чипы емкости всех конденсаторов, входящих в схему. Тут необходимо реишть вопрос, куда выгоднее включать эти конденсаторы. Их можцо включить все на выход LC-фильтра и тогда выпрямитель будет работать на нагрузку, начинающуюся с индуктивности (рис. 6.34, а), а ко{деи. саторы, имеющие емкость С, вместе с дросселем L будут образовывать LC-фильтр.

Можно распределить конденсаторы в схеме по разным узлам включив часть их на выход выпрямителя, часть на выход фильтра (рис. 6.34, б). В этом случае выпрямитель работает на нагрузку, начинающуюся с емкости Q, а дроссель L составшер1ся частью конденсаторов Со служит фильтром.

Одно из положительных качеств схемы, работающей на нагрузку, начинающуюся с индуктивности, заключается в том, что габаритная

мощность трансформатора при ее применении будет меньше. Вторым показателем, по которому можно производить сравнение, является перегрузка, которую вентили выпрямителя испытывают в пусковом режиме. В схеме выпрямителя, работающего на нагрузку, начинающуюся с емкости, в момент включения, пока не зарядился конденсатор Cj, вентили работают в тяжелом режиме, близком к короткому замыканию. Выпрямитель, нагрузка которого начинается с индуктивности, свободен от этого недостатка, ток вентилей нарастает в ней со скоростью, определяемой фильтром LC. Однако при малом характеристическом сопротивлении фильтра сопутствующие включению переходные процессы (см. рис. 6.33) также приводят к перегрузке вентилей выпрямителя. Поэтому оценка максимального тока вентиля, длительности его перегрузки должны производиться с учетом конкретной величины характеристического сопротивления фильтра, т. е. значения индуктивности его дросселя.

Третьим показателем, по которому проводят сравнение, является коэффициент пульсаций на выходе двух схем при одинаковых индуктивностях дросселя L. Но прежде необходимо выработать правило для выпрямителя, работающего на нагрузку, начинающуюся с емкости, определяющее распределение конденсаторов, входящих в общую батарею, между Ci и Со. Наименьшим коэффициент пульсаций будет прп Cj = Сг = 0,5 С.

Ориентироваться в сравнительной величине пульсаций двухфазных схем выпрямителей можно по соотношению (6.50), определяющему минимальную емкость конденсатора выпрямителя. Если емкость

Рнс. 6.34

выбранного конденсатора Cj больше минимальной, то схема с нагрузкой, начинающейся с емкости, даст меньиию пульсации, чем схема с нагрузкой, начинающейся с индуктивности. В противном случае выбирают вторую схему.

§ 6.13. Примеры расчета выпрямителей

При проектировании выпрямителя необходимо выбрать его схему, рассчитать требования к готовым изделиям, определить исходные данные для расчета трансформатора. Выведенные в предыдущих параграфах формулы позволяют провести эти расчеты. Порядок их покажем на примерах.

Пример 1. Рассчитаем выпрямитель, создающий на нагрузке постоянное напряжение 27 В прн ее токе 1,35 А, Напряжение сети возьмем равным 220 В, а его частоту 50 Гц. Конденсаторы, входящие в схему выпрямителя и фильтра, пусть имеют общую емкость, равную 300 мкФ. Коэ({)фицисцт пульсаций напряжения на нагрузке меньше 0,04.

1. Сопротивление нагрузки в данном случае равно

/? = (У„ о = 27/1,35 = 20 Ом.

2. Выпрямленная мощность Pq = Уц/о = 27.1,35= 36,5 Вт.

3. Так как выпрямленная мощность мала, а требования к пульсациям высоки, то целесообразно выбрать двухфазную схему выпрямления. Выбираем мостовую схему.

4. Определяем вид нагрузки выпрямителя, для чего сравним заданную емкость с минимально допустимой для выпрямителя, нагрузка которого начинается с емкости. Согласно (6.50) имеем

= 10 /та = 10(50- 20)= 1000 мкФ. Так как Cjj, > С^, то выбираем схему с нагрузкой, начинающейся с индуктивности.

5. Выпрямленный ток, приходящийся на один вентиль мостовой схемы, в два раза меньше тока нагрузки, т. е. равен 0,675 А. Выбираем в качестве вентиля кремниевый диод КД202Г, обеспечивающий выпрямленный ток 1 А, выдерживающий обратное напряжение 100 В и имеющий порог выпрямления £пор = 0,35 В, прямое падение напряжения 0,45 В и обратный ток 2 мкА (см.[5]). По обратному напряжению вентили будут иметь хороший запас. Подсчитаем сопротивление вентиля

= {Unp - £пор) пр = (0,45 - 0,35)/1 =0,1 Ом.

6. Определяем ориентировочные значения омического и индуктивного сопротивления обмотки трансформатора, омического сопротивления обмотки дросселя [2]. Зададимся амплитудой индукции с сердечнике трансформатора, равной 1 Т. Получим

/ 5 . 10-3 jrbl.

= 3,5

= 5- 10-3

/27 1,35

1,35-50- 1

27

50. 1

= 1,85. 10-3 Г,

1,35.50. 1

50- 1

27- 1,35

= 1,55 Ом.

