Преобразование электрической энергии

Глава 3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

3.1. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения. Система электропитания предприятий связи представляет собой комплекс элементов и устройств, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующую ее к виду, который необходим для нормальной работы аппаратуры связи. Систему электропитания разделяют на источники первичного и вторичного электропитания.

Источники первичного электропитания преобразуют различного вида энергию в электрическую. К ним относятся электромагнитные генераторы, гальванические элементы, термоэлектрические генераторы, солнечные и атомные батареи. В этих устройствах в качестве первичной энергии используется соответственно механическая, химическая, тепловая, световая и энергия внутриатомного распада.

Источники вторичного электропитания используют электроэнергию, получаемую от первичного источника питания, и формируют вторичное электропитание. К ним относятся выпрямители, стабилизаторы, усилители, регуляторы, инверторы и др.

Простейшие источники вторичного электропитания - это нерегулируемые выпрямители.

Предприятия связи получают электрическую энергию от электростанций в форме переменного тока частотой 50 Гц, а для питания устройств связи требуется постоянный ток. Для этого применяются выпрямители.

Выпрямителем называется статический преобразователь напряжения переменного тока в постоянный. В общем случае выпрямитель состоит из трансформатора Тр, вентилей В и сглаживающего фильтра Ф.

Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 3.1. Трансформатор Тр предназначен для преобразования напряжения сети переменного тока в напряжение, необходимое для питания устройств связи (например, с 220 в 60 В). Кроме того, силовой трансформатор обеспечивает электрическую изоляцию цепи нагрузки выпрямителя от сети переменного тока.

3.2. ВЕНТИЛИ

Вентили преобразуют напряжение переменного тока в пульсирующее, пропуская электрический ток только в одном направлении.

Оглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Кроме перечисленных основных частей в выпрямительном устройстве имеются элементы управления, защиты и сигнализации.

Идеальный электрический вентиль (диод) обладает только односторонней проводимостью, которая является следствием его способности скачкообразно изменять сопротивление электрическому току от нуля до бесконечности в зависимости от знака приложенного напряжения. При положительном потенциале анода относительно катода (прямое напряжение) сопротивление вентиля равно нулю. Через вентиль протекает ток в прямом направлении. При отрицательном потенциале анода (обратное напряжение) сопротивление идеального вентиля равно бесконечности, и он не пропускает ток. Вольт-амперные характеристики идеального и реального вентилей приведены на рис. 3.2.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяются приборы с односторонней (вентильной) проводимостью, сопротивление которых для тока одного направления намного меньше сопротивления для тока обратного направления. Для этих целей промышленность выпускает селеновые, германиевые и кремниевые силовые вентили, а также управляемые кремниевые вентили – тиристоры.

Основными электрическими параметрами, характеризующими вентили, являются предельные эксплуатационные данные:

максимальные значения;

постоянный Iпр max или средний Iвп.ср max выпрямленный ток;

обратный ток Iобр max;

прямое падение напряжения Uпр max;

амплитуда обратного напряжения Uобр max;

частота выпрямляемого напряжения.

Селеновые вентили выпускаются на алюминиевой основе в виде выпрямительных столбиков, собранных из элементов прямоугольной формы по определенной схеме выпрямления. Максимальный выпрямленный ток зависит от площади выпрямленного элемента и в среднем составляет 25 мА/см2.

Германиевые диоды имеют большой срок эксплуатации (десятки тысяч часов), выдерживают обратные напряжения до нескольких сотен вольт (50…400), обеспечивают высокий КПД (до 0,98), работают в интервале рабочих температур -50…+70°С.

Недостатки германиевых вентилей - чувствительность к перегрузкам, повышенной температуре, обратным напряжениям.

Германиевые силовые диоды серии Д300 допускают максимальное обратное напряжение 50…200 В. А мощные германиевые вентили ВГВ-200, ВГВ-500, ВГВ-1000 с водяным охлаждением допускают прямые токи 200, 500 и 1000 А и допустимое обратное напряжение 50…150 В. Падение напряжения на германиевых диодах составляет 0,2…0,5 В. Германиевые диоды в основном используются в низковольтных выпрямительных устройствах.

Кремниевые диоды по сравнению с германиевыми сложнее в изготовлении из-за трудности получения чистого кремния, но имеют ряд важных эксплуатационных преимуществ по сравнению с германиевыми:

обратный ток Iобр значительно меньше;

допустимое обратное напряжение Uобр max выше и достигает 1000 В;

интервал рабочих температур шире и составляет -60…+125°С;

предельная рабочая частота выше в 2…3 раза из-за меньшей собственной емкости кремниевых диодов.

Недостатком кремниевых диодов является большое падение напряжения на диоде - в 2…3 раза больше, чем у германиевых.

Промышленность выпускает кремниевые диоды на токи до 1250 А с допустимым обратным напряжением до 1500 В, а также блоки, состоящие из нескольких диодов.

Управляемые полупроводниковые кремниевые вентили - тиристоры допускают ток от 10 до 1000 А. Тиристор - это четырехслойный p-n-p-n кремниевый полупроводниковый прибор, проводимость которого управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляющий электрод. Тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом.

Открывается тиристор подачей на управляющий электрод короткого положительного импульса при положительном напряжении на аноде. Закрывается тиристор изменением полярности анодного напряжения или уменьшением тока удержания до значения меньше Iуд.т. Более эффективное выпрямление тиристора происходит при пропускании через него обратного тока.

Основными параметрами тиристора, определяющими пригодность его для работы в схеме выпрямителя, являются:

допустимый постоянный ток в открытом состоянии Iотк.т;

допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии Uпр.закр.т;

допустимое обратное напряжение Uoбp;

напряжение включения Uвкл.т;

ток включения Iвкл.т;

ток удержания Iуд.т;

напряжение в открытом состоянии Uотк.т;

прямой ток управления Iпр.упр.т;

постоянный и импульсный ток Iпр.упр.и.т;

время включения tвкл.т и выключения tвыкл.т.

Цепь управления тиристора характеризуется напряжениями и токами в прямом и обратном направлениях. Максимально допустимое напряжение - прямое и обратное - ограничивается напряжением электрического пробоя тиристора. Номинальное обратное напряжение не должно превышать (0,6…0,7) Uобр max т. Прямое напряжение включения Uвкл.т является критическим, при котором тиристор открывается при отсутствии тока управляющего электрода. Превышение этого напряжения приводит к разрушению тиристора. Для повышения устойчивости к самооткрыванию тиристора управляющий электрод соединяют с катодом через резистор сопротивлением в несколько сотен ом.

Тиристоры пропускают ток от сотен миллиампер до сотен ампер с обратным допустимым напряжением до 1000 В и более. Срок эксплуатации - не менее 5 тыс.ч.

Недостатком тиристора является зависимость его параметров от температуры.

3.3. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Однофазная однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой является наиболее простой (рис. 3.3). Первичная обмотка трансформатора включается в сеть переменного синусоидального тока, а ко вторичной обмотке через вентиль VD подключается нагрузка Rн. Во  время положительного полупериода  напряжения  U2 на вторичной  обмотке

трансформатора потенциал анода диода VD положительный. Сопротивление диода за этот полупериод равно нулю, т.е. диод открывается и в цепи последовательно соединенных обмотки трансформатора, диода и нагрузки пройдет ток i2 = iVD = i0. Так как сопротивление диода и трансформатора принимаем равным нулю, то падение напряжения на этих элементах во время положительною полупериода отсутствует и форма напряжения на нагрузке повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора (кривая U2 на рис. 3.3,б).

Во время отрицательного полупериода напряжения на вторичной обмотке потенциал анода диода отрицательный, сопротивление диода бесконечно велико, диод закрывается и ток в цепи вторичной обмотки не протекает. Напряжение на нагрузке равно нулю. И все напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора оказывайся приложенным к электродам диода. Эта и есть наибольшее значение обратного напряжения на вентиле Uобр на рис. 3.3,б.

Таким образом, в цепи вторичной обмотки трансформатора протекает ток в виде периодической последовательности импульсов, т.е. пульсирующий ток. Пульсирующий выпрямленный ток можно рассматривать как сумму постоянной составляющей и бесконечного числа гармонических составляющих с разными амплитудами и частотами.

Для рассматриваемой схемы действующие ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора I2 = 1,57 I0, U2 = 0,22 U0, где I0, U0 - средние выпрямленный ток и напряжение. Средним выпрямленным током I0 называется такой постоянный ток, при котором в течение периода по проводнику протекает такое же количество электричества, как и при выпрямленном токе i0. Графически средний выпрямленный ток I0 выражается высотой прямоугольника с основанием, равным Т, и площадью, равной площади, ограниченной кривой тока с осью абсцисс за период. На рис. 3.3 буквой i0 обозначен мгновенный выпрямленный ток, а I0 - средний выпрямленный ток за период Т.

