Феррорезонансные стабилизаторы напряжения

Помимо стабилизации уже выпрямленных напряже­ний иногда стабилизируют переменное напряжение на входе блока питания. Для этого используют феррорезонансные стабилизаторы переменного напряжения. Од­нако феррорезонансные стабилизаторы обладают рядом недостатков, о которых необходимо знать. Согласно дей­ствующему стандарту выходное напряжение стабилиза­тора может находиться в пределах от 0,9 до 1,05 номи­нального, то есть от 198 до 231 В. Стабилизаторы не снабжаются вольтметром, проконтролировать выходное напряжение нельзя, осуществить регулировку выходного напряжения потребитель не может.

Феррорезонансные стабилизаторы искажают сину­соидальную форму кривой напряжения, которая на вы­ходе стабилизатора приближается к прямоугольной с коэффициентом нелинейных искажений до 12 %, и соз­дают значительное магнитное поле, которое может при­водить к появлению медленно перемещающихся в вер­тикальном направлении горизонтальных полос на эк­ране телевизора, или нарушать сведение лучей цветно­го кинескопа.

Стабилизатор настроен на заводе на поддержание в указанных пределах эффективного значения выходного напряжения. Из-за искажения формы кривой аплитуд-' ное значение напряжения оказывается заниженным. При синусоидальной форме напряжения 220 В_эфф его амплитуда составляет 311 В. При коэффициенте нели­нейных искажений 12 % амплитуда уменьшается также примерно на 12 %, достигая 274 В. Таким образом, даже в том случае, если на выходе стабилизатора поддержи­вается номинальное эффективное значение напряже­ния, уменьшение амплитудного значения выходит за допустимые для электробытовой аппаратуры десяти­процентные пределы. Если же стабилизатор настроен за­водом на нижний предел допустимого выходного нап­ряжения 198 В_эфф, при указанных двенадцатипроцент­ных искажениях формы кривой амплитуда может упасть до 246 В, что на 21 % меньше номинального зна­чения. А ведь именно от амплитудного значения напря­жения зависят все выпрямленные напряжения в блоке «питания аппарата. Поэтому они также окажутся силь­но заниженными.

В телевизоре это может привести к уменьшению размеров растра, ухудшению линейности разверток, падению яркости, контрастности и чувствительности, нарушениям цветности и ухудшению сведения лучей. В радиоприемнике — к ухудшению чувствительности, уменьшению выходной мощности, к увеличению нели­нейных искажений. В магнитофоне — к падению выход­ной мощности, уменьшению скорости транспортирования ленты, к ухудшению стирания старых записей, к от­казам при перемотке. Наконец, в связи с тем, что рабо­тоспособность электронной бытовой аппаратуры гарантируется лишь при уменьшении напряжения питания на 10 %, а выпрямленные напряжения в рассмотренных условиях уменьшились на 21 %, может вообще нару­шиться работоспособность.аппарата. Таким образом, при номинальном напряжении сети включение аппарату­ры через стабилизатор может сопровождаться наруше­нием работоспособности, хотя без стабилизатора она работает хорошо.

Может показаться, что целесообразнее на заводе ре­гулировать стабилизатор так, чтобы на его выходе под­держивалось номинальным амплитудное значение нап­ряжения. Однако при этом эффективное значение ока­жется завышенным, что приведет к перекалу катодов электронных ламп и кинескопа, а это совершенно недо­пустимо. Поэтому пользоваться феррорезонансным стабили­затором можно лишь в тех случаях, когда напряжение сети изменяется резкими скачками и в больших преде­лах, что может вывести аппарат из строя. При этом придется мириться с указанными недостатками, а во избежание воздействия магнитных полей стабилизатора размещать его на расстоянии не менее 1,5 м от подклю­ченного к стабилизатору аппарата. Если же напряже­ние сети изменяется медленно и плавно, вместо стаби­лизатора целесообразнее использовать регулируемый автотрансформатор с вольтметром.

Феррорезонансные стабилизаторы рассчитаны на ра­боту при частоте переменного тока, находящейся в пре­делах от 49,5 до 50,5 Гц. Если частота выходит за эти пределы, использование стабилизатора совершенно не­допустимо. Такие уходы частоты в сетях переменного тока, входящих в единую энергетическую систему страны, крайне редки. Однако еще многие населенные пунк­ты получают энергию от автономных местных электро­станций, где частота может изменяться в пределах от 49 до 51 Гц. Наконец, в экспедициях, геологоразведоч­ных партиях, на кораблях и в поездах частота напря­жения бывает очень нестабильна и колебания напряже­ния могут быть значительными. В этих условиях ис­пользование феррорезонансных стабилизаторов вообще должно быть исключено.

