Электрооборудование промышленности (стр. 2 )

Номенклатура бытовых приборов с питанием от источников постоянного тока в настоящее время непрерывно расширяется. Для переносных приборов (таймеров, плееров, калькуляторов) выпускаются сетевые адаптеры с выпрямленным напряжением от 5,0 до 24В и выходным током до 1,5А. Адаптеры выполняются по схемам однофазного выпрямления с трансформаторным и бестрансформаторным входом. Для повышения качества напряжения на выходе выпрямителей включают электролитические конденсаторы ёмкостью (500…4000)мкФ. Для электропитания стационарных бытовых приборов (телевизоров, автоответчиков, стиральных автоматов и пылесосов, холодильников) используются встроенные выпрямители, преобразующие энергию потребительской сети переменного тока до вида и качества, определяемого параметром конкретного бытового прибора.

Завершая этим обзор электропитающих устройств постоянного тока следует указать, что несмотря на большой диапазон значений их выходного напряжения (от единиц вольт до десятков кВ) и тока (от десятков мА до сотен кА) такие устройства имеют подобную структуру, единый принцип действия и методы расчёта.

Контрольные вопросы

1. По каким схемам преобразования выполняются выпрямительные агрегаты.

2. Где применяют выпрямительные установки.

3. Пояснить назначение, состав и характеристики КВПП.

4. Пояснить особенности источников сварочного тока и их технические данные.

2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ.

2.1. Структурная схема.

К неуправляемым относятся выпрямители, у которых отсутствует возможность изменения и регулирования выходного напряжения (тока). Традиционный выпрямитель (рис. 2.1) состоит из преобразовательного трансформатора Т, вентильного блока ВБ, фильтрующего устройства ФУ и стабилизатора напряжения СН или тока. В зависимости от условий работы могут отсутствовать преобразовательный трансформатор, фильтр или стабилизатор. Трансформатор преобразует сетевое напряжение и количество фаз сети до необходимого значения, а также обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети. Вентильный блок – основное звено выпрямителя, обеспечивает однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей используются полупроводниковые приборы с односторонней электропроводностью (диоды, тиристоры). Напряжение u0¢ на выходе ВБ постоянно по направлению (рис. 2.2), но не постоянно по величине. Являясь периодической функцией, напряжение u0¢ может быть разложено на две составляющие: постоянное (или среднее) значение U0 и напряжение un пульсаций (равное сумме всех гармонических составляющих ряда Фурье). Первая является полезной составляющей выпрямленного напряжения, а вторая - паразитная, обусловлена не идеальностью выпрямления и характеризуется коэффициентом пульсаций

KП(1)=Uм(1)/Uo (2.1)

где Uм(1)-амплитуда первой (основной) гармоники разложения u0¢ в ряд Фурье.

Фильтрующее устройство (ФУ) ослабляет пульсации выходного напряжения выпрямителя. В качестве фильтрующего устройства обычно используется фильтры нижних частот на L и C-элементах, поскольку наиболее трудно подавляется основная (первая) гармоническая составляющая напряжения u0¢. Стабилизатор СН уменьшает влияние внешних воздействий: изменений напряжений питающей сети, температуры окружающей среды, изменений нагрузки и др. на выходное напряжение выпрямителя. Кроме основных узлов в состав выпрямителя могут входить вспомогательные элементы и узлы, служащие для повышения его надёжности, например, узлы контроля, автоматики и защиты.

2.2 Классификация выпрямителей.

Рассматривая различные схемы выпрямительных устройств (рис. 2.3), отметим, что они классифицируются:

Т

Рис. 2.3 Схемы выпрямителей: однополупериодная(а), однофазная двухполупериодная (со средней точкой) (б), однофазная мостовая (в), трехфазная с нулевым выводом (схема Миткевича) (г), трехфазная мостовая (схема Ларионова) (д), двойной трехфазный выпрямитель (е) или каскадная схема.

