еп л4(випр)

ВИПРЯМЛЯЧІВипрямляч ― це пристрій, призначений для перетворення змінної напруги

у постійну. У загальному випадку структурна схема випрямляча має вигляд, показаний на рис. 1.1. Вона складається з вхідного та вихідного фільтрів ( Ф1 ,Ф2 ), вхідного трансформатора TV , вентильного блока VS , системи

керування СК вентилями блока VS , на входи якої при необхідності надходять сигнали з датчиків напруг і струмів з виходу та входу випрямляча.

~

~В хід В и х ід

Ф 1 T V V S Ф 2

С К

Рис . 1 .1

Розрізняють два типи випрямлячів: однотактні (одно-півперіодні) та двотактні (двопівперіодні).

Однотактні схеми використовують для випрямлення (відбирання потужності з мережі змінного струму) тільки однієї півхвилі змінної напруги з двох у кожному її періоді, тобто струм у вторинній обмотці трансформатора тече один раз за період в одному напрямку. До таких схем відносяться схеми з середньою (нульовою) точкою трансформатора (крім найпростішого однопівперіодного випрямляча).

Двотактні схеми використовують для випрямлення обох півхвиль у кожному періоді вхідної змінної напруги, тобто струм у вторинній обмотці трансформатора тече двічі за період, причому у різних напрямках. До них належать мостові схеми.

Для характеристики числа півхвиль вхідної напруги, що використовуються, вводиться таке поняття як пульсність випрямляча (періодичність випрямленої напруги) , яка визначає число пульсацій випрямленої напруги за період напруги живлення. Для однотактних схем mп = m2(m2 — число вторинних обмоток), для двотактних схем mп = 2m2.

• Випрямлячі розрізняють: за потужністю — малопотужні (до 1 кВт), середньої потужності ( до 100 кВт), потужні (більше 100 кВт); за напругою — низької (до 250 В), середньої (до 1000 В) та високої (вище 1000 В).

• За числом фаз первинної обмотки трансформатора випрямлячі поділяються на однофазні та трифазні.

• Окремо виділяють клас випрямлячів з багатофазною схемою випрямлення (шість, дванадцять і більше фаз вторинної обмотки трансформатора).

При розрахунку випрямляча звичайно задані:

1. Потрібне значення напруги на навантаженні dU (середнє значення).

2. Середнє значення струму навантаження dI . 3. Діюче значення ЕРС (напруги) живильної мережі

змінного струму 1 1( )E U . 4. Якщо мережа змінного струму має нестандартну

частоту (відмінну від 50 Гц), то вона теж зазначається.

Всі величини, що підлягають розрахунку,

виражаються у функціях струму dI та напруги dU навантаження.

Експлуатаційні характеристики випрямляча:1. Зовнішня характеристика випрямляча const1

( )d d UU f I ― залежність

напруги на виході випрямляча від струму навантаження.

2. Регулювальна характеристика випрямляча const1(α)d U

U f ―

залежність випрямленої напруги від кута керування.

3. Коефіцієнт корисної дії випрямляча d dP P P , де dP ― активна

потужність у колі випрямленого струму; P ― сумарні втрати потужності у

випрямлячі, які враховують втрати в обмотках трансформатора, вентилях, фільтрі, системі керування, а також у допоміжних пристроях.

4. Коефіцієнт потужності випрямляча (1)λ νcos , де 1(1) 1ν I I ―

коефіцієнт спотворення струму, який характеризує гармонічний склад струму первинної обмотки трансформатора і дорівнює відношенню діючого значення першої

гармоніки струму до діючого значення струму первинної обмотки; (1) ― кут зсуву

фази першої гармоніки струму первинної обмотки по відношенню до прикладеної

синусоїдальної напруги живильної мережі; (1)cos ― коефіцієнт зсуву.

5. Коефіцієнт пульсацій п( ) ( )К q m q dU U ― відношення амплітуди гармоніки з

номером q до середнього значення випрямленої напруги. Коефіцієнт пульсацій характеризує гармонічний склад випрямленої напруги.

ОДНОФАЗНІ ВИПРЯМЛЯЧІ

• Однофазні випрямлячі як правило малопотужні та живляться від однофазної мережі змінної напруги 220 В. В якості випрямлячів використовуються наступні схеми: однопівперіодний випрямляч, двопівперіодний випрямляч з нульовим виводом (з середньою точкою) вторинної обмотки трансформатора, однофазний мостовий.