В однополупериодной схеме выпрямителя постоянная составляющая выпрямленного тока I0, протекая по вторичной обмотке трансформатора, создает вынужденное подмагничивание его магнитопровода. В этом случае магнитопровод трансформатора работает в режиме насыщения и потери на гистерезис в нем значительно возрастают. Кроме того, в результате насыщения магнитопровода уменьшается индуктивность первичной обмотки и, следовательно, увеличивается ток первичной обмотки i1, а значит, и потери мощности в этой обмотке.

Габаритная мощность всего трансформатора, выраженная в вольт-амперах, условно определяется полусуммой расчетных мощностей обеих обмоток трансформатора:

Рт = 0,5(P1+Р2) = 0,5(U1I1+ U2I2)  3,5Р0.

По этой мощности определяют размеры трансформатора. Коэффициент пульсации составляет 1,57.

Основное достоинство однофазной однополупериодной схемы выпрямления - простота.

Недостатки:

большая и низкая частота пульсации, что удорожает сглаживающий фильтр;

большое обратное напряжение на вентиле (Uобp = 3,14);

большой максимальный ток через вентиль (Iвен = 3,14I0);

малое использование трансформатора по мощности, поскольку он работает только в течение одного полупериода, что требует увеличения его габаритов, массы и стоимости.

Из-за указанных недостатков однофазная однополупериодная схема выпрямления применяется только в маломощных выпрямителях с высокоомным нагрузочным сопротивлением. Например, для подачи высокого напряжения на аноды электроннолучевой трубки при очень маленьком токе, для питания фотоэлектронного умножителя, в измерительных, а также в некоторых маломощных усилительных каскадах.

Двухполупериодиая (двухфазная) однотактная схема выпрямителя представляет собой соединение двух однополупериодных схем (рис. 3.4,а), работающих на одну общую нагрузку Rн. Вторичная обмотка трансформатора имеет вывод от средней (нулевой) точки. В результате получаем на половинах вторичной обмотки два напряжения, равные по величине и противоположные по фазе (сдвинуты на 180°).

В первый полупериод на аноде диода VD1 (точка а) положительный потенциал. Диод VD1 открыт, и ток протекает от точки а через диод VD1, нагрузку Rн к точке О и верхнюю половину вторичной обмотки. В этот же полупериод на аноде диода VD2 отрицательный потенциал и диод закрыт.

Во второй полупериод положительный потенциал получается на аноде диода VD2. Он открывается, и ток через него протекает по цепи: от точки b через VD2, нагрузку Rн к точке О и нижнюю половину вторичной обмотки. К аноду диода VD1 в это время приложен отрицательный потенциал, диод закрыт и ток через него не протекает. Графики напряжений и токов приведены на рис. 3.4,б.

Таким образом, по нагрузке за оба полупериода переменного напряжения ток проходит в одном и том же направлении. По вторичной обмотке токи полуобмоток i1 и i2 протекают в противоположных направлениях, постоянная составляющая отсутствует и вынужденного подмагничивания сердечника нет. В первичной обмотке протекает синусоидальный ток, трансформатор работает в течение обоих полупериодов и используется лучше, чем в однополупериодной схеме.

На рис. 3.5 видно, что в двухполупериодной схеме выпрямления импульсы напряжения и тока в нагрузке имеются во время каждого полупериода. Поэтому постоянные составляющие напряжения U0 и тока I0 в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении:

; .

Действующее напряжение вторичной обмотки одной половины U2 = 1,11U0. Действующий ток вторичной обмотки I2 = 0,785I0; первичной – I1 = 1,11I0n21 = 1,11I0U2/U1.

Габаритная мощность трансформатора определяется расчетной мощностью всех обмоток:

Рr = (Р1+Р2)/2 = (1,23P0-1,74Р0)/2 = 1,48P0.

Обратное напряжение на диоде Uобр.и.п = 3,14U0. Действующий прямой ток диода Iпр равен действующему току вторичной обмотки I2: Iпр = I2 = 0,785I0. Амплитуда прямого тока диода Iпр.и.п равна амплитуде тока вторичной обмотки I2м: Iпр.и.п = I2м = 1,57I0. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп01 = U01 max/U0 = 2/3.

Двухполупериодная схема по сравнению с однополупериодной имеет следующие преимущества:

значительно меньше габариты и масса трансформатора из-за лучшего использования обмоток и отсутствия вынужденного подмагничивания магнитопровода;

значительно меньше габариты и масса сглаживающего фильтра из-за увеличения вдвое основной частоты пульсации и уменьшения более чем в 2 раза коэффициента пульсации;

амплитудный ток через диод вдвое меньше.

Недостатки двухполупериодной схемы:

необходимы два диода;

требуется вывод средней (нулевой) точки вторичной обмотки трансформатора.

Двухполупериодная схема широко применяется в маломощных выпрямителях.

Однофазная мостовая схема приведена на рис. 3.6. Она состоит из трансформатора с двумя обмотками, четырех вентилей и нагрузки. Вентили соединены между собой по схеме измерительного моста. К одной диагонали моста подводится переменное напряжение со вторичной обмотки, а к другой присоединяется нагрузка Rн. Общая точка катодов диодов VD1 и VD2 является положительным полюсом выпрямителя, а общая точка анодов VD3 и VD4 - отрицательным.

В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки Ь отрицателен, диоды VD1 и VD3 будут открыты, а диоды VD2 и VD4 - закрыты. При этом ток в схеме пройдет от точки а через диод VD1, нагрузку Rн, диод VD3 и к точке b вторичной обмотки трансформатора.

Во второй полупериод потенциал точки b положителен, а точки а - отрицателен. Диоды VD2 и VD4 будут открыты. Ток пройдет от точки b через VD2, нагрузку Rн, диод VD4 и к точке а. Таким образом, через нагрузку Rн ток протекает за оба периода в одном направлении.

Через вторичную обмотку трансформатора ток i2 протекает в один полупериод, а ток i2 - в другой. Выпрямители, в которых каждая фаза обмотки трансформатора за период работает два раза, называются двухтактными.

Поскольку токи i2 и i2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в противоположных направлениях, то результирующий ток i2 является синусоидальным и не содержит постоянной составляющей, поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода отсутствует. В первичной обмотке протекает также синусоидальный ток, и трансформатор работает в течение обоих полупериодов, т.е. так, если бы он был нагружен только активной нагрузкой.

Вторичная обмотка трансформатора работает в течение каждого полупериода напряжения U2. Поэтому для получения выпрямленного напряжения такого же значения, как и в двухфазной, достаточно, чтобы в мостовой схеме напряжение U2 было бы равно напряжению одной полуобмотки трансформатора двухфазной схемы. Это позволяет уменьшить вдвое число витков вторичной обмотки. Однако действующее значение I2 тока во вторичной обмотке i2 больше, чем в полуобмотках двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Параметры однофазной мостовой схемы. Расчетные мощности обмоток трансформатора первичной обмотки Р1 = 1,23Р0, вторичной Р2 = 1,23Р0. Габаритная мощность трансформатора Рr = (Р1+Р2) = 1,23P0. Обратное импульсное напряжение на диоде Uобр.и.п = l,57U0. Здесь U0 - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Выпрямленный ток в однофазной мостовой схеме 2 раза за период достигает своего максимального значения, частота основной гармоники в 2 раза больше частоты напряжения сети, т.е. f2 = 2fc = 100 Гц.

Преимущества мостовой схемы перед двухполупериодной схемой с нулевым выводом:

размеры и масса трансформатора меньше из-за использования обмоток в оба полупериода;

не требуется вывода от средней точки вторичной обмотки;

число витков вторичной обмотки в 2 раза меньше;

обратное напряжение на один вентиль вдвое меньше.

Недостатки:

увеличенная стоимость из-за наличия четырех диодов;

увеличенная потеря напряжения и мощности из-за последовательного включения вентилей (особенно высокоомных);

увеличение сечения провода вторичной обмотки на 20 %, так как действующий ток вторичной обмотки в  раз больше действующего тока в схеме с нулевым выводом.

Однофазная мостовая схема применяется в маломощных выпрямителях при выходном напряжении до 600 В.

3.4. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Трехфазная однополупериодная схема (рис. 3.7) состоит из трехфазного трансформатора с выводом нулевой точки и трех диодов. Первичные обмотки трансформатора можно соединять звездой или треугольником, вторичные соединяются только звездой с выводом нулевой точки. Нагрузка Rн включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом. Поэтому такая схема является сочетанием трех однополупериодных выпрямителей, питающихся тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120°, и работающих на одну общую нагрузку.

