Введение. Потребители электрической энергии

СОДЕРЖАНИЕ

Потребители электрической энергии

Л.И. Коляда

Ч.1. Преобразовательные установки (силовые преобразователи)

(конспект лекций)

Мариуполь 2009

УДК 621.38

Конспект лекций по дисциплине «Потребители электрической энергии. Ч.1. Преобразовательные устройства (силовые преобразователи)» для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 6.090603 – Электротехнические системы электропотребления /Составила Л.И. Коляда. – Мариуполь: ПГТУ, 2009. – 100 с.

Данный конспект лекций может использоваться как самостоятельное пособие по дисциплине «Силовые преобразователи» для студентов специальности 6.050702 – Электротехнические системы автоматизации и электропривода

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Составила Л.И. Коляда

доцент, канд. техн. наук

Ответственный Ю.Л. Саенко, зам. зав. кафедрой ЭПП,

за выпуск профессор, докт. техн. наук

Рецензент А.В. Горпинич

доцент, канд. техн. наук

Утверждено на заседании кафедры электроснабжения промышленных предприятий. Протокол № 4 от 6 ноября 2008 г.

Введение
1.	Общие сведения и классификация устройств преобразовательной техники
1.1.	Основные виды преобразовательных устройств
1.2.	Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств
2.	Маломощные выпрямители однофазного тока
2.1.	Общие сведения о выпрямителях. Классификация
2.2.	Однофазный выпрямитель по схеме с нулевым выводом, работающий на активную нагрузку
2.3.	Работа однофазного нулевого двухполупериодного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
2.4.	Работа однофазного нулевого двухполупериодного выпрямителя на активно-емкостную нагрузку
2.5.	Однофазный мостовой выпрямитель. Режима работы
2.6.	Внешняя (выходная) характеристика маломощного выпрямителя
2.7.	Сглаживающие фильтры
3.	Управляемые выпрямители однофазного тока
3.1.	Способы регулирования выходного напряжения выпрямителя
3.2.	Управляемый выпрямитель по схеме с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора
3.2.1.	Работа однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку
3.2.2.	Работа однофазного управляемого выпрямителя на активно- индуктивную нагрузку
3.2.3.	Работа однофазного управляемого выпрямителя с активно- индуктивной нагрузкой и нулевым диодом
3.3.	Коммутация тока. Внешние характеристики мощных однофазных выпрямителей
4.	Выпрямители трехфазного тока
4.1.	Неуправляемые выпрямители трехфазного тока с нулевым выводом
4.2.	Схема трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя
4.3.	Коммутация вентилей в трехфазном мостовом неуправляемом выпрямителе. Внешние характеристики
4.4.	Мостовой управляемый выпрямитель трехфазного тока
4.5.	Составные многофазные схемы выпрямления
4.5.1.	Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором
4.5.2.	Составные двенадцатипульсные выпрямители
5.	Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть
5.1.	Высшие гармонические в кривой выпрямленного напряжения и первичного тока выпрямителя
5.2.	Коэффициент мощности выпрямителя
5.3.	Коэффициент полезного действия выпрямителя
6.	Инверторы, ведомые сетью
6.1.	Переход от режима выпрямления к режиму инвертирования
6.2.	Работа однофазного ведомого инвертора
6.3.	Работа трехфазного ведомого инвертора
7.	Автономные инверторы
7.1.	Общие сведения. Классификация автономных инверторов
7.2.	Автономный инвертор напряжения
7.3.	Автономный инвертор тока
7.4.	Резонансный инвертор
8.	Тиристорные преобразователи
8.1.	Тиристорный преобразователь для электропривода постоянного тока
8.2.	Непосредственный преобразователь частоты
8.3.	Принципы построения систем управления тиристорными Преобразователями, ведомыми сетью
Литература

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество потребителей в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии. Чаще всего требуется:

- постоянный ток (электрохимические и электролизные ванны, электропривод постоянного тока, электрический транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);

- переменный ток непромышленной частоты (индукционный нагрев, регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим возникает необходимость а преобразовании

переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.

Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Большие возможности, открывающиеся при использовании преобразовательных устройств в различных отраслях народного хозяйства, определяют все возрастающий интерес к ним со стороны самого широкого круга специалистов. Инженеры-электрики, не являясь специалистами в области преобразовательной техники, должны эксплуатировать преобразовательные устройства или разрабатывать новые системы, в которые преобразователи входят как составные части. Поэтому они должны понимать принцип работы преобразователей, знать их возможности и основные особенности, а также уметь рассчитывать элементы схем преобразователей.

В соответствии с программой дисциплины рассмотрены принципы преобразования электрической энергии в выпрямителе, инверторе, преобразователе частоты. Проанализированы основные схемы и физические принципы работы преобразовательных устройств, характеристики и показатели работы преобразователей, подходы к расчету и выбору элементов схемы.

При составлении конспекта лекций использованы учебники, учебные и справочные пособия Герасимова В.Г., Горбачева Г.Н., Забродина Ю.С., Каганова Ю.Л., Ковалева В.Н., Ковалева В.Д., Лабунцова В.А., Мостковой Г.П., Попкова О.З., Ромашко В.Я., Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюка В.В., Чиженко И.М. и других авторов.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

УСТРОЙСТВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1.1.Основные виды преобразовательных устройств

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей (ПП), по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:

- ПП обладают высокими регулировочными и энергетическими показателями;

- имеют малые габариты и массу;

- просты и надежны в эксплуатации;

- обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам ПП получили широкое применение в различных отраслях хозяйства: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения основных видов преобразовательных устройств.

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U_~ ® U₌).

Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U₌ ® U_~).

Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (U_f1® U_f2).

Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U_1~® U_2~).

Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники. Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

1.2. Краткая характеристика элементной базы

преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства, разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, тиристоры, симисторы и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.

1. Диоды – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток I_{а доп} £ 1А), диоды средней мощности (I_{а доп} = 1 - 10А) и диоды большой мощности (I_{а доп} ³ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (f_доп £ 500 Гц) и высокочастотные (f_доп > 500 Гц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока, I_{а доп}, А, и наибольшее обратное напряжение,U_bmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-п – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения. Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах. Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-п – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1.1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1.1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного диода).

Рис. 1.1 - Условное обозначение и обратная ветвь ВАХ диода

2. Тиристоры – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры, имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.

Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.

Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 1.2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и ВАХ. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента

Рис. 1.2 – Тиристор

Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, I_{а доп}, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, U_{а max}, В, допустимое обратное напряжение, U_bmax, В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.

Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии, I_уд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.

3. Другие элементы. Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и п- слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви ВАХ тиристора.

Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

2. МАЛОМОЩНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАЗНОГО ТОКА

2.1. Общие сведения о выпрямителях. Классификация

выпрямителей

Устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем. Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, представленной на рис. 2.1.

Охарактеризуем основные элементы схемы:

а) силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя и электрического разделения отдельных цепей выпрямителя (т.е. разделяет питающую сеть и сеть нагрузки);

б) блок вентилей обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее;

в) сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсации напряжения на нагрузке до требуемого значения;

г) стабилизатор напряжения, служащий для стабилизации среднего значения выпрямленного напряжения при колебаниях напряжения питающей сети или при изменении тока нагрузки.

Рис. 2.1 – Структурная схема выпрямителя

Соотношения между параметрами в выпрямительном устройстве во многом зависят от схемы выпрямления. Под схемой выпрямления понимают схему соединения обмоток трансформатора и порядок присоединения вентилей ко вторичным обмоткам трансформатора.

Схемы выпрямления (выпрямители) классифицируют по следующим основным признакам:

1. По числу фаз источника питания переменного напряжения

различают выпрямители однофазного тока и выпрямители трехфазного тока.

2. По способу подключения вентилей ко вторичной обмотке

трансформатора – нулевые схемы, с использованием нулевой (средней) точки вторичной обмотки трансформатора и мостовыесхемы, в которых нулевая точка изолирована или вторичные обмотки трансформатора соединены в треугольник.

3. Попотребляемой нагрузкой мощности выпрямители делятся

на маломощные (единицы кВт), средней мощности (десятки кВт) и большой мощности (Р_пот > 100 кВт).

4. Независимо от мощности выпрямителя все схемы делятся на однотактные или однополупериодные и двухтактные (двухполупериодные).