Еквівалентні схеми і параметри трансформатора.

На рис.1.7, а наведено потокозчеплення двообмоткового трансформатора

та його спрощена структура.

Рис.1.7. Еквівалентні схеми заміщення двообмоткового

трансформатора

Однофазний однопівперіодний випрямляч.Активне навантаження.

Рис.1.10. Схема заміщення однофазного однопівперіодного випрямляча та часові діаграми його роботи

Параметри кола навантаження.Якщо напруга мережі живлення синусоїдальна, то й ЕРС вторинної

обмотки також буде синусоїдальною: , де . На інтервалі напруга на навантаженні буде дорівнювати

, де .

Струм, що проходить через вентиль спадає до нуля в момент і вентиль виключається. На інтервалі ключ розімкнений. Починаючи з моменту

напруга на вентилі стає негативною, а струм у колі дорівнює нулю. Отже і напруга на

навантаженні . Середнє значення напруги на навантаженні за період

. (1.1)

Середнє значення випрямленого струму за період

, де амплітудне значення струму через вентиль. Амплітуда основної гармоніки пульсацій випрямленої напруги дорівнює

. Тоді коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги для основної гармоніки

. (1.2)

Параметри вентиля.

Максимальна зворотна напруга вентиля дорівнює

. (1.3)

Діюче значення струму вентиля

. (1.4)

При виводі останнього співвідношення враховано, що

, .

Розрахувавши величини за довідниками можна

обрати підходящий діод (вентиль).

Керований режим роботи випрямляча

Середнє значення випрямленої напруги

(1.12)

де середнє значення випрямленої напруги

при .

Вираз (1.12) описує регулювальну характеристику випрямляча.

Згідно рис.1.17, г максимальне значення прямої та зворотної напруг на

вентилі дорівнює відповідно ; .

Однофазний випрямляч з нульовим виводом. Активне навантаження.

Рис.1.15. Однофазний випрямляч з нульовим виводом: а) еквівалентна схема;

часові діаграми роботи на активне навантаження б) при , в) при


(1.53) Де: - середнє значення випрямленної напруги в

некерованому режимі (можна визначити з формули 1.53 при підстановці ).

Вираз (1.53) являє собою регулювальну характеристику випрямляча.

Середнє значення випрямленого струму

. (1.54) Середнє значення струму вентиля

(1.55)

Діюче значення струму вторинної обмотки, а також струму вентиля

, (1.56)

де коефіцієнт форми кривої струму вентиля.

. (1.57)

Із збільшенням кута керування коефіцієнт зростає, що треба враховувати при проектуванні стабілізованих випрямлячів.

Напруга на тиристорі на інтервалі дорівнює а

на інтервалі вона становить

Однофазний мостовий випрямляч.Активне навантаження.

Рис.1.20. Еквівалентна схема мостового випрямляча а); часові діаграми його роботи на активне навантаження :

б) некерований режим ( ); в) керований режим ( )

Розрахунок електричних параметрів випрямляча для некерованого

режиму , для якого часові діаграми подані на рис. 1.20, б,

здійснюється аналогічно однофазному випрямлячеві з нульовим виводом.

Наведемо тільки кінцеві результати:

Мостовий випрямляч має більш високий коефіцієнт використання

трансформатора у порівнянні із схемою з нульовим виводом, а також у два рази менше значення зворотної напруги на вентилі. Струми у первинній і вторинній обмотках трансформатора є синусоїдальними. Тому при чисто активному навантаженні по відношенню до живлячої мережі такий випрямляч сприймається як звичайне лінійне навантаження

Розглянемо розрахунок електричних параметрів випрямляча для керованого режиму , часові діаграми для якого наведено на рис.1.20, в.

Середнє значення напруги на навантаженні:

. (1.108)

Вираз (1.108), у якому являє собою регулювальну характеристику .

Середнє значення випрямленого струму:

(1.109)

де . Середнє значення струму вентилів:

, (1.110)

де .

