглаживания и коэффициента фильтрации привязывают к частоте этой первой гармоники, которая равна частоте пульсаций выпрямленного напряжения f1=fП. Непосредственно при расчете параметров элементов сглаживающего фильтра с заданным коэффициентом фильтрации частоту пульсаций выпрямленного напряжения приравнивают к частоте среза сглаживающего фильтра. Под частотой среза (fCP) понимают частоту при которой происходит ослабление амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра в заданное количество раз. Связь частоты пульсаций, частоты среза сглаживающего фильтра и коэффициента фильтрации поясняется на рис. 3  Рис.3. К определению частоты среза сглаживающего фильтра С учетом сказанного параметры элементов сглаживающих фильтров можно определить с помощью следующих формул. Индуктивность L-фильтра оценивается, как  (5)Емкость C-фильтра на выходе однополупериодной схемы выпрямления будет равна  (6)Емкость C-фильтра на выходе двухполупериодной схемы  (7)Параметры элементов Г-образного LC-фильтра определяются исходя из следующего выражения  (8)где m - количество пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения переменного тока. Выражение (8) недоопределено относительно двух неизвестных параметров L и C. Поэтому при расчете параметров фильтра, индуктивность выбирают априорно, руководствуясь условиями  (9)После определения индуктивности, емкость Г-образного фильтра можно вычислить из выражения (8). Параметры элементов Г-образного RC-фильтра (см. рис.2, в) для цепей малой мощности определяются следующим образом  (10)При этом величину сопротивления фильтра R подбирают априорно из условия  (11)После этого вычисляют емкость фильтра из выражения (10). П-образный фильтр (в т.ч. CLC-фильтр) рассматривается при расчетах, как двухзвенный фильтр, коэффициент фильтрации которого образуется произведением коэффициентов фильтрации первого (KФ1) и второго (KФ2) каскадов фильтра, т.е  (12)В случае CLC-фильтра, первый каскад фильтра - это однозвенный C-фильтр, а второй каскад- это Г-образный LC-фильтр. Расчет параметров П-образного CLC фильтра при заданном коэффициенте фильтрации и схеме выпрямления ведется следующим образом. Сначала задаются коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения на выходе первого звена (т.е. С-фильтра). При вычислениях рекомендуется брать этот коэффициент в пределах nП,ВЫХ=[0.02-0.1], чтобы избежать необходимости использования слишком большой емкости. После этого с помощью формулы (6) или (7) вычисляется емкость первого звена фильтра- С1. После определения емкости С1 принимают, что емкость второго звена фильтра С2=С1 и производят расчет индуктивности второго звена фильтра по формуле (8). При этом расчете также необходимо учесть, чтобы выполнялось условие (9). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||