Однотактные – это схемы, у которых ток протекает по вторичным обмоткам трансформатора один раз за период (полупериод или его часть). Все нулевые схемы являются однотактными.

К двухтактным относят схемы, у которых ток протекает дважды за один период (притом в противоположных направлениях) в каждой вторичной обмотке трансформатора. Мостовые схемы выпрямления относятся к двухтактным схемам.

5. По назначению: а) маломощные выпрямители, как правило, однофазные,

используют в системах управления, для питания отдельных узлов электронной аппаратуры, в измерительной технике и др.; б) выпрямители средней и большой мощности служат источниками питания промышленных установок.

6. Схемы выпрямления делятся на простые и сложные. К простым схемам относятся однофазные и трехфазные, нулевые и мостовые схемы. В сложных (или составных схемах) несколько простых схем соединяются последовательно или параллельно.

7. По виду (характеру) нагрузки. Для однофазных схем выпрямления характерны значительные пульсации выпрямленного напряжения. Для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке используют сглаживающие фильтры, выполняемые на основе реактивных элементов дросселей (L) и конденсаторов (С). Характер входной цепи сглаживающего фильтра совместно с нагрузкой определяют вид нагрузки выпрямителя. Различают работу выпрямителя на активную нагрузку (R – НГ), активно-индуктивную нагрузку (RL – НГ), активную нагрузку и емкостный фильтр (RC – НГ).

Общим для всех выпрямителей является их применение преимущественно при RL – НГ. Это объясняется тем, что маломощные выпрямители чаще всего работают LC – фильтром, а мощные выпрямители - с L – фильтром.

8. По способу управления различают неуправляемые и управляемые выпрямители.

2.2. Однофазный выпрямитель по схеме с нулевым выводом, работающий на активную нагрузку

Схема выпрямителя показана на рис.2.2.

Рис.2.2 – Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя

с выводом нулевой точки трансформатора

Двухполупериодное выпрямление в схеме достигается выполнением трансформатора с двумя вторичными обмотками. Обмотки соединены последовательно и имеют общую нулевую (среднюю) точку. Свободные концы вторичных обмоток трансформатора присоединены к анодам вентилей Д₁ и Д₂, а связанные между собой катоды вентилей образуют положительный полюс выпрямителя. Отрицательным полюсом выпрямителя является общая (нулевая) точка соединения вторичных обмоток.

Таким образом трансформатор служит в этой схеме как для согласования величины питающего напряжения и напряжения на нагрузке, так и для создания средней (нулевой) точки. Очевидно, что напряжения на выводах вторичных обмотках трансформатора u₁ и u₂ (или ЭДС е₁ и е₂) одинаковы по величине и сдвинуты относительно нулевой точки на 180°, т.е. находятся в противофазе.

Рис. 2.3 – Временные диаграммы однофазного выпрямителя с нулевым

выводом при активной нагрузке

Принцип действия схемы рассмотрим с использованием временных диаграмм токов и напряжений, поясняющих работу выпрямителя (рис 2.3).

В каждый момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого положителен. Поэтому на интервале 0 – π открыт диод Д₁ (рис. 2.3, а-б) и к сопротивлению нагрузки R_н (R_d) приложено фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора u_d = u_2-1 (рис. 2.3, в). Диод Д₂ в интервале 0 – π закрыт, так как к нему приложено отрицательное напряжение. В конце интервала напряжения и токи в схеме равны нулю. На следующем интервале работы схемы π - 2π напряжения на первичной и вторичной обмотках изменяют свою полярность на обратную, поэтому диод Д₂ будет открыт, а диод Д₁ – закрыт. Далее процессы в схеме выпрямления повторяются. Кривая выпрямленного напряжения u_d состоит из однополярных полуволн фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис.2.3, в). Форма тока нагрузки (рис. 2.3, г) при чисто активной нагрузке повторяет форму напряжения. Диоды Д₁ и Д₂ проводят ток поочередно в течение полупериода. Очередность работы вентилей показана на рис. 2.3, д-е.