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі:

. (1.111) Максимальне значення прямої напруги на вентилі:

. (1.112) Діюче значення струму вентиля визначимо, використовуючи коефіцієнт форми струму

:

. (1.113)

Коефіцієнт зсуву першої гармоніки струму живильної мережі 1(1)i відносно напруги ЕРС живлення

Порівнюючи однофазні схеми випрямлення з середньою точкою та мостову, можна зробити наступні висновки:

• у мостовій схемі трансформатор має одну вторинну обмотку (принципово схема може працювати без трансформатора) на відміну від схеми з середньою точкою, у склад якої входять дві вторинні обмотки;

• переріз магнітопроводу трансформатора у мостовій схемі менший, тому що типова потужність трансформатора менша, ніж у схемі з середньою точкою;

• у мостовій схемі використовуються чотири вентилі, тоді як у схемі з середньою точкою два, що призводить при протіканні випрямленого струму через два послідовно з’єднаних вентилі до подвійного спаду напруги та потужності у вентилях, а, отже, і зниженню ККД випрямляча при низьких значеннях вихідної напруги;

• використання вентилів за зворотною напругою в мостовій схемі в два рази краще, ніж в схемі з середньою точкою;

• у мостовій схемі до вентилів прикладається зворотна напруга в два рази менша, ніж у схемі з середньою точкою (при рівних напругах на навантаженні);

• струм вторинної обмотки трансформатора в мостовій схемі більший за струм у схемі з середньою точкою. Тому вторинна обмотка повинна намотуватися більш товстим проводом.

Активно-індуктивне навантаження.

•

г

P и с . 1 .8

а

id r de 2

T V

V D0~

L dV S

u d

iV S

iV D 0

б

в

iV D 0iV S

а

b

б

P и с . 1 .7

L d

а

id rde 2

T V

u ’d~

V S

u d


2

2

0

1 cos1sin .

2 2

VSm VS

d mE

U E d

(1.64)

При VS (чисто активне навантаження, 0dL )

0dU 22E ; при 2VS (чисто індуктивне навантаження,

0dr ) 0 0dU . Цей режим відповідає режиму короткого

замикання навантаження. Для цього режиму a max кз 2 мm dI E L ,

2 , 2 кз a max кз a max кзsin( )2VSi i I I

.

При струм 2кзi досягає максимального значення

2max кз a max кз2I I .

Активно-індуктивне навантаження.

Рис.1.16. Однофазний випрямляч з нульовим виводом та активно-індуктивним навантаженням: а) - г) еквівалентні схеми; д) - з) часові діаграми роботи

Рис . 1 .10

ба

e ,u2 d

0

u d

iV S 1 ,4Id

u 1 i1 (1 )

iV S 2 ,3

0

0

ii

1

1 (1 )

,

0

К тId

u V S 1

U п р m

U з в m

0

i1

U з в 0

e 2

e ,u2 d

0

u d

iV S 1 ,4

Id

i1 (1 )

iV S 2 ,3

0

0

ii

1

1 (1 )

,

0

К тId

u V S 1

U з в m

0

i1

e 2

Рис . 1 .11

б

e ,u2 d

0

u d

iV S 1 ,4

0

e 2

Id iV S 2 ,3iV S 1 ,4

u 1ii

1

1 (1 )

,

u V S 1

U з в m

0U з в 0

0

i1

i1 (1 )

e ,u2 d

0

u d

id

Id0

e 2

iV S 2 ,3

iV S 1 ,4

u 1

i1 (1 )

ii

1

1 (1 )

,

u V S 1

U п р m

U з в m

0U з в 0

0

i1

а

e2iV S 2 ,3

в

L a

V S 1 V S 3

V S 2 V S 4

i2

iк

L d

rd

iк 1

iк 2

iV S 1 ,4iV S 2 ,3

iV S 1 ,4

А В

Рис.1.21. Мостовий випрямляч з навантаженням: а) схема випрямляча; б), в) - еквівалентні схеми для визначення комутаційних процесів; г) часові діаграми для керованого режиму без

урахування комутаційних процесів ; д) часові діаграми для керованого режиму з урахуванням комутаційних процесів

Активно-ємнісне навантаження.

•

Рис . 1 .24

б

U = ud c

i1 ,4

Id

e ,u

2d

i ’d

i2 ,3

id

V D 4

V D 2

rd

V D 3

V D 1

C

i ’d

T V

i2

u

i2 ,3

i1 ,4

i1 ,4

i2 ,3

i1

ic

a

На інтервалі , коли діоди 1VD і 4VD пропускають струм

1,4 2di i i , 2 2 (cos cos )c m

de u E

ir r

, (1.116)

де cos22 mEe і 2 cosc d mu U E визначаються згідно

рис. 1.24,б, а дa 2rrr .