- в зависимости от числа фаз питающей сети m1 на выпрямители однофазного (m1=1) и трёхфазного (m1=3) тока

- в зависимости от числа фаз m2 вентильных обмоток преобразовательного трансформатора на однополупериодные (m2=1), двухполупериодные

(m2=1), двухполупериодные (m2=2), трёхфазные(m2=3), шести и двенадцатипульсные (m2=6, m2=12) схемы выпрямления;

- в зависимости от способа включения комплекта вентилей на однотактные (р=1) и двухтактные (р=2) схемы выпрям - ления. В однотактных схемах (рис. 2.3 а, б,г) к вентильной обмотке преобразовательного трансформатора подключён один вентиль и поэтому вентильная обмотка нагружена током только во время одного полупериода переменного тока или его части; в двухтактных схемах (рис. 2.3 в, д) к вентильным обмоткам преобразова-тельного трансформатора подключены два вентиля: один анодом, а другой катодом и поэтому вентильная обмотка преобразовательного трансформатора нагружена во время обоих полупериодов переменного тока;

- сложные, иначе, составные многофазные схемы выпрямления (рис. 2.3 е), которые представляют собой совокупность простых однотактных или двухтактных схем, соединённых по выходу параллельно или последовательно с таким расчётом, чтобы основные гармоники пульсаций простых выпрямительных схем взаимно компенсировались.

Признаком классификации могут быть также уровень выходной мощности (выпрямители маломощные Р0£1кВт, средней мощности 1кВт£Р0£10кВт и мощные Р0>10кВт), схемы соединения сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, наличие управляемых вентилей, тип фильтра и т. д.

2.3. Элементы выпрямителей.

Преобразовательный трансформатор – это трансформатор, предназначенный для работы в выпрямительных и в инверторных установках. Специфика работы преобразовательного трансформатора в однотактных выпрямителях связана с режимом вынужденного намагничивания, который возникает из-за наличия постоянной (не трансформируемой) составляющей тока в вентильных обмотках и приводит к увеличению массы и габаритов трансформатора. Электрические параметры преобразовательного трансформатора характеризуются следующими величинами:

- действующими значениями напряжения U2 и тока I2 вентильных обмоток трансформатора;

- полной вольтамперной (или типовой) мощностью SТ трансформатора

Sт=0,5×(S1+S2) (2.2)

Так как преобразовательный трансформатор имеет m1–фазную сетевую и m2–фазную вентильные обмотки, то

S1=m1×U1×I1; S2=m2×U2×I2; причём S1≥S2, либо S1≤S2 (2.3)

Отношение мощности постоянных составляющих выпрямленного напряжения и тока к вольтамперной мощности трансформатора называют коэффициентом использования обмоток:

К1Т=U0×I0/S1; K2T=U0×I0/S2; KT=U0×I0/ST (2.4)

Более совершенными являются такие схемы выпрямления, для которых К1Т, К2Т и КТ близки к единице.

Вентильный блок (рис.2.1) содержит комплект диодов с однотактным или двухтактным включением. Полупроводниковый диод (рис.2.4) – это прибор с односторонней проводимостью тока, имеющий два вывода и один p-n переход. Выпрямительные диоды конструктивно делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузные и эпитаксиальные. Выпрямительные диоды с прямым током более 10А называют силовыми вентилями. Материалом для таких диодов служит кремний или арсенид галлия. Кремневые сплавные диоды используются для выпрямления тока с частотой до 5кГц. Кремневые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100кГц. Кремневые эпитаксиальные диоды могут использоваться на частотах до 500кГц. Арсенид галлиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких МГц.

Статические параметры вентилей можно определить по прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2.4 в), которая с достаточной для инженерных расчётов точностью аппроксимируется кусочно-линейной функцией

Uпр.V = Uпор.V+iпр.V·Rд.V, (2.5)

где Uпр.V, Rд.V – пороговое напряжение и дифференциальное (динамическое) сопротивление прямой ветви ВАХ, определяемые через угол наклона касательной, проведённой к точке ВАХ с координатой iпр. V/2

, (2.6)

где mU и mi масштабы координатных осей на графике ВАХ.