Определим основные соотношения между токами и напряжениями в схеме относительно исходных данных. Исходными данными при расчете выпрямительной схемы являются: среднее значение выходного напряжения U_d (тока I_d), сопротивление нагрузки R_н = U_d / I_d и действующее значение напряжения питающей сети U₁ (U₁ = 127, 220, 380 В и т.д.).

При расчете выпрямителя полагаем, что вентили и трансформатор идеальные, т.е. падения напряжения на этих элементах равны нулю. Сопротивления соединительных проводов также принимаем равными нулю. Рассчитать выпрямить –это значит оп ределить предельные значения токов и напряжений в различных ветвях и точках схемы. По расчетным величинам выбрать элементы схемы (или определить другие величин): диоды, коэффициент трансформации трансформатора, сечение проводов и мощность трансформатора и др.

Для определения связи между действующим значением напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора и средним значением выходного напряжения U_d воспользуемся временной диаграммой рис. 2.3, в.

U_d = , (2.1)

где υ = ω t.

Так как при расчете схемы величина U_d является заданной, из формулы (2.1) определим напряжение на вторичной обмотке трансформатора

U₂ = = 1,11 U_d. (2.2)

Определим коэффициент трансформации трансформатора, n, по действующим значениям напряжений на обмотках трансформатора: n = U₁/ U₂.

Из временных диаграмм (рис. 2.3, в) видно, что мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d пульсирует, изменясь за полпериода от максимального значения (u _d = U₂) до нуля. Кривую выходного напряжения выпрямителя можно представить как сумму постоянной и переменной составляющих. Чем меньше амплитуда переменной составляющей, тем меньше пульсации кривой выходного напряжения. Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются коэффициентом пульсации q _ν. Коэффициент пульсаций - это отношение амплитуды переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения:

q_ν = (2.3)

где q _ν – коэффициент пульсации ν-й гармоники;

ν = 1,2,3, …- номер гармоники; U_{d ν max} – амплитуда ν-й гармоники.

Амплитуды гармонических составляющих определяются коэффициентами Фурье при разложении в ряд Фурье кривой u _d:

U_{d ν max} =, (2.4)

где m – эквивалентное число фаз выпрямителя.

Коэффициент пульсаций определяют по амплитуде первой (основной) гармоники (ν = 1), так как она наибольшая в спектре и наиболее трудно поддается фильтрации:

q₁ = (2.5)

Для данной схемы частота первой гармоники пульсации выпрямленного напряжения f _п(1) = 2 f_с = 100 Гц (при f_с = 50 Гц). Из рис. 2.3, в, видно, что напряжение на нагрузке достигает максимального значения дважды за период, т. е m = 2. По формуле (2.5), с учетом m = 2, значение коэффициента пульсаций по первой гармонике равно q₁ = 0,67.

Для выбора диодов необходимо определить среднее значение тока, протекающего через диод и максимальное значение напряжения, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии. Диод может перегреться и сгореть при превышении среднего значения тока, протекающего через него. Диод пробивается при превышении допустимого напряжения, прикладываемого к диоду. Определим среднее значение тока диода I_а, его максимальное значение I_{а max} и U_{b max}.

На временных диаграммах (рис. 2.3, д-е) видно, что каждый диод проводит ток в течение полупериода. Следовательно, среднее значение тока диода равно

I_а =. (2.6)

Максимальное значение тока вентиля найдем по формуле:

I_{a max} = = = . (2.7)

К неработающему диоду прикладывается сумма напряжений вторичных обмоток трансформатора. Например, на интервале π - 2π закрыт диод Д₁, на нем в обратном направлении действует суммарное напряжение u_b = 2 u₂. Максимальное обратное напряжение равно

U_{b max} = 2 U₂ = π U_d. (2.8)

Переходим к расчету силового (анодного) трансформатора. Для этого необходимо определить действующие значения токов I₂ и I₁. которые протекают через обмотки трансформатора.

