Источники питания постоянного напряжения

Лекция 11

Источники питания постоянного напряжения

Большая часть потребителей энергии требуют для питания постоянного напряжения. Источники питания преобразуют переменное напряжение промышленной сети… - по функциональным возможностям на неуправляемые и управляемые источники; - по структуре на источники с непосредственным преобразованием и с промежуточным преобразованием;

Выпрямители

Выпрямителем называют устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное напряжение. А точнее в однополярное, т.к. напряжение на выходе… - по количеству фаз на однофазные, трехфазные и многофазные; - по схемному решению на выпрямители с нулевой (средней) точкой и мостовые;

Однофазный выпрямитель со средней точкой

Однофазный выпрямитель со средней точкой (рисунок 11.2) является одной из самых распространенных схем. Рисунок 11.2 - Однофазный выпрямитель со средней точкой

Однофазная мостовая схема выпрямителя

Стремление упростить конструкцию трансформатора, необходимость в бестрансформаторной схемы привело к разработке мостовой схемы выпрямителя (рисунок 11.4).

Рисунок 11.4 - Мостовая схема однофазного выпрямителя

 

Трансформатор здесь не является обязательным элементом, как в схеме выпрямителя со средней точкой. В зависимости от полярности токи через нагрузку протекают поочередно через пару диодов VD1, VD3 или VD2,VD4.

Форма выпрямленного напряжения и форма тока через нагрузку аналогичны схеме со средней точкой (рисунок 11.5).

 

Рисунок 11.5 - Временная диаграмма работы мостового однофазного выпрямителя

 

Основные показатели этого выпрямителя также совпадают с показателями выпрямителя со средней точкой

 

, (11.7)

 

, , (11.8)

 

, (11.9)

 

исключая обратное напряжение , которое в два раза меньше чем в схеме со средней точкой.

 

Трехфазная схема выпрямителя с нулевой точкой

 

Трехфазный выпрямитель (рисунок 11.6,а) состоит из трансформатора с вторичными обмотками, соединенными звездой, Первичные обмотки могут соединяться звездой или треугольником.

 

Рисунок 11.6 - Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой (а),

временная диаграмма работы выпрямителя (b)

 

Принцип действия схемы рассмотрим с помощью временных диаграмм (рисунок 11.6,b). Токи через диоды протекают только при положительных значениях фазных напряжений, однако, в открытом состоянии может находиться только тот диод, для которого фазное напряжение выше, чем у двух других. На интервале 1-2 открыт диод VD1, фазное напряжение больше фазных напряжений и . В точке 2 диод VD1 закрывается, т.к. фазное напряжение становится больше , и открывается диод VD2. Таким образом, коммутация токов происходит при положительных полуволнах в точках, где фазные напряжения равны. Интервал проводимости каждого диода составляет 2π/3. Открытый диод подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. Напряжение на нагрузке формируется из однополярных пульсирующих напряжений, представляющих собой участки фазных напряжений , , . При чисто активной нагрузке формы тока и напряжения совпадают.

Среднее значение выпрямленного напряжения как

 

, (11.10)

 

где - действующее значение фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

При заданном напряжении можно найти необходимое напряжение

. (11.11)

 

Коэффициент пульсации по первой гармонике составляет

, (11.12)

 

в этом выражении , т.к. в период колебаний напряжения сети укладывается три пульса. Первая гармоника пульсации имеет частоту трехкратную частоте сети.

Обратное напряжение найдено как разность потенциалов анода и катода. При проводящем диоде VD2 обратное напряжение будет равно линейному напряжению , а при открытом диоде VD3 – линейному напряжению . При выборе диода следует учитывать, что максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения

 

. (11.13)

 

Средний ток диодов связан со средним значением тока нагрузки

 

, . (11.14)

 

Через вторичные обмотки трансформатора протекают постоянные составляющие тока , что приводит к появлению в каждом стержне постоянного магнитного потока. Явление вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора может привести к насыщению магнитопровода. Поэтому трехфазная схема с нулевой точкой самостоятельного значения не имеет, а является составной частью более сложных схем выпрямителей. Это мостовые схемы и схемы с уравнительным реактором.

 

 

Трехфазная мостовая схема выпрямителя

 

Трехфазная мостовая схема выпрямителя (схема Ларионова) (рисунок 11.7,а) содержит выпрямительный мост. Нижнюю группу диодов, которые соединены катодами, называют катодной группой, верхнюю группу диодов называют анодной группой. Нагрузка включается между анодами и катодами диодов.

 

Рисунок 11.7 - Схема трехфазного мостового выпрямителя (а);

временная диаграмма работы выпрямителя (b)

 

Эту схему можно рассматривать как последовательное включение двух схем трехфазных выпрямителей с нулевой точкой. Одна из этих схем представлена анодной группой диодов (VD4,VD6,VD2), а вторая - катодной группой диодов (VD1,VD3, VD5). Нумерация диодов в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку включения их в работу. Ток нагрузки создается под действием линейного напряжения, он протекает через один из диодов катодной группы и один из диодов анодной группы (рисунок 11.7,b).

В катодной группе в открытом состоянии будет находиться тот из диодов, фазное напряжение которого имеет наибольшую величину; в анодной группе диодов в открытом состоянии будет находиться тот из диодов, фазное напряжение которого имеет наименьшую величину (с учетом знака). Следовательно, будет проводить та пара диодов, к которой в этот момент приложено наибольшее линейное напряжение. На участке 1-2 временной диаграммы наибольшее положительное напряжение имеет , подаваемое к аноду диода, а наименьшее значение напряжения имеет , следовательно, ток в этом промежутке протекает через диоды VD1 и VD6. Аналогично можно проследить моменты включения и выключения диодов. Интервал проводимости каждого из диодов , а совместно пара диодов открыты на интервале . За период происходит шесть переключений, поэтому эту схему называют «шестипульсной».

Среднее значение выпрямленного напряжения

 

, (11.15)

 

где - действующее значение фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

При заданном напряжении можно найти необходимое напряжение

 

. (11.16)

 

Коэффициент пульсации по первой гармонике составляет

 

, (11.17)

 

в этом выражении 6, т.к. в период колебаний напряжения сети укладывается шесть пульсов. Первая гармоника пульсации имеет частоту шестикратную частоте сети.

Обратное напряжение найдено как разность потенциалов анода и катода.

При выборе диода следует учитывать, что максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения

 

. (11.18)

 

Средний ток диодов связан со средним значением тока нагрузки

 

, . (11.19)

 

Трехфазная мостовая схема выпрямителя имеет лучшие показатели, чем трехфазная схема с нулевой точкой.

1. Действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора в два раза меньше, чем в схеме с нулевой точкой, при одинаковых .

2. Коэффициент пульсации по первой гармонике значительно меньше, чем в схеме с нулевой точкой.

3. Частота первой гармонической составляющей в два раза больше, чем в схеме с нулевой точкой. Это упрощает задачу сглаживания выпрямленного напряжения.

4. При реализации схемы требуются диоды с меньшим обратным допустимым напряжением.

5. Среднее значение тока через вторичную обмотку трансформатора равно нулю, т.к. токи, протекающие через диоды анодной и катодной групп, противоположно направлены. Это исключает крайне нежелательный эффект подмагничивания сердечника трансформатора.

 

Сглаживающие фильтры

 

Емкостный фильтр

Рисунок 11.1 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой и емкостным фильтром

Индуктивный фильтр

Рисунок 11.11 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с…  

Сглаживающие Г- образные фильтры

Рисунок 11.13 -. К анализу работы сглаживающих фильтров: а - эквивалентная схема Г-образного фильтра; b – индуктивный фильтр;

Внешние характеристики источников питания

Изменение выходного напряжения источника питания при изменении потребляемого тока отображается внешней характеристикой, т.е. зависимостью (рисунок… Рис.11. Внешняя характеристика источника питания: