Главная  Электроустройства и узлы радиосистем на постоянном токе 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

с целью получения малого выходного сопротивления фильтра,для переменных составляющих тока нагрузки его схему приходится усложнять и включать второй реактивный элемент - конденсатор С, как это показано на рис. 6.3, в.

Аналогичный фильтр для дополнительного сглаживания пульсаций (дроссель L и конденсатор С) может подключаться и к выпрямителю с емкостным накопителем, приведенным на рис. 6.3, б. Тогда его схема приобретает вид (рис. 6.3, г).

Чем больше число фаз выпрямляемого переменного напряжения, тем чаще н с меньшей амплитудой пульсирует мгновенная мощность переменного тока. Поэтому в многофазном выпрямителе уменьшается


Рис. 6.3

как запасаемая в реактивностях фильтра мощность, так и время, на которое она запасается, что приводит к уменьшению габаритов и веса накопительных элементов.

При увеличении частоты переменного напряжения сокращается время, на которое запасается энергия в фильтре, что позволяет опять-таки сократить размеры и вес фильтра.

При большом числе фаз выпрямляемого напряжения можно добиться достаточно качественного выпрямления и без фильтра.

Включение того или иного фильтра на выход выпрямителя существенно сказывается на процессах, происходящих в самой выпрямительной схеме (вентилях и трансформаторе). Это объясняется тем, что цепи постоянного и переменного тока в электрическом выпрямителе связаны через вентили. Поэтому включение реактивности в цепь постоянного тока выпрямителя сказывается на величине и форме тока в обмотках трансформатора, т. е. в цепи переменного тока.

При сложных схемах фильтра характер процессов в выпрямителе будет определяться той реактивностью, которая создает основное сопротивление переменной составляющей выпрямленного тока. Прочие


Рис. 6.4

реактивности фильтра не меняют картины процесса, а сказываются лишь на некоторых его количественных характеристиках.

Именно поэтому получаются практически одинаковыми формы и величины токов в обмотках трансформатора у схем, приведенных на рис. 6.3, б, г, так как на конденсаторе Q в последней схеме получается уже практически выпрямленное напряжение (его емкость большая) и дроссель L приводит лишь к несколько большему постоянству тока разряда конденсатора С^. Поэтому относят конденсатор Cj к выпрямителю, а дроссель L и конденсатор рассматривают как отдельное фильтрующее звено.

Все схемы выпрямителей можно разбить на две группы, отличающиеся друг от друга характером реактивности первого элемента фильтра, и, следовательно, формой токов в обмотках трансформатора. Эти группы следующие:

а) выпрямитель, нагрузка которого начинается с индуктивности (рис. 6.3, в);

б) выпрямитель, нагрузка которого начинается с емкости (рис. 6.3, б, г).

Пригодность выпрямителей для питания той или иной установки оценивают часто по коэффициенту пульсаций, определяющему качество выпрямителя.

Выпрямленное напряжение во - напряжение на выходных зажимах выпрямителя - содержит не только постоянную составляющую Е^ но и ряд гармоник выпрямляемого переменного напряжения (рис. 6.4). Оно, как говорят, пульсирует. Коэффициентом пульсаций называется отношение пикового напряжения переменной составляющей выпрямленного напряжения Е^ к его постоянной составляющей

= EjEg = (ботах -eomin)/(2£o)- (6.1)

представив выпрямленное напряжение рядом Фурье, т. е. как сумму постоянной составляющей и ряда гармоник с амплитудами Ek, можно оценить качество выпрямления по коэффициентам пульсаций для каждой из гармоник:

Kk = Emk/Eo. (6.2)

Такая оценка удобна в том случае, когда в результате последующей фильтрации выпрямленного напряжения большая часть гармоник сильно ослабляется и на нагрузке оказываются отличными от нуля лишь напряжения одной или двух гармоник.

При расчете выпрямителя обычно устанавливаются соотношения между его выходными (выпрямленный ток и напряжение) и входными показателями - токами и напряжениями обмоток трансформатора. Для этого будем пользоваться коэффициентами D, а/, и а.,р.

Первый из них D - определяет использование вентилей по току п равен отношению действующего значения тока вентиля - к доле ьщрямленного тока, приходящейся на вентиль:

D=mIJI. (6.3)



Второй коэффициент а, - определяет использование вторичных обмоток трансформатора по току. Ои равен частному от деления произведения числа вторичных обмоток Ша и действующего значения тока вторичной обмотки 1 на полный выпрямленный ток:

(6.4)

Число фаз выпрямления т и число вторичных обмоток совпадает только в простых схемах выпрямления.