Ток вторичной обмотки определяется анодным током соответствующего диода (ι₂ = i_а), поэтому ток I₂ определим по кривой i_а1 или i_а2 (рис. 2.3, д-е) с учетом правила определения действующего значения тока

I₂ = = =. (2.9)

Амплитуда тока вторичной обмотки равна амплитуде анодного тока (I _2max = I _{a max}), который определяется выражением (2.7). После подстановки в формулу (2.9) значения I _2max получим

I₂ = . (2.10)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора равно

I₁ = = . (2.11)

Расчетные мощности обмоток трансформатора определяются произведениями действующих значений тока и напряжения. Мощность первичной обмотки равна

S₁ = U₁ I₁ = 1,23 U_d I_d = 1,23 P_d. (2.12)

Суммарная мощность двух вторичных обмоток:

S₂ = 2U₂ I₂ = 1,74 U_d I_d = 1,74 P_d. (2.13)

Типовая (расчетная) мощность трансформатора S_т определяется как полусумма мощностей всех обмоток трансформатора:

S_т = = 1,48 U_d I_d = 1,48 P_d. (2.14)

В формулах (2.12 – 2.14) обозначено P_d = U_d I_d – мощность выпрямленного тока.

Как видно из формулы (2.14), типовая мощность трансформатора в 1,48 раз превышает мощность нагрузки. Это объясняется тем, что мощность трансформатора рассчитывалась по действующим значениям токов и напряжения обмоток трансформатора, а мощность нагрузки – по средним значениям токов и напряжения без учета мощности высших гармоник, присутствующих в спектре выходного напряжения выпрямителя.

2.3. Работа однофазного нулевого двухполупериодного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Рассмотрим процессы в схеме выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. Такой режим характерен для работы выпрямителя на обмотку электродвигателя постоянного тока или при наличии в схеме сглаживающего фильтра с дросселем во входной цепи. Схема выпрямителя с RL- нагрузкой показана на рис 2.4. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы – на рис. 2.5, а-ж.

Как и при работе на активную нагрузку, режим отпирания диодов определяется напряжениями u_2-1 и u_2-2 вторичных обмоток трансформатора (рис.2.5, б)

Рис. 2.4 – Схема однофазного выпрямителя с выводом нулевой точки при активно-индуктивной нагрузке

Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в выходной цепи ι_d, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает более медленно. Это связано с наличием индуктивности в цепи нагрузки, которая препятствует резкому увеличению тока ι_d. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее, затем постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности.

Рис. 2.5 – Временные диаграммы однофазного выпрямителя с нулевым

выводом при активно-индуктивной нагрузке

Из временных диаграмм видно, что ток ι_d не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения u_d. Так как ток в цепи с индуктивностью отстает по фазе от напряжения, максимумы тока ι_d следуют также с некоторой задержкой во времени u_d.

Кривые тока и напряжения в нагрузке R_н имеют одинаковый вид (рис. 2.5, в, г). Если пренебречь активным сопротивлением дросселя, то среднее значение напряжения на нагрузке равно среднему значению напряжения на выходе выпрямителя, т.е. U_dн = U_d. = 0,9 U₂.

При увеличении индуктивности L пульсации в кривой выпрямленного напряжения u_dн будут уменьшаться, а при L → ∞ ток и напряжения будут полностью сглажены.

Изменение формы кривой тока ι _d вызывает изменение формы анодных токов ι _а1 и ι _а2, следовательно, и токов вторичных обмоток трансформатора ι₂. Форма кривых анодных токов близка к прямоугольной форме. Их амплитудные значения можно принять равными

I _{a max} = I _d = . (2.15)

Величина среднего значения анодных токов определяется соотношением (2.6).

При изменении формы анодных токов и тока ι₂, изменяется и форма первичного тока ι₁ трансформатора, приближаясь к двухполярной кривой прямоугольной формы с амплитудой, равной I_d / n.

Влияние индуктивности в цепи нагрузки выпрямителя сказывается также на величинах действующих значений токов, проходящих в обмотках трансформатора и на типовой мощности трансформатора. Определим действующие значения токов I₂ и I₁, приняв кривые токов ι₂, ι₁ прямоугольной формы:

I₂ = = . (2.16)

I₁ = =. (2.17)

Соотношения для мощностей S₁, S₂, S_т имеют следующий вид:

S₁ = U₁·I₁ = 1,11 P_d; (2.18)

S₂ = 2U₂·I₂ = 1,57 P_d; (2.19)

S_т = = 1,34 P_d. (2.20)

2.4. Работа однофазного нулевого двухполупериодного выпрямителя на активно – емкостную нагрузку

Использование емкостного фильтра для сглаживания кривой выпрямленного напряжения изменяет режим работы выпрямителя по сравнению с рассмотренными выше режимами. Работа схема характеризуется импульсным режимом, что объясняется процессом заряда и разряда конденсатора.