Мощность потерь в вентиле, обусловленная прохождением через него прямого тока iпр.V

Pпот.V = Uпор.v×Iср.V+(Kф.V×Iср.V)²×Rд.V. (2.7)

где Кф.V. коэффициент формы кривой тока вентиля, равный отношению действующего (эффективного) значения тока Iэфф.V вентиля к его среднему значению. Мощность потерь в вентиле определяет среднюю температуру его p-n перехода

Тп=Ток. с.+Рпот.V×Rпс, (2.8)

где Ток. с.– температура окружающей среды; Rпс.– тепловое сопротивление переход-среда диода (приводится в справочных данных, измеряется в °С/Вт). Температура Тп p-n перехода является одним из важнейших параметров вентиля и не должна превышать предельно-допустимого значения Тп≤Тп. доп. (150° для кремневых диодов).

Для оценки электрической прочности вентилей введены понятия повторяющегося напряжения UП, неповторяющегося напряжения Uнеп и рекомендуемого рабочего напряжения Up. Максимальное значение UV.max обратного напряжения на вентиле не должно превышать значений Uп, Uнеп, Uр, оговоренных заводом-изготовителем. Типовые значения статических параметров некоторых силовых диодов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Тип диода	Технология изготовления	Uпор (В)	Rg.v. (Ом)	Iпр. v (A)	Up (В)
Д247	Сплавной	1,5	0,1	10	500
КД213	Диффузионный	1,0	0,05	10	200
КД2998	Эпитаксиальный с Барьером Шотки	0,6	0,03	30	35

Фильтрующее устройство выпрямителей (рис.2.1) относится к классу фильтров нижних частот. Поэтому элементы фильтра, включённые последовательно с нагрузкой, должны обладать большим сопротивлением переменному току (дроссели, транзисторы и т. д.), а элементы, включённые параллельно нагрузке – малым сопротивлением переменному току и большим для постоянного тока (конденсаторы, последовательная резонансная цепь и т. д.). Степень ослабления пульсаций принято оценивать коэффициентом сглаживания

(2.9)

где Kп. вх и Kп. вых - коэффициенты пульсаций на входе и на выходе фильтра соответственно, либо коэффициентом фильтрации

(2.10)

где Uм~вх и Uм~вых – амплитуды напряжений пульсаций на входе и на выходе фильтра соответственно. Обычно qсгл и qф близки по значениям к друг к другу.

ФУ должно удовлетворять следующим основным требованиям. Обладать необходимым коэффициентом сглаживания, иметь высокий КПД, малые габариты, массу и стоимость, не вносить искажений в работу потребителя. В качестве ФУ находят применение одиночные фильтры (индуктивные и емкостные), Г - и П- образные фильтры, а также активные фильтры на транзисторах и интегральных микросхемах.

2.4 Эквивалентные схемы выпрямителей.

Эквивалентная схема – это принципиальная схема, отражающая математическую модель изучаемой схемы (см. рис. 2.5.а). Эквивалентная схема преобразовательного трансформатора (рис. 2.5,б) представляется фазными ЭДС e2(wt) в вентильных обмотках, индуктивностями Ls рассеяния и активными сопротивлениями Rт, причём Ls и Rт соответственно суммарные фазные индуктивности рассеяния и активные сопротивления обмоток преобразовательного трансформатора, приведённые к фазе его вентильной обмотки.

Эквивалентная схема диодного вентиля (рис.2.5,б) представляется идеальным вентилем VDид (обладающим нулевым сопротивлением для тока iпр.v прямого направления и бесконечно большим сопротивлением для тока обратного направления), дифференциальным сопротивлением Rд.v прямой ветви ВАХ и источником напряжения Uпор.v. Эквивалентная схема дросселя L фильтра

(рис.2.5,б) представляется идеальной индуктивностью L и активным сопротивлением RL потерь (в схемах с резонансными фильтрами необходимо учитывать и активные потери в магнитопроводе дросселя). Потерями в конденсаторе фильтра при частоте питающей сети до 1кГЦ можно пренебречь.

2.5. Методика анализа выпрямительных схем.

1. При анализе выпрямительных схем считают, что напряжение сети не содержит высших гармоник, отклонения и колебания напряжения и частоты отсутствуют, сеть симметричная. На основании принципиальной схемы выпрямителя составляют его полную эквивалентную схему.