Тривалість протікання струму у вентилі відповідає куту 2 .

Кут називають кутом відсікання. Струм у колі навантаження визначається як середнє значення струму di за

половину періоду

2

0

(cos cos )1 2 md d

EI i d d

r

2 sin cos,

cosdU

r

(1.117)

Вираз (1.117) можна подати у більш зручному вигляді

)(

2)(tg

2

A

r

U

r

UI dd

d , (1.118)

де tg)(A є функцією кута відсікання. Числове значення функції )(A можна визначити з виразу

dd

d

r

r

U

IrA

22)(

, (1.119)

де 04,01,0 drr для випрямлячів потужністю від 1 до 1000 Вт.

Таким чином, вибравши відношення drr , а також

обчисливши за допомогою (1.119) величину )(A , із графіка

рис. 1.25, а визначають кут відсікання .

Рис . 1 .25

а б

7

6

9

8

50 ,30 ,2 0 ,40 ,1 0 ,5 A ( )

F

3 0

2 0

5 0

4 0

1 00 ,30 ,2 0 ,40 ,1 0 ,5

A ( )0

0 0 ,0 60 ,0 4 0 ,0 80 ,0 2 sin co s

c o s

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 ,7

0 ,8

0 ,9

д

0

B

2 ,0

0 ,5 1 ,5

1 ,0

2 ,5

К ф

0 ,30 ,2 0 ,40 ,1 0 ,5 A ( )

1 ,5

в

е

B

0 ,5

1 ,0

1 ,5

0 0 ,30 ,2 0 ,40 ,1 0 5, A ( )

m п = 1

4 0 0

8 0 0

6 0 03

21 0 0 0

0

H ( )

0 ,60 ,4 0 ,80 ,2 1 ,0 A ( )

г

0

Трифазний випрямляч з нульовим виводом.Активне навантаження.

Рис.1.29. Трифазний випрямляч з нульовим виводом: а) еквівалентна схема; б) часові діаграми роботи; в) розподіл намагнічуючих сил вздовж замкнених контурів магнітопроводу

Електричні параметри випрямляча.

Рис.1.32 фазний випрямляч з нульовим виводом:

а) – еквівалентна схема;

б) – часова діаграма випрямленої напруги

Для схеми Міткевича: тривалість роботи кожного тиристора 32VS . Випрямлена напруга та струм мають однакову форму і містять трикратні

пульсації за період ( 32п mm )

Керований режим (схема Міткевича)

Рис.1.33 Часові діаграми керованого випрямляча за схемою Міткевича: а) режим безперервного струму; б) режим переривчастого струму.

При безперервному струмі у колі навантаження,

(1.185) При переривчатому струмі у колі навантаження,

(1.186) При випрямлена напруга дорівнює нулю.

Активно-індуктивне навантаження

У залежності від форми струму у колі навантаження розрізняють - режим переривчастого струму; - режим безперервного, але пульсуючого струму; - режим ідеально згладженого струму. Форма струму у колі навантаження залежить від співвідношення параметрів

кола навантаження і величини кута керування , де ,

кутова частота напруги мережі живлення.

Якщо , то при будь яких кутах керування струм у колі навантаження можна вважати ідеально згладженим. Розглянемо більш

докладно цей режим. За умови струм у навантаженні .

Трифазний мостовий випрямляч (схема Ларіонова).

Некерований режим роботи . У схемі одночасно пропускають струм два вентилі: один з найбільш високим потенціалом анода відносно нульової точки вторинної обмотки трансформатора з катодної групи вентилів, а іншій - з найбільш низьким потенціалом катода з анодної групи вентилів. Так, наприклад, згідно часовим діаграмам струмів і напруг, наведеним на рис.1.34, б, на інтервалі

, тривалістю , струм пропускають вентилі VS1 і

VS6, на інтервалі вентилі VS1 і VS2, на інтервалі

вентилі VSЗ і VS2 і т.д. Випрямлена напруга на

інтервалі визначається різницею фазних ЕРС і ,

на інтервалі - різницею ЕРС і і т.д.

Трифазний мостовий випрямляч, у порівнянні з розглянутими раніше, має такі переваги: - відсутні потоки вимушеного підмагнічування осердя трансформатора; - менша у порівнянні із схемою Міткевича

величина на вентилі при тому ж самому

значенні ; - хороший коефіцієнт використання трансформатора ; - малий коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги.

еп л4(випр)

Documents