По мере развития техники конструкторы бытовой аппаратуры постоянно стремятся к усовершенствова­нию схем, чтобы упростить управление аппаратом и свести ручные регулировки к минимуму. В последние годы разработаны и выпускаются телевизоры с им­пульсным стабилизированным блоком питания, который обеспечивает нормальную работу при колебаниях нап­ряжения сети в пределах от 176 до 242 В. Такие телеви­зоры, не нуждаются ни в регулируемом автотрансфор­маторе, ни в стабилизаторе напряжения. К ним относятся аппараты 2УСЦТ и ЗУСЦТ, то есть унифициро­ванные стационарные телевизоры цветного изображе­ния с торговыми индексами Ц-255, Ц-256, Ц-257, Ц-275, Ц-280, Ц-380 и последующие, а также переносные теле­визоры типа «Электроника Ц-432». Кроме наличия ста­билизированно го блока питания в этих телевизорах рез­ко снижена мощность, потребляемая от сети.

6.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ПАРАМЕТРЫ

Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от характера его нагрузки. Различают следующие режимы работы выпрямителя: на активную нагрузку, на нагрузку емкостного ха­рактера, на противоэдс, на индуктивную нагрузку, на нагрузку, состоящую из L, С и R. Идеальная активная нагрузка выпрямителя относительно ред­ка и характерна лишь для цепей, не требующих ограничения пере­менной составляющей выпрямленного напряжения. Емкостная нагрузка характерна для выпрямителей малой мощ­ности. Емкость устанавливается на выходе выпрямителя парал­лельно нагрузке, для уменьшения переменной составляющей вы­прямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель бу­дет определяться емкостью, сопротивление которой для перемен­ной составляющей много меньше сопротивления нагрузки.

Режим работы выпрямителя на противоэдс является характер­ным при заряде аккумуляторных батарей или при питании двига­телей постоянного тока. Если фильтр выпрямителя начинается с достаточно большой индуктивности, то принято считать, что нагрузка выпрямителя ин­дуктивная. На индуктивную нагрузку в основном работают выпря­мители средней и большой мощности. В независимости от режима работы выпрямитель характери­зуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующи­ми режим работы вентиля и параметрами трансформатора.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: среднее зна­чение выпрямленного напряжения u₀;среднее значение выпрям­ленного тока - Iо; коэффициент пульсации выпрямленного напря­жения Kn_K = Uokm/Uo*); [*) Коэффициентом пульсации называется отношение амплитуды k-ой гармо­ники выпрямленного напряжения u_0Kmк среднему значению выпрямленного на­пряжения u₀. Коэффициент пульсации может измеряться в процентах по отношению к на­пряжению u₀. Обычно в выпрямителях интересуются коэффициентом пульсации по первой гармонике выпрямленного напряжения, так как она имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту.]

частота основной гармоники выпрямлен­ного напряжения U_n1; внешняя характеристика выпрямителя - за­висимость выходного напряжения выпрямителя U₀ от тока на­грузки Iо при неизменном напряжении на входе выпрямителя.

По этой характеристике можно определить номинальное зна­чение выходного напряжения выпрямителя и его внутреннее сопро­тивление по постоянному току.

Вентили в схемах выпрямления характеризуются следующими параметрами: средним значением тока вентиля I_СP; действующим значением тока вентиля I_B; амплитудой тока в вентиле Iв_m; ампли­тудой обратного напряжения U_0брm; средней мощностью, рассеи­ваемой вентилем за период Р_B. По этим параметрам в схемах выпрямления выбирают венти­ли. Величины указанных параметров не должны превышать пре­дельно допустимых значений, указанных в паспортных данных для выбранных типов вентилей.

Для трансформаторов, работающих в схемах выпрямления, определяются следующие параметры: действующие значения напряжения U₂ и тока I₂ вторичной об­мотки; действующие значения напряжения U₁ и тока I₁первичной обмотки; полная мощность вторичной обмотки S₂;полная мощ­ность первичной обмотки S₁; полная или габаритная мощность трансформатора S_TP = (S₁ + S₂)/2; коэффициент использования вто­ричной обмотки трансформатора K₂ = Po/S₂,где p₀ - выходная мощность выпрямителя; коэффициент использования первичной обмотки трансформатора K₁ = Po/S₁, коэффициент использования трансформатора

K_TP = Po/Sтр. Величины параметров вентилей и трансформатора зависят как от схемы выпрямления, так и от режима работы выпрямителя.