Третий коэффициент - определяет использование вторичных обмоток по напряжению. Он является отношением действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора Ео к постоянной составляющей выпрямленного напряжения Е^:

(6.5)

Четвертый коэффициент - множитель вольт-ампер - а^. определяет использование трансформатора по мощности и является отношением габаритной мощности трансформатора УА-. к выпрямленной мощности Ро = EqIq.

a,r,VA,plP,.

(6.6)

Чем меньше значения названных выше коэффициентов, тем лучше массогабаритные показатели схемы.

Поскольку габаритная мощность трансформатора определяется как полусумма вольт-ампер первичных и вторичных обмоток, то можно и коэффициент а^р представить как полусумму множителей вольт-ампер всех первичных и всех вторичных обмоток.

Из-за того что по обмоткам трансформатора протекают не только соответствующие доли тока нагрузки выпрямителя, но и целый ряд переменных составляющих, компенсирующихся на выходе и отфильтровываемых фильтром, коэффициенты D, а; и а^р всегда больше единицы. Коэффициент может быть как меньше, так и больше единицы в зависимостц от режима работы выпрямителя и его схемы.

К достоинствам электрического выпрямителя относятся:

а) универсальность принципа преобразования, заключающаяся в том. Что электрический выпрямитель можно сделать как для получения больших, так и малых выпрямленных напряжений и токов;

б) значительный к. п. д. преобразования;

в) относительно небольшие габариты и масса;

г) отсутствие подвижных частей и, следовательно, быстроизнашивающихся и вибрирующих деталей;

д) отсутствие переключаемых контактов и связанных с переключением искрения и истирания контактов;

е) малый уровень радиопомех;

ж) значительный срок службы;

з) отсутствие при работе шума, выделения газов и дыма;

и) нетребовательность к условиям эксплуатации; к) относительно низкая стоимость,

Однако электрический выпрямитель имеет недостатки: чувствительность к изменению величины и формы выпрямляемого напряжения, необходимость в фильтрации выходного напряжения, относительная сложность защитных устройств.

§ 6.2. Выпрямитель гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с индуктивности

Показатели этой схемы (рнс. 6.5) зависят от величины индуктивности дросселя L, образующего вместе с конденсатором С сглаживающий фильтр. Если запас энергии в дросселе достаточен для того, чтобы подпитывать нагрузку током в течение всего того интервала, когда мгновенная мощность в сети переменного тока меньше мощности, потребляемой нагрузкой, то ток в дросселе (выпрямленный ток) будет непрерывным. В этом случае в выпрямителе всегда открыт какой-нибудь из вентилей.

В противном случае, при малом запасе энергии в дросселе, ток получается разрывным, пульсирующим. В те моменты, когда он равен нулю, все вентили выпрямителя заперты, а поступление мощности в нагрузку происходит благодаря разрядке конденсатора С. rw-l p>j

Запас энергии в дросселе

пропорционален его индуктивно- г--ОН

сти и квадрату выпрямленного тока. Поэтому при заданном токе

нагрузки для обеспечения режима -j>[ j

непрерывного тока индуктивность дросселя L должна превышать

некоторое значение, называемое Рис 6.5

критическим.

Пусть в схеме рис. 6.5 1Ъ> U

- -кр1 тогда ток дросселя в любой момент времени больше нуля. Подтекая к точке ветвления а, этот ток распределяется между двумя ветвями схемы С и /? . Его постоянная составляющая 1 протекает целиком через сопротивление нагрузки а переменная в основном через конденсатор С. В цепи переменного тока (трансформатор и вентили) выпрямленный ток to может протекать как по одной, так и одновременно по нескольким вторичным обмоткам.

Если трансформатор и вентили идеальны, т. е. первый не имеет индуктивности рассеяния и омического сопротивления обмоток, а второй - внутреннего сопротивления и порога выпрямления, то ток to Всегда будет протекать только по одной из вторичных обмоток трансформатора.

Для доказательства этого положения обратимся к рис. 6.6, на Котором изображены графики э. д. с, наводимых во всех фазах вторичной обмотки трансформатора, е^ = Е. cos со/, .. .ei = Е^ cos (со/ --~2kJ и рассмотрим состояние схемы в момент / = 0. Этот мо-

Jcht характерен тем, что э. д. с. e.i имеет максимальное значение. Равное Е^т.