В этом выпрямителе в любой момент времени открыт только один диод, на аноде которого наибольший положительный потенциал. Аноды двух других диодов имеют меньший потенциал, и они закрыты, так как наибольший потенциал открытого диода оказывается запирающим для двух других. Таким образом, в течение одного периода переменного тока каждый диод открывается один раз и работает одну треть периода, т.е. диоды и фазные обмотки работают по очереди. Так как диоды и трансформатор принимаем идеальными, то выпрямленные напряжение U0 и ток I0 в нагрузке повторяют по форме огибающую фазных напряжений вторичных обмоток. Ток в каждой фазное обмотке трансформатора протекает только в одном направлении. Постоянная составляющая тока вторичных обмоток вызывает вынужденное подмагничивание магнитопровода, что ведет к росту потерь на гистерезис.

Обратное напряжение на диоде равно сумме мгновенных значений выпрямленного напряжения U0 и его фазной ЭДС еII и составляет 2,09 U0.

Напряжение на нагрузке и этой схеме достигает максимума 3 раза за период. Следовательно, частота основной гармоники равна утроенной частоте тока сети. Коэффициент пульсации при этом составляет

Kп = Uocн.г max/U0 = 0,25,

где Uocн.г max - максимальное напряжение основной гармоники.

Преимущества трехфазной однотактной схемы выпрямления по сравнению с однофазной одно- и двухполупериодной схемами с нулевым выводом:

меньше габариты и масса сглаживающего фильтра из-за увеличения частоты пульсаций в 1,5 раза и уменьшения коэффициента пульсаций в 2,5 раза;

лучшее использование обмоток трансформатора;

равномерная нагрузка на сеть трехфазного переменного тока.

Основной недостаток трехфазной однополупериодной схемы: вынужденное подмагничивание магнитопровода и вызванное этим увеличение тока первичной обмотки.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (рис. 3.8) состоит из трехфазного трансформатора и шести вентилей. Первичные и вторичные обмотки трансформатора можно соединять по любой схеме, как звездой, так и треугольником. К каждой вторичной обмотке фазы трансформатора подключены два диода: один анодом, другой - катодом.

Катоды вентилей VD1, VD2 и VD3, соединены в общую точку К, которая является положительным полюсом выпрямительного устройства. Эти диоды образуют катодную группу. Диоды VD4, VD5, VD6 соединены анодами и образуют анодную группу, общая точка А которой является отрицательным полюсом выпрямителя.

Диоды включены так, что каждая фазная вторичная обмотка работает в течение обоих полупериодов фазного напряжения сети. Одновременно работают два из шести вентилей, а остальные заперты. И так пары вентилей работают поочередно. Графики напряжений и токов приведены на рис. 3.8,б.

Диоды катодной группы (VD1 и VD3) открываются при наибольшем положительном потенциале на аноде, причем каждый из диодов проводит ток в течение 1/3 периода. Диоды анодной группы (VD4 - VD6) открываются отрицательным и наибольшим по абсолютной величине потенциалом катода.

В данной схеме наибольшие положительный и отрицательный (по абсолютному значению) потенциалы фазовых напряжений оказываются одновременно, поэтому в выпрямителе будут одновременно открыты два диода: один - из катодной группы, а другой - из анодной.

В течение времени t1 - t2, равного 1/6 периода Т, наибольший положительный потенциал, созданный фазовым напряжением (рис. 3.8,б), будет на аноде диода VD1, а наибольший отрицательный потенциал, созданный фазовым напряжением uф1 будет нa катоде диода VD5. Открыты диоды VD1 и VD5. Выпрямленный ток пройдет по цепи: от обмотки 1 через VD1, нагрузку VD5 к обмотке 2. В следующую 1/6 часть периода t2 - t3 открыты диоды VD1 и VD6. И так поочередно работает одна пара вентилей. И каждую 1/6 часть периода на нагрузку работают две последовательно соединенные фазовые обмотки трансформатора. Поэтому выпрямленное напряжение U0 представляет собой сумму фазовых напряжений двух работающих обмоток.

Токи по вторичным обмоткам трансформатора проходят как за время положительной, так и за время отрицательной части периода, причем ток в каждой обмотке через половину периода меняет направление, поэтому вынужденного подмагничивания в схеме нет.

Трехфазная мостовая схема выпрямления является соединением двух трехфазных выпрямителей, включенных последовательно. Схема - двухтактная, так как токи во вторичных обмотках трансформатора протекают в обоих направлениях; она также двухполупериодная, так как выпрямляет напряжение как за время положительного, так и за время отрицательного полупериода.

Достоинства трехфазной мостовой схемы выпрямителя:

меньше габариты и масса трансформатора из-за лучшего использования обмоток трансформатора;

меньше габариты и масса сглаживающего фильтра из-за увеличения основной частоты пульсации в 2 раза;

отсутствие в трансформаторе вынужденного подмагничивания.

Недостатки:

увеличение числа диодов;

невозможность заземлить вторичную обмотку трансформатора при заземлении одного из полюсов нагрузки.

Трехфазная мостовая схема применяется в выпрямителях большой и средней мощности при различных выходных напряжениях.

3.5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ НАГРУЗОК

Работа выпрямителя на активную нагрузку. При рассмотрении приведенных выше схем предполагалось, что нагрузкой у них является чисто активное сопротивление, а трансформатор и диод - идеальные и их сопротивление равно нулю. В этом случае форма огибающей выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения сети в течение времени прохождения тока через вентили. А форма огибающей выпрямленного тока повторяет форму выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение

.

Для двухполупериодной схемы m = 2, тогда

.

Для двухполупериодной схемы частота первой гармоники пульсации выпрямленного напряжения fп = mfc = 2fc, где fc - частота питающей сети. Коэффициент пульсации Кп  0,67.

Обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду,

Действующий ток в диоде Iд = 0,785I0.

Средний ток через диод Iд.ср = I0/m = 0,5I0.

Работа выпрямителя на емкостную нагрузку. В реальных устройствах между выпрямителем и нагрузкой включается сглаживающий фильтр, содержащий индуктивности и емкости.

Рассмотрим работу выпрямителя на нагрузку емкостного характера, т.е. когда в качестве первого элемента сглаживающего фильтра используется конденсатор. Выпрямители, работающие н емкостную нагрузку, применяют для питания маломощных устройств, потребляющих ток от долей миллиампер до нескольку ампер при напряжении U от единиц вольт до нескольких десятки киловольт. Схема выпрямителя и графики напряжений и токов ней приведены на рис. 3.9. В первый положительный полупериод диод VD открыт и ток протекает через нагрузку Rн и конденсатор С, заряжая его. Рассмотрение работы схемы удобно начать с момента t1 (рис. 3.9,б), когда напряжение на конденсаторе Uc0. В интервале времени t1 - t2 напряжение фазы u2 превышает напряжение на конденсаторе С, и он заряжается током iз. Заряд будет продолжаться до того момента, пока напряжение фазы u не уменьшится до напряжения на конденсаторе Uc (момент t1 на рис. 3.9,б). После этого момента конденсатор начинает разряжаться через нагрузку Rн с постоянной времени рCRи. Разряд продолжается до того момента, когда положительное напряжение фазы второго периода достигнет значения, равного напряжению на конденсаторе. В интервале времени t3-t4 напряжение фазы u2 превышает напряжение на конденсаторе, и он заряжается с постоянной времени 3 = Сrдин, где rдин = rтр+rд - внутреннее динамическое сопротивление фазы выпрямителя, состоящее из сопротивления обмотки трансформатора rтр и динамического сопротивления диода. Ток разряда протекает через нагрузку в том же направлении, что и во время заряда. Далее процесс заряд-разряд повторяется. В результате напряжение на нагрузке будет приближаться к постоянному значению.

Поскольку во время заряда конденсатора С через диод протекает ток заряда ic и ток через нагрузку i0, то увеличивается амплитуда тока диода Iпр и действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I2, что приводит к увеличению мощности обмоток трансформатора.

Обратное напряжение на диоде складывается из напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U2 и напряжения на зажимах конденсатора Uc. При большой емкости конденсатора обратное напряжение на диоде в этой схеме Uобр = 2U2max, т.е. примерно в 2 раза больше, чем при работе этой схемы на активную нагрузку.