6.4. РАБОТА НА АКТИВНУЮ НАГРУЗКУ

Рис. 6.13. Трехфазный выпря­митель, нагруженный на ак­тивное сопротивление

Рис. 6Л4. Напряжения и токи в трехфазной схеме выпрямле­ния:

а) фазные напряжения вторич­ных обмоток; б) выпрямлен­ные напряжение и ток; 0) ток в фазе вторичной обмотки трансформатора; г) ток в фа­зе первичной обмотки; д) об­ратное напряжение на вентиле

Случай чисто активной нагрузки выпрямителя относительно редок и характерен лишь при питании цепей, не требующих ограничения переменной составляющей в кривой выпрямленного на­пряжения (цепи сигнализации, контроля, защиты и т. д.).

Выпрямитель (рис. 6.13) состоит из трансформатора, имеюще­го m - фазную вторичную обмотку (на схеме показан частный слу­чай трехфазной обмотки, соединенной в звезду). Свободные зажимы обмоток подключены к ано­дам вентилей. Катоды всех вентилей соединены в общую точку, образую­щую положительный полюс на вы­ходе выпрямителя. Отрицательным полюсом является нулевая точка вторичных обмоток трансформатора. Для упрощения будем считать вентили и трансформатор идеальны­ми, т. е. сопротивлениe вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном - бесконечно велико и трансформатор не имеет ни актив­ных, ни реактивных сопротивлений.

При включении первичных обмоток в сеть переменного тока в фазах вторичных обмоток индуктируются ЭДС U_A, U_B, U_C, сдвину­тые по фазе на 2π/m (в трехфазной схеме на 2π/3, см. рис. 6.14а). Выбрав произвольно момент t₁, видим, что ЭДС фазы Aнаиболее положительна и анод вентиля 1имеет наиболее высокий потенци­ал. Следовательно, вентиль 1 открыт и под действием ЭДС U_Aбудет протекать ток от точки a фазы вторичной обмотки, через вен­тиль 1,сопротивление нагрузки R_H к нулевой точке вторичных об­моток трансформатора. Напряжение на нагрузке равно мгновен­ному значению ЭДС U_A, так как падение напряжения в идеальном выпрямителе (в трансформаторе и вентиле) равно нулю. В момент t₁ напряжение фазы B также положительно, но меньше, чем U_A. Поэтому потенциал анода вентиля 2ниже, чем потенциал его ка­тода и, следовательно, вентиль 2будет закрыт. Таким образом, в течение части периода 2π/m ЭДС в фазе Aимеет наиболее положительное значение и вентиль 1остается от­крытым. Начиная с момента 4, наибольшее положительное зна­чение приобретает ЭДС фазы B U_B;,вследствие чего открывается вентиль 2и вступает в работу фаза B. Начиная с момента t₃, всту­пает в работу фаза Cи т. д. Напряжение на выходе выпрямителя u₀в любой момент равно мгновенному значению ЭДС фазы вторичной обмотки, в которой вентиль открыт и, следовательно, выпрямленное напряжение U₀представится кривой огибающей зависимости ЭДС вторичных об­моток (рис. 6.146). Так как ток в нагрузке равен отношению вы­прямленного напряжения к сопротивлению нагрузки, т. е. I₀ = U₀/R_Hто в ином масштабе кривая u₀представляет собой кривую тока I₀. Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагруженном на активное сопротивление, каждая фаза вторичной обмотки транс­форматора работает один раз за период в течение части периода 2π/m, причем ток в работающей фазе равен току нагрузки. По­этому ток в фазе A вторичной обмотки (рис. 6.14в) имеет форму прямоугольника с основанием 2π/mи ограниченного сверху отрез­ком синусоиды. Токи в фазах b и с изобразятся подобными кривы­ми, сдвинутыми по фазе относительно кривой тока фазы а на 2π/m и 2 (2π/m) соответственно. Выбрав начало отсчета времени в момент, соответствующий амплитуде напряжения в фазе вторичной обмотки U_2m, в интерва­ле от t = ± π/m выпрямленное напряжение U₀ = U_2mcos ωt Его по­стоянная составляющая (среднее значение)

(6.1)

Из (6.1) получим выражение, связывающее действующее зна­чение напряжения фазы вторичной обмотки U₂со средним значе­нием выпрямленного напряжения u₀:

(6.2)

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной состав­ляющей содержит также переменную составляющую. Так как пе­риод изменения кривой u₀ в mраз меньше периода изменения то­ка питающей сети, то частота первой гармоники переменной со­ставляющей в mраз больше частоты тока питающей сети, т. е. fn₁ = mf_C

Гармонический ряд для кривой u₀ имеет следующий вид:

.