Омическое сопротивление обмотки дросселя примем равным 3,8 Ом. 7. Определим выходное сопротивление выпрямителя и э. д. с. холостого хода На основе (6.33):

/?вых = тр + 2ге + ш/, + Адр=1,55 + 2.0,1+2-50. 1,85-10-3 + 3,8 = 5,7 Ом, £o.v. = H + 2Z:-,fop-b/o/?Bb.x=27-l-2.0,35--5,7. 1,35 = 35,4 В. 5* i3l

8. Определяем по (6.12) напряжение на вторичной обмотке трансформатора

£2 = Е'ох.хб {т) = 34,4. 1,11 =39,4 В.

9. Определяем по (6.17) критическую величину индуктивности дросселя:

Lp = i? .v (т)/й = 20 0,332/(6,28 50) = 0,0212 Г.

10. Определяем по (6.19) индуктивность дросселя, обеспечивающую получение пульсаций, меньше заданных:

L = A (т)/(й2ап) = 0,169/(6,28-50)2 300. 10-8.0,04 = 0,143 Г.

Выбираем с некоторым запасом L- 0,16 Г (нормализованный дроссель Д44 для тока /о = 1,6 А). При этом коэффициент пульсаций будет равен 0,0358.

11. Определяем ток нагрузки, критический для выбранной индуктивности дросселя:

окр - -о

/?вы.х =35,4

/6,28.50-0,16

0,332

5,7j =0,226 А.

12. Для /о>/окр, действующее значение тока вентиля определяем по (6.23):

/и = 0,707- /о = 0,953 А.

13. Действующее значение тока вторичной обмотки находим но (6.64):

/г = К2 /, = / =1,35 А.

14. Действующее значение рабочего тока первичной обмотки находим по (6.62):

/jp = л/2 = 39,4- 1,35/220 = 0,242 А-

15. Определим габаритную мощность трансформатора:

1 1тр = 12 = £2/2 = 39,4-1,35 = 53,2 ВА.

16. Определяем напряжение на нагрузке прн холостом ходе, которое, как и в схемах выпрямителей, работающих на емкость, равно £2,.

fomax = l2£. =/2-39,4 = 55,6 В.

Таким нее будет и максимальное напряжение на конденсаторе фильтра и обратное напряжение на вентиле.

17; Рассчитаем коэффициент пульсаций по первой гармонике для выходного напрян<ения. Коэффициент сглаживания пульсаций фильтром на основе (6.118) равен

9 = cuLC- 1 = (2 . 6,28 . 50)2 . о, 16 . 300 . 10- - 1 = 18,2.

*п1вых = 0,666/18,2 = 0,0367.

Он практически равен k.

Пример 2. Рассчитаем выпрямитель, создающий на нагрузке постоянное напряжение 8 В при ее токе 0,8 А. Напряжение сети равно 115 В, а частота 400 Ги. Конденсаторы, входящие в схему выпрямителя и фильтра, имеют общую емкость 800 мкФ. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения не более 0,005.

1. Из-за малой величины Uu выбираем основную схему двухфазного выпрямителя.

2. Подсчитываем = Ujlg = 10 Ом.

3. Определяем минимальную емкость конденсатора но (6.50):

<min=106/( ? )=I0 /(400- 10) = 250 мкФ.

Поскольку Ci, < С^, выпрямитель должен работать на нагрузку, начинающуюся с емкости. Берем Q = = 400 мкФ.

4. Подсчитаем средний ток одного вентиля и примерное значение обратного напряжения на вентиле:

/ов =/0/2 = 0,8/2 = 0,4 А. £обря=.2,66£о = 2,66. 8 = 21,3 В.

Выбираем в качестве вентилей германиевые диоды с малым прямым падением напряжения Д302, у которых /одоп = 1 А, £обр.доп = 200 В, £ ор= 0,11 В, Гв = 0,1 Ом / бр= 0.1 мА.

5. Поскольку возникающее в схеме выпрямителя обратное напряжение на вентилях значительно меньше допустимого, имеем хороший запас по напряжению.

6. Определяем ориентировочные значения сопротивления и индуктивности рассеяния трансформатора [2]:

L, = 4,3. 10-3

7. Омическое сопротивление обмоткн дросселя фильтра Гдр возьмем равным 2% от сопротивления нагрузки, т. е. равным 0,2 Ом. Таким образом рассчитываем выпрямитель на нагрузку R + г^р= 10,2 Ом и выпрямленное напряжение Uoa = 1,02.8= 8,16 В, и t/o= Уозад+ £ ор= 8,27 В.

8. Определяем по (6.41) и (6.53) значения параметра А и х:

, nC-Tp-fM/o 3,14.(0,31+0,1)0,8

=----2Т8;27-=

x = cdL,/(/-tp + /-b) = 6,28 . 400 0,39 . 10-1/0,41 =0,24.

9. Находим по графикам рис. 6.14 и 6.15 значения угла отсечки б = 30° и функций В (А х) = 0,815, D{A x) = 2.55, F (А х) = 6.3 и Н (Ах) = 4500.