Естественно предположить, что вентиль этой фазы открыт и часть выпрямленного тока г'о протекает через него. Падение напряжения на открытом идеальном вентиле равно нулю. Поэтому выпрямленное напряжение = Е^т- Оно существует на входе фильтра, т. е. на катодах всех вентилей, и больше, чем э. д. с. любой из фаз в этот момент времени. Следовательно, все вентили, кроме первого, в этот момент заперты и ток /о протекает по первой фазе вторичной обмотки и через вентиль


о5р1 /обр1

целиком.

Такое состояние схемы, когда напряжение на катодах всех вентилей, кроме первого, больше напряжения на анодах, характерно не только для мо.мента / = О, но и для всего интервала - я/т < / < << я/т, на котором э. д. с. е. больше каждой из остальных (рис. 6.6, а).

На интервале л/т < t < Зя/т э. д. с. второй фазы становится большей каждой, из остальных, вентиль Ду закрывается, а открывается вентиль Д2 п выпрямленный ток протекает целиком по второй фазе (рис. 6.6. д). Затем в работу включается третья фаза, а вторая закрывается и т. д.

Таким образом, в выпрямителе с идеальными трансформатором и вентилями в любой момент времени открыта только та из фаз вторич-ТГь ной обмотки, э. д. с. которой больше э. д. с. каждой из остальных.

В течение одного периода выпрямляемого напряжения Т = 2я/со по очереди срабатывают все т фаз вторичной обмотки и, следовательно, длительность работы каждой из фаз равна Т/т.

Выпрямленное напряжение по форме повторяет огибающую э. д. с. всех фаз (рис. 6.6, б). Таким образом, имеем для выпрямленного напряжения

ео==е (6-7)

при [(I- 1)2я/т-я/т]<(о/<[(1- 1)2я/т + я/т].

Период основной гармоники выпрямленного напряжения в m раз меньше периода выпрямляемого напряжения.

Каждый из вентилей выпрямителя в течение интервала времени, равного Т/т, открыт и напряжение на нем равно нулю. В течение интервала {т - 1) Т/т вентиль закрыт создающимся в схеме отрицательным (обратным) напряжением.

ж 7п

О л м т т

Рис. 6.6

Поскольку напряжение на вентиле г-й фазы

(6.8)

то максимальным обратное напряжение на нем будет при отрицательных значениях э. д. с. еа,- (рис. 6.6, а).

При четном числе фаз выпрямляемого напряжения минимум ei II максимум бо будут совпадать во времени и для пикового значения обратного напряжения обрт получим

обр т - I 2j max ~Ь

2Е2т-

(6.9)

При нечетном числе фаз минимум ез,- совпадает во времени с минимумом во и пиковое значение обратного напряжения получается меньшим 2£2т- Так, для m = 3 будем иметь

-обрт - 13 Еот-

(6.10)

Получим основные соотношения, характеризующие такой идеализированный выпрямитель. Прежде всего определим постоянную составляющую выпрямленного напряжения и коэффициент пульсаций. Так как выпрямленное напряжение имеет период Т/т и внутри каждого периода меняется по косинусоидальному закону, то, разложив его в ряд Фурье, получим

п/т

/£о = (т/2я) 5 Е^т cos Ы d(x)t = E2m{m/K) sin (п/т) = Е2/В{т) (6.11)

- л/т

п/т

Emk = (т/л) Е^т COS со/ COS kmat йЫ =

- п/т

= 2Е2т (т/л) sin {k/m)/[{kmY - Ц, (6.12)

где £(, - постоянная составляющая; E ik -£2 = 0,707 Е2т - действующее значение трансформатора; В (т) =

амплитуда k-к гармоники; напряжения на обмотке

[]/2 (m/я)siп(л/m)]-l- коэффициент, зависящий только от т и определяющий использование обмоток трансформатора по напряжению, равный 1,11; 0,855 и 0,74 для m = 2; 3 и 6. Отсюда для коэффициента пульсаций имеем

K,=:2l[{kmf~\].

(6.13)

Введение коэффициента В (т) для основной схемы выпрямления Наряду с коэффициентом использования обмоток трансформатора по Напряжению ue удобно для последующего сравнения показателей Различных схем выпрямления.

Установить величину и форму выпрямленного тока и напряжения на нагрузке можно, рассмотрев схемы рис. 6.7.

В схеме рис. 6.7, а нелинейная часть выпрямителя заменена источником напряжения уже известной нам формы и величины е^, а ток оставшейся линейной части выпрямителя, содержащей дроссель L,



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 [ 14 ] 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

© ООО "Карат-Авто", 2001 – 2018
Разработчик – Евгений Андрианов