где U_o1m, U_o2m - амплитуда первой, второй и т. д. гармоник; ω - угловая частота тока питающей сети. В силу симметрии кривой U₀ относительно оси ординат членов с синусами в гармоническом ряде нет. Амплитуда k-той гармони­ческой переменной составляющей

(6.3)

Это выражение справедливо при m ≥ 2. В реальном выпрямителе сопротивление вентиля в прямом на­правлении не равно нулю и обмотки трансформатора обладают как индуктивным, так и активным сопротивлениями. Вследствие этого выпрямленное напряжение при нагрузке будет меньше на­пряжения при холостом ходе. Содержание переменной составляющей в кривой выпрямлен­ного напряжения определяется коэффициентом пульсации

•

На практике переменная составляющая или пульсация напря­жения оценивается по первой гармонике, имеющей наибольшую амплитуду и низшую частоту. Для первой гармоники (k =1) пуль­сация равна

Как видно из рис, 6.14в, каждая фаза вторичной обмотки трансформатора и каждый вентиль в однотактных схемах работа­ют один раз за период в течение его части 2я//п. Среднее значе­ние тока в обмотке трансформатора и через вентиль в т раз мень­ше тока нагрузки, т. е. Действующее значение тока вторичной обмотки и вентиля

, (6.4)

где I_2m - амплитуда тока вторичной обмотки =

•

В двухтактных (мостовых) схемах выпрямления длительность работы фазы в два раза больше, чем длительность работы вентиля_и действующее значение тока вторичной обмотки равно: √2I_В, где Iв - ток вентиля, определяемый (6.4). Максимальная величина обратного напряжения, прикладывае­мого к вентилю, зависит от схемы выпрямления. На рис. 6.14(3 изображена кривая обратного напряжения на вентиле 1,для схемы рис. 6.13. Кривая обратного напряжения представляет собой разность двух синусоидальных фазных на­пряжений. Максимальная величина обратного напряжения равна амплитуде линейного напряжения на зажимах вторичной обмотки

U_ОБР = √3U_2m = √3√2U₂.

Линейное напряжение первичной обмотки U_1Лотличается от линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2л в коэффициент трансформации nт. е. U_1Л = nU_2Л. Отсюда легко определить соотношение между фазными значениями напряжений вторичной и первичной обмоток для различных схем соединения последних. Соотношение между токами в фазах первичных и вто­ричных обмоток зависит не только от коэффициента трансформа­ции и схемы соединения первичных обмоток, но и от числа фаз первичных m₁ и вторичных m₂обмоток. Для определения формы кривой тока первичной обмотки I₁ для схемы рис. 6.13 воспользуемся уравнением токов первичной oбмотки и уравнением для намагничивающих сил в трансформаторе. В интервале времени, когда работает вентиль 1фазы A,то­ки в фазах первичной обмотки связаны соотношением I_1A – I_1B – I_1C = 0 (6.5)

Рассмотрев два магнитных контура, один из которых включает cтержни сердечников / и II, а другой - стержни // и ///, запишем уравнение равновесия намагничивающих сил, током холостого ходa трансформатора при этом пренебрегаем:

I_1Aω₁ – I_1B ω₁ – I_2a ω₂ = 0,

I_1Cω₁ – I_1B ω₁ = 0. (6.6)

Разделив уравнение (6.6) на число витков первичной обмотки и учитывая (6.5), получим систему уравнений для токов в транс­форматоре:

(6.7)

где - ток вторичной обмотки, приведенный к первичной. Из ур-ний (6.7) получим

(6.8)

Из (6.8) видно, что первичная обмотка фазы A,пропускает в положительном направлении 2/3 приведенного тока вторичной об­мотки, токи в фазах В и Св этом интервале времени имеют отри­цательное направление и равны 1/3 приведенного тока вторичной обмотки. На рис. (6.14г) изображена кривая тока I_А. Кривые то­ков в фазах В и Спервичной обмотки имеют такую же форму и сдвинуты по фазе относительно тока I_1a на 2π/3 и 4π/3 соответ­ственно.