Проанализируем работу схемы с RС – нагрузкой на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом (рис. 2.6). Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, показаны на рис. 2.7.

Рис. 2.6 – Схема однофазного выпрямителя с нулевым

выводом и RC – нагрузкой

В этой схеме, для отпирания диодов Д₁ и Д₂ недостаточно иметь напряжение положительной полярности на соответствующей вентильной обмотке (u_2-1 или u_2-2). Необходимо, чтобы напряжение на вторичной обмотке трансформатора было выше напряжения на конденсаторе С, которое определяет потенциал катодов вентилей Д₁ и Д₂ и выходное напряжение выпрямителя u_d.

Рассмотрим временные диаграммы (рис. 2.7, а-б). На интервале 0 – υ₁ оба диода закрыты: диод Д₂ закрыт потому, что напряжение u_2-2 <0, а диод Д₁ – потому что напряжение на конденсаторе С превышает напряжение анода диода (т.е. превышает вторичное напряжение u_2-1). Получается, что нагрузка R_н и конденсатор С отделены запертыми диодами от вторичных обмоток трансформатора. Питание нагрузки на этом интервале осуществляется от конденсатора, который разряжается с постоянной времени, равной τ = С R_.

Рис.2.7 – Временные диаграммы однофазного нулевого

выпрямителя с выводом нулевой точки при RС – нагрузке

В момент времени υ₁, при равенстве напряжений u_2-1 = u_d, диод Д₁ открывается. Конденсатор и нагрузка при этом подключаются к вторичной обмотке трансформатора u_2-1. Н а интервале υ₁ – υ₂ происходит заряд конденсатора под действием напряжения u_2-1. Напряжение на конденсаторе, а следовательно, и напряжение на выходе схемы u_d несколько меньше чем напряжение u_2-1 (рис. 2.7, в). из-за падения напряжения в цепи заряда.

Как видно из временных диаграмм (рис. 2.7, д), токи диодов (и обусловленные ими токи вторичных обмоток трансформатора) протекают только на интервале заряда конденсатора. Эти токи ограничены только маленьким сопротивлением потерь. Поэтому эти токи имеют вид импульсов с достаточно большой амплитудой I_{a max} = (3 ÷ 8) I_d. С учетом коэффициента трансформации n, такую же форму имеет ток первичной обмотки трансформатора (рис. 2.7, а). Процесс заряда конденсатора С заканчивается в момент времени υ₂ при u_2-1 = u_d. Далее процесс повторяется при работе диода Д ₂.

Наличие конденсатора в схеме делает кривую u_d сглаженной. Так как выходной ток связан с напряжением u_d соотношением ι_в = u_{d /} R_н, то он также достаточно хорошо сглажен (рис. 2.7, г).

При работе выпрямителя в режиме близком к режиму холостого хода (при наличии конденсатора) среднее значение напряжения близко к амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора

U_d = U ₂ = 1,41 U₂. (2.21)

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 2Θ, где Θ – угол отсечки). Тогда для m-фазной схемы выпрямления среднее значение тока нагрузки определится соотношением:

I_d = (2.22)

Значения основных расчетных величин выпрямителя с емкостным фильтром выражают через заданные параметры (U_d, I_d, r) и угол отсечки Θ. Для упрощенного расчета, каким является метод Терентьева, не вычисляют угол Θ, а вводят параметр А = tg Θ –Θ и коэффициенты: В = f (А); D = f (A); H = f (A); F = f (A). На основании формулы (2.22), с учетом параметра А, можно записать:

I_d = ,

откуда

А = . (2.23)

Кривые зависимости коэффициентов B, D, H, F и основные расчетные соотношения для однофазных двухполупериодных схем выпрямления при работе на активно-емкостную нагрузку приведены в Методических указаниях к практическим занятиям по данной дисциплине.