3.6. УМНОЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Умножителями напряжения называются выпрямительные схемы, значение выходного напряжения которых на холостом ходу в 2 или более раз превышает амплитудное значение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора. Для увеличения выходного напряжения в качестве дополнительных источников ЭДС применяют конденсаторы, периодически заряжаемые от того же трансформатора. Кратность умножения напряжения обычно бывает от 2 до 8 при выпрямленном напряжении в сотни-тысячи вольт и от 50 до 100 при выпрямленном напряжении в десятки киловольт.

Применяются такие выпрямители при отсутствии уннфнцированных трансформаторов с необходимым коэффициентом трансформации или требуемой электрической прочностью. Чаще применяются схемы умножения напряжения, состоящие из двух однофазных выпрямителей с емкостным фильтром, включенных между собой последовательно и подключенных параллельно нагрузке. Многофазные выпрямители напряжения применяются реже. Схемы выпрямителей с умножением напряжения используются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Например, для питания электронно-лучевых трубок, фотоумножителей, в установках для питания электрической прочности.

Принцип действия выпрямителей, работающих с умножением напряжения, состоит в том, что на нагрузку разряжается несколько последовательно включенных конденсаторов. Каждый из этих конденсаторов заряжается через трансформатор и схему выпрямления до небольших напряжений. Таким образом, выпрямитель с умножением напряжения представляет собой схему выпрямителях с емкостной нагрузкой и, следовательно, имеет все его свойства.

Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения (рис. 3.10) представляет собой два однофазных однополупериодных выпрямителя, один из которых состоит из диода VDI, конденсатора С1 и резистора R1, а другой - из диода VD2 и конденсаторов С1 и С2. Нагрузка Rн включена параллельно конденсатору С2. Во время отрицательного полупериода напряжения  вторичной обмотки, когда потенциал точки а отрицательный, а точки б - положительный, открыт диод VD1 и через него ограничивающий резистор R1, конденсатор С1 заряжается до напряжения, равного амплитуде напряжения вторичной обмотки U2max. Во время положительного полупериода, когда потенциал точки а положительный, а точки b отрицательный, открыт диод VD2 и к нему приложено напряжение, равное сумме двух напряжений: со вторичной обмотки трансформатора и на конденсаторе С1. В этот полупериод под воздействием напряжения U конденсатор С2 заряжается через диод VD2 до максимального значения: UC2max = U2max+UC1max  2U2max. Затем  конденсатор С1  разряжается

через сопротивление нагрузки. А конденсатор С2 разряжается через сопротивление нагрузки, когда диод VD2 закрыт. Таким образом, за один период напряжения сети происходит заряд и разряд конденсатора С2. Следовательно, частота пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке равна частоте напряжении сети. При этом напряжение на нагрузке равно напряжению на конденсаторе С2 и соответственно будет близко к 2U2max. Таким образом, в режиме холостого хода (R = ) напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Для увеличения кратности выпрямленного напряжения более чем в 2 раза увеличивают число диодов и конденсаторов, включая их аналогично предыдущей схеме. На рис. 3.11 приведена схема умножения напряжения, позволяющая получить умножение напряжения различной кратности в зависимости от места включения нагрузки Rн. Так, нагрузка Rн включена и схему выпрямления без умножения напряжения. Подключая нагрузку к точкам b, с и d схемы, получаем умножение напряжения соответственно в 2, 3 и 4 раза. В этой схеме в один полупериод напряжения сети заряжаются все конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3), а в другой полупериод - с четными (С2, С4). Чем выше кратность умножения, тем большими будут пульсации выпрямленного напряжения при одинаковой емкости конденсаторов, так как для зарядного и разрядного токов они включены последовательно.

Выпрямители с умножением обладают теми же недостатками, что и однополупериодный однофазный выпрямитель с емкостной нагрузкой. Основные из них: большая габаритная мощность трансформатора, значительное обратное напряжение на диоде, большая амплитуда тока через диод. Кроме того, они обладают увеличенным внутренним сопротивлением из-за последовательного включения диодов.

Двухфазные симметричные схемы умножения напряжения можно получать соединением нескольких несимметричных схем. На рис. 3.12 приведена двухфазная схема выпрямления с умножением напряжения в 6 раз. Конденсаторы с нечетными номерами (С1, С3, С5, С1, С2, С3) заряжаются токами coответствующих диодов один раз за период напряжения вторичной обмотки, а конденсаторы с четными номерами (С2, С4, С6) – дважды. Поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения и 2 раза больше частоты сети. В симметричных выпрямителях трансформатор должен иметь вывод от средней точки вторичной обмотки.

Однофазная мостовая схема с удвоением напряжения состоит из двух однополупериодных выпрямителей, питающихся от одной и той же обмотки трансформатора и работающих на одну общую нагрузку (рис. 3.13). К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой - нагрузка Rн. Один выпрямитель состоит из диода VD1 и конденсатора С1, другой - из диода VD2 и конденсатора С2. Нагрузка Rн оказывается подключенной параллельно двум последовательно соединенным конденсаторам С1 и С2. Во время положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2, конденсатор С1 заряжается через диод VD1. В отрицательный полупериод (потенциал точки а отрицательный, а точки b положительный) заряжается конденсатор С2 током диода VD2. Если не учитывать падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя, то каждый конденсатор будет заряжаться до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, т.е. UС1  U2max и UC2  U2max. Тогда выходное напряжение будет примерно равно удвоенному значению вторичной обмотки: Uвых =             = UС1+UС2  2U2max. А поскольку нагрузка Rн подключена параллельно последовательно соединенным конденсаторам С1 и С2, то напряжение на ней получается удвоенным.

Обратное напряжение на диоде равно сумме амплитудного напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора и напряжения на конденсаторе, т.e. Uобр = U2max+UСmax   2U2max. Частота пульсации выпрямленною напряжения в однофазной мостовой схеме с удвоением напряжения вдвое больше частоты сети, а выпрямленный ток является двухполупериодным.

Преимущества однофазного мостовою выпрямителя с удвоением напряжения:

выходное напряжение в двое больше, чем в обычном однофазном мостовом выпрямителе, и в 4 раза больше, чем в двухполупериодном со средней точкой трансформатора при одном и том же напряжении вторичной обмотки;

достаточно высокое использование обмоток трансформатора (как и в однофазном мостовом выпрямителе);

меньше диодов, чем в однофазной мостовой схеме (два вместо четырех).

Существенным недостатком схемы удвоения является большое внутреннее сопротивление за счет последовательного соединения диодов.

3.7. ИМПУЛЬСНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

В современных устройствах электропитания аппаратуры связи применяют выпрямители переменного напряжения прямоугольной формы частотой от единиц до нескольких сотен килогерц. При питании выпрямителя прямоугольным напряжением повышенной частоты существенно проявляются инерционные свойства диодов. В моменты перепадов напряжения низкочастотный диод теряет свои вентильные свойства и наряду с током положительной полярности проводит в течение части полупериода и ток отрицательной полярности, значение которого значительно превышает допустимый обратный ток диода. Это определяется временем рассасывания объемного заряда в области базы диода, которое может достигать 0,3…0,5 мкс. Потери диодом вентильных свойств приводят к увеличению пульсаций напряжения и дополнительным потерям энергии.

Схема однополупериодного выпрямителя напряжения прямоугольной формы с активной нагрузкой приведена на рис. 3.14. При додаче на вход выпрямителя положительного импульса напряжения (момент t1) ток через диод VD начнет нарастать не сразу, а через некоторое время (время задержки) из-за инерционности движения носителей заряда в базовой области диода. В течение этого времени (tз) к диоду приложено полное входное напряжение Uвx (момент t1-tз). По мере нарастания тока через диод до значения тока нагрузки I0 прямое напряжение на диоде уменьшается до Uпр(t2). И диод будет открыт до момента времени t2, когда полярность входного напряжения изменится на обратную. В этот момент ток через диод должен прекратиться. Но из-за инерционности движения неосновных носителей заряда в базе диода при смене полярности Uвх через диод начнет протекать ток обратного направления (Iобр, t3-t4). При этом напряжение на диоде UVD уменьшается до нуля (t4), а затем после окончания процесса рассасывания избыточных носителей возрастает до Uвх(-Uвх). Ток через диод Iобр при этом уменьшается до установившегося значения обратного тока диода (t5). Таким образом, инерционность диодов приводит к уменьшению выпрямленного тока и напряжения, а также к увеличению действующего значения тока через диод. При увеличении частоты возрастают потери в выпрямителе и уменьшается его КПД.

Применение емкостного и индуктивного сглаживающих фильтров не снижает влияний инерционных свойств диодов. В случае применения сглаживающего LC-фильтра дроссель увеличивает постоянную времени цепи разряда конденсатора через диоды и ослабляет влияние их инерционных свойств на уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

В двухтактных выпрямителях переменного напряжения импульсной формы на выходе применяют LC-фильтры.