Действующее значение тока в фазе первичной обмотки для схе­мы рис. 6.13 можно определить из следующего выражения:

6-9)

:

В выражении (6.9) для упрощения пульсация тока не учиты­валась. Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, равна произведению выпрямленного напряжения на ток (средние значения), т. е. p₀ = u₀I₀. Мощность, на которую должны быть рассчитаны трансформа­тор, и вентили, определяется не только постоянной, но и перемен­ной составляющей тока и напряжения. Эта мощность, называемая габаритной, больше полезной и определяется действующими зна­чениями напряжения и тока, т. е.

S₂ = m₂U₂I₂; S₁ = m₁U₁I₁; S_ТР = 0,5(S₁ + S₂)

где S₁, S₂, S_ТP - габаритные мощности соответственно вторичной, первичной обмотки и трансформатора в вольт-амперах.

Б однотактных схемах выпрямления габаритная мощность вторичных обмоток больше, чем первичных (S2>S1) вследствие наличия постоянной составляющей в кривой тока вторичной об­мотки (при m₁= m₂) или худшего использования вторичных обмо­ток при (m₂ > m₁)

В однотактньгх схемах выпрямления возникает вынужденное намагничивание трансформатора. В рассматриваемой схеме однотактного трехфазного выпрями­теля для каждого из стержней трансформаторов характерен раз­баланс НС. В рабочем интервале фазы Aна стержень данной фа­зы действует намагничивающая сила I_2Aω₂ – I_1Aω₁ =l/3I_Aω₂, на­правление которой совпадает с направлением тока I_2A. В стержнях фаз В и С втом же направлении действуют несбалансированные намагничивающие силы, обусловленные токами I_1b, I_1C

I_1B = I₀ω₂/3, I_1C = I₀ω₂/3. Данные НС создают поток вынужденного намагничивания, ко­торый замыкается через окружающее трансформатор пространст­во. Если трансформатор имеет кожух из магнитного материала поток вынужденного намагничивания может достичь большой ве­личины и вызвать насыщение сердечника, что, в свою очередь уве­личит ток холостого хода трансформатора. Наличие вынужденного намагничивания также увеличивает потери в стали трансформатора и снижает КПД всего устройства. Для уменьшения насыщения сердечника трансформатора уве­личивают сечение сердечников, т. е. растет масса как трансфор­матора, так и всего устройства.

Рис. 6.15. Схема двухфазного выпрями­теля, Рис. 6.16. Изменения выпрямленного напряже работающего на емкостную на­грузку ния и тока в вентиле i_b.

6.6. РАБОТА НА НАГРУЗКУ ИНДУКТИВНОГО ХАРАКТЕРА

При работе многофазного (на примере трехфазной схемы) однотактного выпрямителя на нагрузку R_H, последовательно с кото­рой включен дроссель (рис. 6.28а) с достаточно большой индуктивностью (mωL > R_H), реакция нагрузки на выпрямительбудет определяться этой индуктивностью. Если принять индуктивность дросселя бесконечно большой (L → ∞), то любое приращение; тока в дросселе будет индуктировать в его обмотке бесконечно большую эдс самоиндукции

Рис. 6.28. Трехфазное выпрямление при работе на индуктивную нагрузку: a)схема; б) изменение выпрямленного напряжения.

препятствующую изменениям тока. Следовательно, ток как в дросселе так и в наг­рузке I₀ не может претерпевать изменений во времени. При идеальных вентилях (Rпр = 0 и Roбр = ∞) и трансформаторе (г_тр = 0 и x_TP = 0) выпрямленное напряжение u₀, как и при работе на активную нагрузку, имеет форму огибающей зависимостей эдс в фазах вторичных обмоток трансформатора (рис. 6.286) и может быть представлено гармоническим рядом

Так как ток в нагрузке I₀ не претерпевает изменений во вре­мени (при R_H = const), то и напряжение на нагрузке постоянно и равно

.

Очевидно, что при бесконечно большой индуктивности дрос­селя переменная составляющая кривой выпрямленного напряже­ния будет приложена к зажимам дросселя. Так же как и при ак­тивной нагрузке коэффициент пульсации