2.5. Однофазный мостовой выпрямитель. Режимы работы

Схема выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие его работу, показаны на рис. 2.8 и 2.9. Мостовая схема состоит из согласующего трансформатора с двумя обмотками (одной первичной и одной вторичной) и выпрямительного моста из четырех вентилей. К одной диагонали моста присоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка R_н.

Рассмотрим принцип действия выпрямителя, при его работе на чисто активную нагрузку.

Рис. 2.8 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Рис. 2.9 – Временные диаграммы напряжений и токов

мостового выпрямителя

При положительной полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора (полярность указана без скобок) на интервале 0 – υ₁ (0 – π), ток проводят диоды Д₁ и Д₂ (рис. 2.9, а). Падение напряжения на диодах на интервале проводимости близко к нулю (вентили идеальные), поэтому к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора, создавая на ней напряжение u_d = u₂ (рис. 2.9, б).

На интервале υ₁ – υ₂ (π - 2π) изменится полярность напряжений u₁ и u₂ на обратную, что приведет к отпиранию диодов Д₃ и Д₄. При этом напряжение u₂ будет подключено к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.

Следовательно, выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке мостового выпрямителя имеет вид однополярных полуволн напряжения (u_d = u₂), как и в схеме с нулевым выводом. Поэтому для мостовой схемы действительны соотношения (2.1 – 2. 5).

Поскольку ток I_d = U_d / R_н распределяется между парами диодов (рис. 2.9, г-д), то среднее значение анодного тока каждого диода определяется соотношением (2.6).

Обратное напряжение, приложенное к двум закрытым диодам, определяется напряжением U₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.9, е), так как запертые в данный полупериод диоды

оказываются присоединенными к вторичной обмотке трансформатора через два других работающих вентиля. Следовательно, максимальное обратное напряжение на диоде, определяемое амплитудным значением напряжения u_2, равно:

U _{b max} = U₂ = U_d. (2.24)

Из сравнения формул (2.8) и (2.24) видно, что обратное напряжение в мостовой схеме вдвое меньше, чем в схеме с выводом нулевой точки.

Во вторичной обмотке ток протекает дважды за период и имеет синусоидальную форму при активной нагрузке. Действующее значение тока I₂ определяется по формуле

I₂ = = = . (2.25)

Ток в первичной обмотке также синусоидален. Действующее значение тока I₁ определяется соотношением (2.11) как и в нулевой схеме.

В рассматриваемой схеме расчетные мощности обмоток трансформатора и типовая мощность трансформатора равны между собой

S_т = S₁ = S₂ = 1,23 U_d I_d = 1,23 P_d. (2.26)

Сравним достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.

Однофазная схема с нулевым выводом:

- число вентилей в два раза меньше, чем в однофазной мостовой схеме;

- потери мощности в выпрямителе (при их учете) будут меньше, так как

в нулевой схеме ток проходит через один диод, а в мостовой схеме – последовательно через два.

Однофазная мостовая схема:

- обратное напряжение на диодах в два раза меньше (при данном напряжении U_d), чем в нулевой схеме;

- более простая конструкция трансформатора, содержащая только одну вторичную обмотку;

- расчетная мощность трансформатора на 25 % процентов меньше, следовательно, размеры и масса трансформатора также меньше;

- данная схема выпрямителя может работать и без трансформатора, если напряжение U₁ подходит по величине для получения необходимого значения напряжения U_d и не требует изоляции цепи переменного тока от сети.

В силу указанных достоинств однофазная мостовая схема находит преимущественное применение в выпрямителях малой и средней мощности.

Режимы работы однофазного мостового выпрямителя при активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузке не отличаются от аналогичных режимов работы схемы двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом.

В мостовой схеме токи ι₂ и ι₁ при RL – нагрузке являются переменными. Форма кривых токов приближается к прямоугольной форме. Определим действующие значения этих токов:

I₂ = = I_d, (2.27)

I₁ = = . (2.28)

Расчетные мощности обмоток и типовая мощность трансформатора мостовой схемы для рассматриваемого режима определяются соотношением:

S₁ = S₂ = S_т = 1,11 Р_d. (2.29)

Максимальное значение обратного напряжения на диодах, как и в случае активной нагрузки, не превышает амплитудного значения вторичного напряжения трансформатора.