3.8. ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ТИРИСТОРАХ

При эксплуатации выпрямителей бывает необходимо плавно изменять (регулировать) значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществлять как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока.

В настоящее время для регулирования выпрямленного напряжения применяют тиристоры. Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор четырехслойной структуры, образующей три p-n перехода. Он имеет три вывода: анод А, катод К и управляющий электрод У. Принцип его действия упрощенно можно пояснить так. При подаче на тиристор прямого напряжения - плюс на анод, минус на катод - тиристор закрыт и ток через него не протекает. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей на управляющий электрод У положительного потенциала, под действием которого тиристор открывается и через него протекает прямой ток. Открытие тиристора происходит очень быстро (15…20 мкс), что обусловливает появление во внешней цепи большого тока. Для ограничения его последовательно с тиристором обычно включается катушка индуктивности. Запирающие свойства тиристора восстанавливаются лишь после уменьшения прямого тока до нуля на время, достаточное для рассасывания носителей зарядов в области среднего р-n перехода. Поэтому тиристор является вентилем, в котором управляется только момент включения его. Управление тиристором может быть амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым.

Однополупериодный однофазный управляемый выпрямитель (рис. 3.15). В этой схеме силовой трансформатор имеет две вторичные обмотки: основную W1, которая служит для питания схемы выпрямителя, и управляющую W2, с которой снимается напряжение управления uу, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Для установления требуемого момента отпирания тиристора, т.е. угла открытия т, в схеме имеется фазорегулятор RL, где L - дроссель насыщения. Изменяя индуктивность дросселя подмагничивающим током, регулируется угол открытия т, т.е. угол сдвига по фазе между анодным u2 и управляющим uу напряжением.

В тот момент, когда управляющее напряжение uу оказывается положительным, тиристор отпирается. Запирание тиристора происходит в момент появления отрицательного потенциала u2 на аноде тиристора. Резистор R2 ограничивает значение тока управления.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 3.16,а. Вторичная обмотка трансформатора имеет вывод от средней точки. Аноды тиристоров подключены к крайним выводам вторичной обмотки, а катоды соединены вместе и служат положительным полюсом выпрямленного напряжения. Нагрузка Rн подключена к катодам тиристоров и средней точке вторичной обмотки трансформатора. На управляющие электроды подаются управляющие импульсы напряжения uу1 и uy2, формируемые системой управления синхронно с напряжением сети. Система управления позволяет осуществлять изменение фазы управляющих импульсов относительно фазных напряжений u2 и u2 вторичной обмотки трансформатора.

Тиристоры работают поочередно. Открывается тот тиристор, на аноде которого действует положительное напряжение и на управляющий электрод подан отпирающий импульс напряжения (момент U на рис. 3.16,б). Так, во время первого полупериода (t0-t2) положительное напряжение сети на аноде первого тиристора VS1, во время второго полупериода - на аноде второго тиристора VS2. Отпирающие импульсы напряжения uу1 и uу2 подаются от системы управления с некоторой задержкой на угол r относительно начал положительных напряжений u2 и u2.

В момент t1 открывается тиристор VS1, напряжение U0 на нагрузке Rн скачком возрастает, а затем изменяется по кривой изменения фазного напряжения u2. В момент t2 напряжение u2 спадает до нуля, и тиристор VS1 закрывается. В момент t3 открывается тиристор VS2 и остается открытым до момента t4, когда напряжение на его аноде уменьшится до нуля. В интервале времени t2-t3 оба тиристора закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю. И так процесс повторяется. Системой управления можно изменять угол управления, время начала работы каждого тиристора, а следовательно, и среднее выпрямленное напряжение U0 и ток I0. При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока повторяет форму кривой выпрямленного напряжения U0.

В выпрямителях на тиристорах можно плавно регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах.

Однофазная мостовая схема выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 3.17. Здесь управляющее напряжение подается на тиристор VS1 от средней точки 1 вторичной обмотки трансформатора Тру. На второй тиристор VS2 управляющее напряжение подается с фазосдвигающей цепочки R3C (точки 2). Изменение угла открытия осуществляется переменным резистором R3. Диоды VD3 и VD4 замыкают цепи управления тиристоров.

Процессы в схеме происходят следующим образом. В положительный полупериод управляющего напряжения uу ток управления проходят по цели: точка 1, резистор R1, тиристор VS1, диод VD4, резистор R3, точка 3. Тиристор VS1 открывается, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора Тр через VS1, нагрузку Rн, диод VD1.

В отрицательный полупериод управляющего напряжения ток управления проходят по цепи: точка 3, резистор R3, резистор R2, тиристор VS2, диод VD3, точка 1. Открывается тиристор VS2, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора Тр через VS2, нагрузку Rн, диод VD2. Обмотки трансформаторов Тр и Тру обычно совмещаются на одном сердечнике.

Угол открытия т изменяется в пределах от 20…30 до 150…160°. Такой разброс в пределах регулирования является следствием того, что при синусоидальном напряжении тиристоры имеют большой разброс по времени открывания. Уменьшение разброса регулирования можно осуществить, подавая на управляющий электрод импульсы с крутым передним фронтом. Для этого применяет транзисторные генераторы импульсов.

Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя приведена на рис. 3.18. Регулировка выходного напряжения в трехфазных схемах осуществляется так же, как и в однофазных. Тиристоры открываются управляющими импульсами, а запираются при поступлении на их аноды отрицательного напряжения.

3.9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Назначение. Транзисторные преобразователи напряжения постоянного тока предназначаются для согласования напряжение источника питания с напряжениями, необходимыми для питания отдельных узлов аппаратуры. В переносной и передвижной аппаратуре связи, потребляющей небольшие мощности, в качестве источников электроэнергии используются источники постоянной тока низкого напряжения: гальванические элементы, аккумуляторы, термогенераторы, солнечные и атомные батареи. Они вырабатывают энергию постоянного тока одного определенного значения. А для питания различных устройств связи требуются различные значения постоянного и переменного напряжений. Поэтому возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют преобразователи.

Преобразователи бывают двух типов: инверторы и конверторы. Преобразователи, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока, называются инверторами, а процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока - инвертированием.

Если на выходе преобразователя требуется получить постоянный ток, то после инвертора включаются выпрямитель и сглаживающий фильтр. Такой преобразователь, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения, называется конвертором, а процесс преобразования - конвертированием.

Основной частью любого преобразователя является инвертор. Классифицировать инверторы можно по следующим признакам:

по роду преобразуемой величины: инверторы тока и инверторы напряжения;

по тактности работы: однотактные и двухтактные;

по типу ключевых элементов: транзисторные и тиристорные;

по способу возбуждения: с самовозбуждением и с независимым возбуждением.

Транзисторные инверторы классифицируют:

по способу включения транзисторов: с общим эмиттером и с общим коллектором;

по типу обратной связи с обратной связью по напряжению, с обратной связью по току и с обратной связью по току и напряжению.

Тиристорные инверторы классифицируют:

по принципу коммутации тиристоров ведомые сетью и автономные;

по включению коммутирующей емкости относительно нагрузки: параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

Достоинства полупроводниковых преобразователей: надежность, высокий КПД, малые габариты, большой срок эксплуатации,

Транзисторные преобразователи с самовозбуждением (автогенераторы). Принцип преобразования постоянного напряжения можно пояснить, пользуясь функциональной схемой, приведенной рис. 3.19. Источником постоянного тока служит аккумуляторная батарея Б, имеющая небольшое напряжение Uвх, которое подается на вход трансформатора Тр, предназначенного для формирования переменного напряжения и преобразования его значения. Поскольку напряжение аккумулятора постоянное, то для нормального функционирования трансформатора в его первичной обмотке необходимо включить прерыватель тока, периодически с частотой 350…400 Гц замыкающий и размыкающий цепь постоянного тока. Прерывателем постоянного тока служит транзисторный генератор Г. Прерывание тока в первичной обмотке трансформатора вызывает появление в магнитопроводе изменяющегося во времени магнитного потока Ф(t). В результате этого в обмотках индуцируются ЭДС, которые пропорциональны скорости изменения магнитного потока и числу витков обмоток. Таким образом, из постоянного напряжения получается переменное в форме прямоугольных импульсов, т.е. осуществляется инвертирование. Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и затем подаются на вход выпрямителя ВС со сглаживающим фильтром Ф. На выходе выпрямителя получаем постоянное напряжение. Такой преобразователь и является конвертором. На его выходе получаем требуемое значение постоянного напряжения, отличающееся от входного напряжения постоянного тока.