10. Определяем по (6.42) действующее значение э. д. с. во вторичной обмотке трансформатора:

E2 = UoB(A х) = 8,27. 0,815 = 6,74 В.

11. Определяем по (6.43) действующее значение тока вентиля:

/в = 0,5/оО(Л д;)==0,5-0,8-2,55= 1,02 А.

12. Определяем по (6.90) действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора:

/i = rt/2 / = (6,74/115) У2- 1,02 = 0,086 А, /2 = /в.

13. Определяем габаритную мощность трансформатора:

VA,p = 0,5 (£1/1 -f 2£2/2) = 0,5 (115 - 0,086 + 2 - 6,74 - 1,02) = 11,9 ВА.

14. Определяем по (6.96) пику обратного напряжения на вентиле:

£o6pm = 2£2m = 2-]/2-6,74=19 В.

15. Определяем по (6.48) коэффициент пульсаций по первой гармонике на выходе выпрямителя:

ky = H{A, X, m)/( -Ci) = 4500/(400-0,41-400) 0,07.

16. Определяем коэффициент сглаживания первой гармоники пульсаций фильтром, необходимый для достижения заданных пульсаций напряжения на нагрузке;

q = 0,07/0,005 = 14.

17. Рассчитаем индуктивность дросселя фильтра исходя из (6.118):

= (9+1)/( Г,С2) = (14+1)/[(2-6,28-400)2 400. Ю ] = 0,00148 Г.

18. Рассчитаем выходное сопротивление выпрямителя. Для номинального режима (/, = 0,8 А) коэффициент в (6.51) равен

у = /огЦтЕ^т) = 0,8 0,41/(2 9,5) = 0,0173.

Задавшись значениями у= 0,01 и у = 0,02, из рис. 6.16 находим cos 61= 0,91 и cos О3 = 0,83. Отсюда получаем:

£01 = £2т сов 61 = 9,5-0,91 =8,65 В; £о2 = £2/п cos 62 = 9,5-0,83 = 7,9 В и £о1зад = 8,54 В, £о2 зад = 7,79 В.

Изменению функции у от 0,01 до 0,02 соответствует пропорциональное изме-неипе тока нагрузки от 0,462 А до 0,925 А. Поэтому получаем

Къых. DUMP = (8,54 - 7,79)/(0,925 - 0,462) 1,6 Ом.

С учетом сопротивления дросселя фильтра Гдр = 0,2 Ом выходное сопротивление источника получается равным

/?вых= 1.6 + 0,2 = 1,8 Ом.

Трансформатор к первому выпрямителю рассчитан в примере к первой главе.

Глава VII

Регулируемый выпрямитель. Выпрямители напряжения прямоугольной формы

§ 7.1. Основная схема тиристорного регулируемого выпрямителя

Регулировка выходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами. Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схему выпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводиглого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение.

Однако такие трансформаторы весьма громоздки и имеют малую надежность. Малая надежность получается из-за переключаемых или скользящих контактов.

Регулировка постоянного напряжения иа нагрузке, достигаемая делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большими потерями .мощности.

Свободным от этих недостатков является третий метод, основанный на управлении вентилями выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящее время применяются только тиристоры. Они почти полностью вытеснили более громоздкие и менее надежные тиратроны.

Тиристоры имеют четырехслойную р-п-р-п-структуру, моментом их включения можно управлять вспомогательным импульсом тока, который подается на управляющий электрод и открывает /г-р-переход, прилегающий к катоду. После открывания тиристора все его три перехода сами смещаются в прямом направлении и он пропускает прямой ток. Ток нагрузки, протекая через тиристор, создает такую большую концентрацию носителей заряда во всех его областях, что управляющие свойства тиристора теряются.

При спадании тока до нуля, после рассасывания неосновных носителей в базовых областях, тиристор запирается и управляющие свойства восстанавл1шаются. Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 7.1, а) при небольших прямых токах имеет несколько ветвей, соответствующих различным токам управляющего электрода ty.

Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение включения тиристора Если к аноду тиристора прикладывается переменное напряжение с амплитудой, меньшей Ub max, то включение тиристора будет происходить лишь в момент подачи импульса тока на управляющий электрод. Для включения требуется, чтобы амплитуда импульса была достаточной для снижения напряжения включения Ua до величины, меньшей, чем напряжение

анод-катод тиристора U. Выключение тиристора, как уже говорилось, возможно лишь при снижении тока анода ( рДО величины, меньшей тока отключения, который настолько мал по сравнению с прямым током тиристора, что его почти всегда считают равным нулю.

В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор Т и резистор R (рис. 7.1, б), возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе закрытому тиристору. Наложение выходной характеристики цепи резистор - источник на характеристики тиристора дает прямые токи отключенного (точка А) и включенного (точка Б) тиристора. Повышение напряжения источника от пуля до значения Е вызывает при /у = О перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до полол<ения А. Если теперь подать управляющий импульс тока с амплитудой /yj и с длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора, то рабочая точка перейдет скачком в положение Б, соответствующее открытому тиристору.

Спад открывающего импульса тока в цепи управления не оказывает влияния на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается

Рис. 7.1