Основные соотношения для расчета мостовой схемы с RC – нагрузкой приведены в Методических указаниях к практическим занятиям для данной дисциплины.

2.6. Внешние (выходные) характеристики маломощного выпрямителя

Внешней характеристикой называется графически выраженная зависимость среднего значения на нагрузке от среднего значения тока нагрузки U_d = f (I). При анализе схем предполагалось, что трансформатор, диоды, подводящие провода и дроссели фильтров были идеальны, т.е. без потерь. Поэтому приведенные расчетные соотношения следует считать приближенными для реальных схем.

Вследствие падений напряжения на указанных элементах от протекания токов действительное среднее значение выпрямленного напряжения U_d получается меньше и изменяется (уменьшается) с ростом тока нагрузки I_d. На рис. 2.10 показано семейство внешних характеристик маломощного двухполупериодного выпрямителя.

Характеристика 1 относится к выпрямителю без фильтра. Для маломощного двухполупериодного выпрямителя полученное ранее соотношение U_d = 0,9 U₂, справедливо только при токе нагрузки I_d = 0. Обозначим это значение как U_d0 = U_d = 0,9 U₂ (напряжение холостого хода). Увеличение тока I_d приводит к падениям напряжения на элементах схемы и, соответственно, снижает величину выходного напряжения. Уравнение, описывающее внешнюю характеристику выпрямителя с активной нагрузкой, имеет вид

U_d = U_d0 – ΔU, (2.30)

где ΔU – усредненное за период падение напряжения на элементах выпрямительной схемы, равные ΔU = I_d (r_т + R_d).

Рис. 2.10 – Внешние характеристики маломощного

выпрямителя

Наклон характеристики без фильтра в основном определяется параметрами используемого трансформатора (активными сопротивлениями его обмоток).

Характеристика 2 относится к выпрямителю с С– фильтром. Эта характеристика исходит из точки с координатами (I_d = 0, U_d0 = ), поскольку при токе равном нулю, конденсатор фильтра заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Внешняя характеристика имеет больший наклон, чем при отсутствии С – фильтра. Это объясняется тем, что кроме падений напряжения на элементах схемы, на величину выходного напряжения влияет также уменьшение напряжения в период разряда конденсатора. Наклон внешней характеристики зависит также от емкости конденсатора. С увеличением емкости увеличивается постоянная времени τ разряда конденсатора, а это приводит к повышению напряжения U_d (характеристика 3).

Кривая 4 характеризует работу схемы при наличии LC – фильтра. Особенностью внешней характеристики выпрямителя с LC – фильтром является наличие быстроспадающего начального участка, относящегося к области малых токов (пунктирная линия) и пологого участка (сплошная линия ). Пологий участок является рабочим участком внешней характеристики.

Появление крутого участка на характеристике объясняется следующим: на начальном участке при I_d < I_dкр (I_dкр –некоторое критическое значение тока, равное 0,05 I_d – 0,1 I_d) ток намагничивания индуктивности L еще мал и индуктивное падение напряжения практически не оказывает влияния на величину выпрямленного напряжения. Поэтому начальное значение выпрямленного напряжения определяется зарядом конденсатора до амплитудного значения напряжения u₂ (режим работы выпрямителя, близкий к режиму работы с С – фильтром).

При увеличении тока I_d до I_d > I_dкр, возрастает индуктивное падение напряжения на дросселе фильтра, что приводит к переходу на пологий (рабочий) участок характеристики. Несколько больший наклон характеристики на этом участке связан с увеличением активного сопротивления в цепи, за счет активного сопротивления дросселя LC – фильтра.

Режим работы выпрямителя с LC – фильтром при I_d < I_dкр нежелателен, поскольку напряжение на нагрузке сильно зависит от потребляемого тока (возможно повышение напряжения в 1,5 раза). Для исключения этого режима на выходе фильтра включают балластное сопротивление, чтобы даже при R_н = ∞ от выпрямителя отбирался ток I_d > I_dкр.

2.7. Сглаживающие фильтры

Основным требованием, предъявляемым к сглаживающему фильтру, является, является максимально возможное уменьшение переменных составляющих выпрямленного тока и напряжения в сопротивлении нагрузки.