Однотактный преобразователь с самовозбуждением (рис. 3.20) состоит из источника постоянного напряжения Uвх, прерывателя выполненного по схеме автогенератора на транзисторе VT, работающего в ключевом режиме, импульсного трансформатора Тр, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, однополупериодного выпрямителя на диоде VD и нагрузки Rн.

Принцип действия преобразователя основан на прерывании постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме. При включении постоянного напряжения Uвх в коллекторной цепи и первичной обмотке трансформатора Wк начинает протекать ток. С момента включения ток будет нарастать не мгновенно, а по определенному закону. Поэтому он будет создавать нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот изменяющийся магнитный поток наводит в обмотке обратной связи Wб ЭДС самоиндукции. Концы обмотки обратной связи Wк подключены к участку база-эмиттер так, что при нарастающем токе в коллекторной цепи на базу поступает отпирающий потенциал. Транзистор все больше отпирается, создавая возможность еще большего нарастания коллекторного тока, т.е. в схеме осуществляется положительная обратная связь. Процесс нарастания токов происходит очень быстро, лавинообразно до тех пор, пока магнитный поток не достигнет насыщения. При этом изменение токов iк и Iб прекратится. А при неизменном (постоянном) токе ЭДС в обмотках трансформатора не наводится. Отпирающее напряжение на базу транзистора не поступает, и он запирается.

Убывающий ток коллектора при запирании транзистора наводит противоЭДС, и на базу подается напряжение, еще больше запирающее транзистор. Ток в первичной обмотке трансформатора прерывается. Таким образом, транзистор, импульсный трансформатор и источник питания образуют релаксационный генератор с положительной трансформаторной обратной связью по напряжению. Он осуществляет прерывание постоянного тока. На вторичной обмотке трансформатора получаем импульсы той же формы, частоты и полярности, но увеличенные по амплитуде. Эти импульсы подаются на выпрямитель на диоде VD. После выпрямителя на нагрузке Rн выделяется постоянное напряжение заданной величины.

Однотактные преобразователи применяются при высоком значении выпрямленного напряжения и малых токах, например для питания высоковольтного анода электронно-лучевых трубок.

Достоинства однотактных инверторов: простота и высокая надежность.

Недостаток однотактной схемы автогенератора: постоянное подмагничивание магнитопровода в результате того, что ток по коллекторной обмотке протекает только в одном направлении.

Двухтактный преобразователь напряжения с самовозбуждением состоит из прерывателя, выполненного на трансформаторе Тр и Двух транзисторах VT1 и VT2, выпрямителя U1 и фильтра Z1 (рис. 3.21). При включении источника питания U0 через делитель Rl, R2 протекает ток. Созданное им падение напряжения на R1 минусом поступает на базы транзисторов, создавая смещение потенциалов баз относительно эмиттеров. Транзисторы приоткрываются, и по полуобмоткам Wб1 и Wб2 протекают коллекторные токи iк1 и iк2. Из-за разброса параметров транзисторов токи iк1 и iк2 имеют различное значение. Допустим, iк1>iк2. При этом в магнитопроводе трансформатора возникает магнитный поток, направление которого определяется преобладающим током коллектора iк1. Этот поток наводит ЭДС такой полярности, что на базу транзистора VT1 поступает напряжение отрицательной полярности, а на базу транзистора VT2 - положительной. Ток коллектора iк1 при этом увеличивается, а iк2 - уменьшается, что приводит к увеличению потока Ф. По мере увеличения коллекторного тока iк1 транзистора VT1 базовые напряжения будут увеличиваться. Вследствие наличия положительной обратной связи в схеме процесс открытия транзистора VT1 и закрытия VT2 протекает лавинообразно и очень быстро. Транзистор VT1 полностью открывается и переходит в режим насыщения, a VT2 полностью закрывается и переходит в режим отсечки. На нагрузке в это время формируется передний фронт переменного напряжения. Транзистор VT1 будет открыт до тех пор, пока магнитный поток  трансформатора  не  достигнет  значения  насыщения.  В  режиме   насыщения   он   не

изменяется. А при постоянном магнитном потоке ЭДС в обмотках трансформатора не наводится. Следовательно, прекращаются токи в цепях транзистора, и на базы транзисторов напряжение не по ступает.

Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности, в результате чего потенциал базы транзистора VT1 начнет повышаться, a VT2 - понижаться. Транзистор VT1 закрывается, a VT2 открывается. Этот процесс протекает очень быстро, лавинообразно, и VT2 переходит в режим насыщения. Далее процесс периодически повторяется. В выходной обмотке трансформатора создается переменное напряжение почти прямоугольной формы. Затем это напряжение подается на выпрямитель и далее через сглаживающий фильтр – в нагрузку.

Достоинства двухтактной схемы преобразователя: простота, нечувствительность к коротким замыканиям в нагрузке, возможность получения очень близкого к прямоугольной форме выходного переменного напряжения инвертора.

Недостатки:

зависимость частоты и формы выходного напряжения инвертора от значения входного напряжения и тока нагрузки;

резкое увеличение коллекторного тока транзисторов в конце каждого полупериода;

необходимость применения транзисторов, выдерживающих сдвоенное допустимое напряжение на закрытом переходе эмиттер-коллектор.

Частота колебаний инвертора с насыщающимся трансформатором в основном определяется конструктивными данными трансформатора и напряжением источника постоянного тока f = U0/(4WSBS), где U0 - напряжение источника постоянного тока; W - число витков половины вторичной обмотки; S - площадь поперечного сечения сердечника трансформатора; Bs - индукция насыщения.

Оптимальная частота колебаний лежит в диапазоне 400…600Гц.

Частота генерации преобразования изменяется потому, что при увеличении тока нагрузки возрастает ток на выходе инвертора, а следовательно, увеличиваются ток в первичной обмотке и падение напряжения на нем. Это приведет к уменьшению частоты генерации.

При коротком замыкании на выходе преобразователя транзисторы выходят из режима насыщения, и генерация срывается. После устранения короткого замыкания схема снова возбуждается

Напряжение между коллектором и эмиттером закрытого транзистора Uк.з складывается из напряжения источника питания U0 и напряжения на неработающей половине коллекторной обмотки (т.е. ЭДС, наведенной в коллекторной полуобмотке) и равно удаленному значению напряжения источника питания.

Эти недостатки двухтактных преобразователей постоянного напряжения с самовозбуждением ограничивают их использование. Они применяются в качестве источников вторичного электропитания при небольшой мощности в нагрузке (до 50 Вт).

В двухтактной схеме преобразователя в момент переключения за счет резкого изменения коллекторного тока закрывающегося транзистора резко увеличивается напряжение на его коллекторе. Это напряжение складывается из напряжения источника питания U0 и напряжения на неработающей половине коллекторной обмотки, тоже равного U0, что составляет примерно 2U0. Чтобы транзисторы не пробивались, их шунтируют стабилитронами. В момент запирания транзистора открывается стабилитрон и не допускает пробоя транзистора.

Мостовая схема преобразователя (рис. 3.22) представляет собой мост, в плечи которого включены транзисторы, в одну диагональ - трансформатор, а в другую - источник питания.

При включении источника питания через делители Rl, R2 и R5, R6 протекает ток, создавая отрицательное напряжение смещения на базы транзисторов VT1 и VT4. Они открываются, по первичной обмотке W1 трансформатора протекает ток и создает в сердечнике магнитный поток. В обмотках обратной связи W2-1 и W2-4 индуктируются напряжения, которые ведут к полному открытию транзисторов VT1 и VT4. Транзисторы VT2 и VT3 в это время закрыты. В дальнейшем в схеме происходит периодический процесс переключения транзисторов, в результате которого во вторичной обмотке трансформатора создается переменная ЭДС прямоугольной формы.

В мостовом преобразователе к закрытому транзистору прикладывается одинарное напряжение источника питания U0. Поэтому мостовая схема может работать при более высоком напряжении источника питания, чем схема со средней точкой.

Недостатком мостовой схемы является в 2 раза большее число транзисторов, более сложный трансформатор, большие потери в преобразователе, а значит, меньший КПД.

Полумостовая схема преобразователя с самовозбуждением (рис. 3.23) образуется из мостовой заменой двух транзисторов смежных плеч на конденсаторы С1 и С2 большой емкости. Напряжение источника питания U0 делится емкостным делителем пополам. Принцип работы такого преобразователя аналогичен принципу работы предыдущих схем. Во время первого полупериода насыщен транзистор VT1 и к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение U0/2 с конденсатора С1. Во второй полупериод насыщен транзистор VT2 и к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение U0/2 обратной полярности, равное напряжению на втором конденсаторе.

Достоинство полумостовой схемы преобразователя: рабочее напряжение на закрытом транзисторе незначительно превышает напряжение источника U0.

Недостаток: необходимость применения конденсаторов большой емкости, которая зависит от тока нагрузки, рабочей частоты инвертора и допустимой пульсации напряжения на конденсаторе.

Транзисторные преобразователи напряжения с независимым возбуждением применяются для paботы на переменную нагрузку мощностью более 50 Вт. Структурная схема такого преобразователя приведена на рис. 3.24. Он состоит из задающею генератора, усилителя мощности, выпрямителя и нагрузки. Задающий генератор представляет собой двухтактный автогенератор малой мощности, создающий на выходе импульсное напряжение прямоугольной формы заданной частоты. Усилитель обеспечивает усиление колебаний задающего генератора до значения, необходимого для питания нагрузки.

Усилитель мощности необходим для повышения стабильности частоты преобразователя. Если автогенератор выполнить на большую мощность, то изменение нагрузки приведет к изменению частоты автогенератора. Чтобы не допустить нестабильности частоты преобразователя, автогенератор выполняют на небольшую мощность, при которой частота его колебаний стабильна. Затем созданные автогенератором стабильные колебания усиливаются усилителем мощности, который называется генератором с независимым возбуждением. При таком разделении двух функций - генерирования и усиления - частота и форма колебаний, а также значение напряжения на выходе инвертора будут неизменны при изменении нагрузки преобразователя. А это повышает КПД преобразователя и улучшает фронты импульсов. Задающие генераторы обычно выполняются по двухактной схеме. Поэтому схемы преобразователей напряжения с независимым возбуждением отличаются одна от другой только схемами усилителя.

Преобразователь с двухтактным усилителем мощности (рис. 3.25,а) состоит из задающего генератора ЗГ и усилителя мощности. Задающий генератор создает импульсы прямоугольной формы заданной частоты, которые через трансформатор Tp1 подаются на вход двухтактного усилителя мощности на транзисторах VT1 и VT2 и трансформаторе Тр2. Во время первого полупериода управляющего напряжения, поступающего от ЗГ на базы транзисторов VT1 и VT2, один из них, допустим VT1, будет открыт и насыщен, а другой - VT2 - закрыт и находится в режиме отсечки. В этот период напряжение питания U0 через открытый транзистор VT1 приложено к верхней коллекторной половине коллекторной первичной обмотки трансформатора Тр2. Во второй полупериод открыт транзистор VT2 и напряжение источника питания U0 прикладывается к нижней половине первичной (коллекторной) обмотки трансформатора Тр2, т.е. в усилителе мощности, как и в автогенераторе, транзисторы работают в режиме переключения: они пропускают ток поочередно. В результате в обмотках трансформатора наводятся ЭДС прямоугольной формы. Затем этот ток, усиленный усилителем, выпрямляется, сглаживается фильтром и поступает в нагрузку.

Преобразователь напряжения с усилителем мощности, собранным по мостовой схеме (рис. 3.25,б) применяется на большие мощности при повышенном напряжении источника питания U0. Эта схема отличается наличием в ней базовых обмоток обратной связи трансформатора Tpl. Эти обмотки предназначены для устранения режима «сквозных токов», который возникает в усилителе мощности из-за эффекта рассасывания избыточных зарядов в областях баз закрывающихся транзисторов. Режим «сквозных токов» сопровождается кратковременными выбросами коллекторных токов значительной амплитуды одновременно открытых транзисторов, что уменьшает КПД преобразователя. Чтобы не допустить сквозных токов, базовые обмотки трансформатора Tpl включены так, что в один полупериод управляющего напряжения ЗГ включены и работают два транзистора, например VT1 и VT3, а два других - VT2 и VT4 - выключены. Напряжение питания Uвх прикладывается к первичной обмотке трансформатора Тр2 через два проводящих транзистора, причем полярность этого напряжения меняется каждый полупериод управляющего напряжения. В этой схеме к закрытому транзистору прикладывается напряжение, равное напряжению источника питания Uвх.

Устранение режима «сквозных токов» достигается тем, что за счет обратной связи через базовые обмотки трансформаторов отпирание очередной пары транзисторов происходит только после выхода из насыщения предыдущих транзисторов.

Выходной транзистор усилителя мощности работает в ненасыщенном режиме, в результате чего не возникают выбросы коллекторного тока транзисторов. При этом уменьшается мощность, рассеиваемая на транзисторах, и повышается КПД преобразователя.

При перегрузках и коротком замыкании на транзисторах усилителя рассеивается большая мощность, и транзисторы перегреваются. Поэтому в преобразователях с независимым возбуждением необходимо предусмотреть защиту от короткого замыкания и перегрузок.

Полумостовая схема преобразователя с усилителем мощности (рис. 3.26) содержит два конденсатора большой емкости, заменяющих два транзистора смежных плеч моста. Принцип работы полумостовой схемы состоит в поочередном подключении транзисторами VT1 и VT2 первичной обмотки трансформатора Tpl параллельно конденсаторам C1, C2. При этом на обмотках трансформатора формируется напряжение почти прямоугольной формы переменной полярности. Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора примерно равна напряжению на конденсаторе U0/2, а напряжение на закрытом транзисторе равно U0.

Достоинство полумостовой схемы: возможность работы при меньшем числе силовых транзисторов.

Недостаток: необходимость применения конденсаторов большой емкости.

3.10. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ТИРИСТОРАХ

В мощных преобразовательных устройствах для преобразования высоких питающих напряжений применяют инверторы на тиристорах, обладающих двумя устойчивыми состояниями.

Тиристоры выпускаются на напряжения до нескольких киловольт и токи до сотен ампер при прямом падении напряжения в единицы вольт. Поэтому преобразователи на тиристорах обеспечивают большие мощности с высоким КПД.

Тиристорные инверторы, в которых коммутация осуществляется специальными устройствами и нагрузка которых не содержит других источников энергии переменного тока, называются автономными. Частота коммутации автономного инвертора определяется частотой работы системы управления тиристорами.

Автономные тиристорные инверторы, предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное промышленной частоты. Они подразделяются на инверторы тока и напряжения. В инверторах тока осуществляется преобразование тока, а форма напряжения зависит от нагрузки. Для поддержания постоянства потребляемого от источника тока они подключаются к источнику инвертируемого постоянного напряжения через дроссель L0 с большой индуктивностью, который включается в последовательную ветвь инвертора.

Инверторы напряжения подключаются непосредственно к источнику преобразуемого напряжения. При этом на выходе инвертора напряжения параллельно источнику включается конденсатор С. Коммутацию тока в тиристорных инверторах выполняют реактивные элементы - конденсаторы и дроссели.

Тиристоры в инверторе работают в ключевом режиме. Включение их осуществляется устройством управления, представляющим собой генератор импульсов - автогенератор, мультивибратор, блокинг-генератор. Причем управляющие импульсы поступают на управляющие электроды тиристоров в противофазе. Для выключения тиристора необходимо уменьшить его анодный ток до значения меньшего тока удержания, а к промежутку анод - катод приложить отрицательное обратное напряжение на время, достаточное для восстановления управляемости тиристора (т.е. запирающих его свойств). Это достигается применением в инверторе коммутирующею конденсатора, который обеспечивает подачу на анод отрицательного напряжения относительно катода.

По способу подключения коммутирующего конденсатора Ск нагрузке схемы тиристорных инверторов разделяют на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

На рис. 3 27 приведена схема двухтактного параллельного тиристорного инвертора, который состоит из тиристоров VS1 и VS2, схемы управления СУ, коммутирующего конденсатора Ск, дросселя L и диодов VD1 и VD2. Первичная обмотка трансформатора Тр имеет вывод от средней точки 0 и двух точек 1 и 2, к которым подключаются диоды VD1 и VD2.

В первый полупериод под действием управляющего импульса открыт тиристор VS1, а тиристор VS2 закрыт. При этом ток от источника питания будет протекать через верхнюю половину первичной обмотки трансформатора Тр, тиристор VS1, дроссель L. Этот ток индуктирует в нижней половине обмотки трансформатора Тр ЭДС, равную ЭДС в верхней половине обмотки, но противоположную по знаку, т.е. минус будет у средней точки обмотки, а плюс - на нижнем ее конце. Поэтому к конденсатору Ск оказывается приложенным напряжение двух последовательно соединенных напряжений: от источника питания U0 и с нижней половины первичной обмотки трансформатора, тоже примерно равное U0 В результате конденсатор Ск заряжается до удвоенного значения напряжения источника питания, т.е. до Uc = 2U0. Такое же напряжение будет и на аноде тиристора VS2.

Во время второго полупериода управляющий импульс открывает тиристор VS2. Тиристор VS1 еще продолжает проводить ток. Но через открывшийся тиристор VS2 коммутирующий конденсатор Ск подключается параллельно VS1. С конденсатора Ск тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, равное почти 2U0. И тиристор VS1 запирается разрядным током конденсатора Ск. Через открывшийся тиристор VS2 протекает ток iт, равный сумме тока iСк перезаряда конденсатора Ск и тока i1 первичной обмотки W1. Конденсатор Ск перезаряжается до напряжений, почти равного 2U0, но с обратной полярностью. Преобразуемое напряжение U0 прикладывается к первичной обмотке W1, и ток в этой обмотке имеет направление, противоположное току, протекавшему в обмотке W1 во время предыдущего импульса. При этом во вторичной обмотке W2 формируется вторая (отрицательная) полуволна переменного напряжения.

При подаче следующего запускающего импульса на тиристор VS1 схема возвращается в исходное состояние, и процесс повторяется.

В результате поочередного включения и выключения тиристоров в полуобмотках трансформатора Тр происходит периодическое изменение токов и во вторичной обмотке наводится переменный ток, который далее выпрямляется выпрямительной схемой ВС и через фильтр Ф поступает в нагрузку. Таким образом, на выходе преобразователя создается постоянный ток при заданном напряжении. Дроссель Др ограничивает ток источника питания в те очень короткие промежутки времени, когда оба тиристора открыты одновременно.

Диоды VD1 и VD2 предназначены для пропускания к источнику питания U0 реактивной мощности, накопленной в индуктивности нагрузки и реактивных коммутационных элементах, в те моменты коммутации, когда один из тиристоров закрыт, а второй не проводит разрядный ток индуктивности L.

Мостовая схема двухтактного тиристорного преобразователя приведена на рис. 3.28. В первый полупериод управляющею напряжения положительные импульсы поступают одновременно на тиристоры VS1 и VS4 Тиристоры открываются, и через них протекает ток в первичную обмотку трансформатора Тр. В это же время конденсатор С1 заряжается до напряжения источника U0.

Во время второго полупериода управляющего напряжения положительные импульсы поступают на тиристоры VS2 и VS3, и они открываются. Но в этот же момент положительный потенциал с конденсатора С1 поступает на катод тиристора VS1, и он закрывается. А на анод VS4 поступает отрицательный потенциал с конденсатора С1, и VS4 тоже закрывается.

Затем пары тиристоров включаются поочередно. При этом через первичную обмотку трансформатора Тр будут проходить импульсы тока противоположных направлений, которые будут индуктировать переменный ток во вторичной обмотке трансформатора. В дальнейшем этот переменный ток выпрямляется выпрямительной схемой, сглаживается фильтром и подается в нагрузку.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Поясните процесс выпрямления переменного тока.
  2.  Каково назначение выпрямителей переменного тока?
  3.  Какие приборы применяются для выпрямления переменного тока?
  4.  Нарисуйте вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.
  5.  Нарисуйте вольт-амперную характеристику тиристора.
  6.  Назовите основные параметры неуправляемых вентилей и поясните их.
    1.  Какое свойство выпрямительных диодов используется для работы выпрямительных схем?
    2.  Какие основные узлы входя г в выпрямитель с активной нагрузкой?
    3.  Поясните принцип работы однополупериодной схемы выпрямления.
    4.  Нарисуйте принципиальную схему выпрямителя и поясните ее работу.
    5.  Что такое обратное напряжение на выпрямительном диоде?
    6.  Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя и поясните ее работу.
    7.  Назовите основные преимущества трехфазной мостовой схемы выпрямителя (схемы Ларионова).
  7.  Поясните принцип работы умножителя напряжения.
  8.  Нарисуйте схему умножителя напряжения и поясните ее работу.
  9.  Назовите области применения умножителей напряжения.
  10.  Нарисуйте схему импульсного выпрямителя и поясните ее особенности
  11.  Нарисуйте схему выпрямителя на тиристорах.
  12.  Нарисуйте однофазную мостовую схему с удвоением напряжения и поясните ее работу.
  13.  Нарисуйте мостовую схему выпрямителя на тиристорах и поясните ее работу.
  14.  Нарисуйте схему однотактного преобразователя с самовозбуждением и поясните ее работу.
  15.  Нарисуйте схему двухтактного преобразователя напряжения с самовозбуждением и поясните ее работу.
  16.  Нарисуйте мостовую схему преобразователя и поясните ее работу.
  17.  Поясните работу преобразователя с двухтактным усилителем мощности.
  18.  Поясните работу преобразователя напряжения с усилителем мощности по мостовой схеме.
  19.  Поясните особенности преобразователя на тиристорах.

Рис. 3.1. Структурная схема выпрямителя

Рис 3.2. Вольт-амперные характеристики вентилей

а - идеального, б - реального диода

Рис. 3.3. Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и графики напряжений и токов в ней (б)

Рис. 3.4. Двухполупериодная схема выпрямления (а) и графики напряжений и токов в ней (6)

Рис. 3.6. Однофазная мостовая схема выпрямления

Рис. 3.5. Графики среднего и действующего значений напряжения и тока в двухполупериодной схеме выпрямления

Рис. 3.7. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления

Рис. 3.8. Трехфазная мостовая схема выпрямления (а) и графики напряжения и токов в ней (б)

Рис. 3.9. Однополупериодная схема выпрямления с емкостной нагрузкой (а) и графики напряжений и токов в ней (б)

Рис. 3.11. Схемы умножения напряжения в 2, 3 и 4 раза

Рис. 3.10. Однополупериодная схема удвоения  напряжения

Рис. 3.13. Однофазная мостовая схема с удвоением напряжения

Рис. 3.12. Двухфазная схема удвоения напряжения

Рис. 3.14. Схема однополупериодного выпрямителя напряжения прямоугольной формы

Рис. 3.15 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристорах

Рис. 3.16. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах (а) и графики напряжений и токов в ней (б)

Рис. 3.18. Трехфазная мостовая схема выпрямителя на тиристорах

Рис. 3.17. Мостовая однофазная схема выпрямителя на тиристорах

Рис. 3.19. Функциональная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением

Рис 3.20 Схема однотактного преобразователя напряжения с самовозбуждением

Рис. 3.21. Схема двухтактного преобразователя напряжения

Рис. 3.23. Полумостовая схема пре-образователя с самовозбуждением

ис. 3.22. Мостовая схема преобразова-теля

Рис. 3.24. Структурная схема преобразователя напряжения с независимым возбуждением

Рис. 3.25. Сами двухтактного преобразователя с усилителем мощности (а) и мостовая (б)

Рис. 3.26. Полумостовая схема преобразователя напряжения

Рис. 3.27. Схема преобразователя напряжения на тиристорах

Рис. 3.28. Мостовая схема двухтактного тиристорного преобразователя

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Файл

Глава 3.doc

Глава 3.doc
Размер: 2.1 Мб

.

Пожаловаться на материал

Выпрямление переменного Тока. Вентили. Выпрямление однофазного переменного тока. Выпрямление трехфазного переменного тока. Работа выпрямителя на различные виды нагрузок. Умножение напряжения. Импульсные выпрямители. Выпрямители на тиристорах. Транзисторные преобразователи напряжения постоянного тока. Преобразователи на тиристорах

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Организация производства лесозаготовительном предприятии

Дипломная работа. К лесозаготовительной технике предъявляются следующие требования: Обеспечение максимального выпуска деловой древесины, гарантии безопасности труда, безотходности технологий, меньшего числа операций, недопущения загрязнения окружающей среды.  

Вплив підживлення золою на оксидативні процеси у проростків сорго і пшениці за росту на субстратах породних відвалів вугільних шахт

Дипломна робота бакалавра. Кафедра фізіології та екології рослин. Опис і рекультивація породних відвалів як антропогенно - порушених територій. Лісова рекультивація. Фіторемедіація: переваги, обмеження. Лісова рекультивація в Україні.

Прекращение исполнительного производства: основания, порядок и последствия.

Прекращение находится в компетенции как суда, так и пристава исполнителя, случаи

Рак молочной железы. Инфекционный эндокардит

Рак молочной железы. Клиника. Дифференциальная диагностика. Пути метастазирования. Принципы лечения. Инфекционный эндокардит: определение, этиология, патогенез, классификация, клиника, диагностика, дифференциальная диагностика, современные принципы лечения, профилактика.

Договор аренды жилого помещения. Образец

Образец договора аренды. Обязанности и права арендодателя. Обязанности и права арендатора. Платежи и порядок расчетов. Адреса и подписи сторон.

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok