книги из ГПНТБ / Белопольский, И. И. Стабилизаторы низких и милливольтовых напряжений

В некоторых случаях вместо статического сопротив­ ления пользуются понятием динамического (дифферен­ циального) сопротивления, трактуемого как производная напряжения по току в рассматриваемой точке вольт-ам­ перной характеристики вентиля (рис. 48,а):

_du_ __ At/nP,

Гцр.ДИ,!— d i — Д/прі •

Поскольку реальная вольт-амперная характеристика вентиля всегда нелинейна, величины статического и ди­ намического прямых сопротивлений ие остаются посто­ янными при изменении протекающего через вентиль тока,

Рис. 47. Зависимости относительных падений напряжения в первич­ ной и ' вторичной обмотках трансформаторов с магнитопроводами различных конфигураций для частот 50 и 400 гц.

а изменяются, уменьшаясь с увеличением тока нагрузки выпрямителя. Расчет схем с изменяющимися прямыми сопротивлениями вентилей приводит на практике к не­ удобству и погрешностям, особенно при низких напря­

жениях.

Следует также отметить, что указанные сопротивле­ ния определяют иногда по динамическим, т. е. снятым на переменном токе характеристикам вентилей, приводимым обычно в справочной литературе по диодам, что ведет к еще большей неточности расчетов и для правильного расчета выпрямителей также неприемлемо. Прямое со­

89

противление выпрямительного диода необходимо опре­ делять по его статическим, т. е. снятым на постоянном токе характеристикам [Л. 5].

Определение прямого сопротивления вентилей можно осуществить более правильно, если воспользоваться одним из известных способов аппроксимации характери­ стик вентилей. Анализ показал, что оптимальным в смыс­ ле удобства пользования и приемлемой для практики точности расчетов оказывается способ двухлинейной аппроксимации. Этот способ и принят в данной работе.

Рис. 48. К определению напряжения смещения и пря­ мого сопротивления вентиля по его статической вольтамперной характеристике.

Его сущность заключается в том, что реальная (нели­ нейная) вольт-амперная характеристика вентиля заме­ няется двумя линиями (рис. 48,6). Одна линия совпада­ ет с осью напряжений. Тем „самым мы не учитываем влияние реальной обратной ветви характеристики, пре­ небрегая обратными токами и считая обратное сопротив­ ление вентиля равным бесконечности.

Вторая линия пересекает реальную характеристику в двух точках. Как показали проведенные исследования, первую точку целесообразно выбирать на уровне, при­ мерно равном амплитуде тока вентиля, а вторую — на уровне 0,15—0,20 первого уровня. В частном случае, когда характеристика вентиля имеет явно выраженный линейный участок, секущая, практически совпадая с ним, переходит в касательную,

90

Отношение приращений напряжения и тока, взятых на этой секущей, или, что то же, умноженных на масштаб­ ный коэффициент М котангенс угла ß, образованного се­ кущей и осью напряжения, определяет величину, кото­ рую будем называть эквивалентным прямым сопротив­ лением вентиля:

riip = -püL==Mctgß. (71)

‘'вмакс

Это первая для вентиля расчетная величина, кото­ рую целесообразно использовать в расчетах выпрямите­ лей любого назначения.

Отрезок оси напряжения, отсекаемый секущей от на­ чала координат, определяет величину напряжения сме­ щения Есм. Это вторая для вентиля расчетная величина, учитывающая нелинейность его характеристики.

Таким образом, для нахождения эквивалентного пря­ мого сопротивления вентиля и напряжения смещения необходимо иметь вольт-амперную характеристику вен­ тиля выбранного типа, снятую на постоянном токе.

Однако в действующих нормалях и справочниках на полупроводниковые вентили приводятся вольт-амперные характеристики, снятые в схеме однополупериодного вы­ прямления (при активной нагрузке). При снятии вольтамперной характеристики вентиль с помощью специаль­ ного быстродействующего переключателя присоединяется к вольтметру, измеряющему среднее значение выпрям­ ленного напряжения, только на время положительного полупериода и отключается на время отрицательного полупериода переменного напряжения. В результате это­ го вольтметр, присоединенный к вентилю, измеряет сред­ нее значение прямого падения напряжения за весь пери­ од, т. е. за время, когда вентиль открыт и падение на­ пряжения имеет конечное значение, и за время, в течение которого вентиль закрыт и падение напряжения на нем равно нулю.

Таким образом, вольт-амперные характеристики вен­ тилей, снятые на переменном токе и приводимые в спра­ вочных данных, имеют прямое падение напряжения в 2 раза меньше падения напряжения, измеренного на постоянном токе. Некритическое использование справоч­ ных данных приводит к существенным ошибкам.

На основании приведенных выше соображений можно рекомендовать следующий порядок определения эквива­

91

лентного прямого сопротивления и напряжения смеще­ ния.

После выбора схемы выпрямления по заданным зна­ чениям выпрямленного напряжения и тока находим сред­ нее значение тока, протекающего через вентиль в пря­ мом направлении (/в), и амплитуду обратного напряже­ ния, приложенного к вентилю в период, когда он закрыт

к большим т и п). При больших значениях п, когда схема работает в режиме, близком к короткому замы­ канию, коэффициент О= «а.обр/По может достигать зна­ чений порядка 5—10 и более.

По выбранным из табл. 7 данным находим по нор­ малям или каталогам тип вентиля (для предваритель­ ного выбора вентилей можно пользоваться также данны­ ми, приведенными в табл. П1) и его вольт-амперную ха­ рактеристику. Обычно в нормалях приводится не одна вольт-амперная характеристика, а две, -охватывающие область, в которую укладываются характеристики не менее чем 95% вентилей данного типа.

Для пользования вольт-амперной характеристикой выбранного вентиля масштаб ее по оси абсцисс (т. е. по оси напряжений) увеличивают в 2 раза.

Для лучшей и худшей из приводимых в нормали ха­ рактеристик по описанной выше методике и рис. 48,6

92

строим секущие по точкам ів,Макс и (0,15-4-0,2) ів.максВеличину ів.манс находим в табл. 7 для выбранной схемы выпрямления. Величину коэффициента FBи принимаем ориентировочно равной от 1,0 до 0,5 (меньшие значения относятся к большим т и п ).

Построив секущие, из графиков находим величины Есм и гПр, после чего по формуле (71) определяем два значения /Др, соответствующие двум крайним (левой и правой) вольт-амперным характеристикам.

При последующем расчете обычно принимают усред­ ненные значения Гпр и Есм либо определяют возможные значения выходного напряжения при крайних значениях Гпр И Есм-

После того как определены значения гПр и Есм, мож­ но найти сопротивление фазы выпрямителя г=/"тр+Гпр и его относительное внутреннее сопротивление n = r/R.

11. М ЕТО Д И КА ИНЖ ЕНЕРНОГО РАСЧЕТА НИЗКОВОЛЬТНЫ Х ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Для расчета выпрямителей должны быть заданы следую­ щие величины:

1)среднее значение тока нагрузки /0, а;

2)среднее значение напряжения нагрузки До, в;

3)коэффициент пульсации напряжения нагрузки kn\

4)данные питающей сети — число фаз Ші, действую­ щее значение линейного или фазного напряжения Дді и частота /;

5)температура окружающей среды /0кр, °С;

6)эксплуатационные, конструктивные и технико-эко­ номические требования.

При расчете низковольтного многофазного выпрями­

неизвестны три параметра (п, е, k), определяющие со­ стояние схемы и ее режимные показатели. Поскольку номер режима k = \, 2, 3 ... можно по данному п найти из графика пульсаций, то одной из основных задач из­ лагаемой ниже методики является определение парамет­ ров n — rIR и е=£см/Дмакс, где г — внутреннее сопротив­

93

Приведенная ниже методика излагается на примере но­ мограмм 12-фазной схемы, приведенных на рис. 41—44 и являющихся типичными для многофазных схем.

Порядок расчета

1.По заданной величине коэффициента пульсации /еп выбирают схему выпрямления, пользуясь данными о ве­ личинах бп.чд, приведенными в табл. 2, и учитывая кон­ структивные и другие требования задания.

2.По формуле (44) или по табл. 7 определяют сред­

нее значение тока вентиля.

3. По данным табл. 7 и приведенным в § 10 указани­ ям принимают значения величин /п.макс и иаоор для вы­ бранной схемы выпрямления.

4. По этим данным предварительно выбирают вен­ тиль, учитывая также конструктивные и другие требова­ ния технического задания, перечень разрешенных к при­ менению и имеющихся в наличии элементов. При этом для уменьшения потерь в схеме следует выбирать вен­ тили с возможно меньшими значениями гпр и Есм, а при малых напряжениях нагрузки — также с возможно мень­ шим разбросом вольт-амперных характеристик вентилей. Для выпрямителей на напряжения в несколько вольт и ниже, работающих при нормальной температуре окру­ жающей среды, вентиль можно не проверять по величине обратного напряжения, поскольку его гарантированные значения, приводимые в справочниках, превышают реаль­ но возможные в таких выпрямителях.

5. По статическим вольт-амперным характеристикам выбранного вентиля находят расчетные параметры гпр и £см, пользуясь при этом методикой, изложенной в § 10. При использовании характеристик, снятых на перемен­ ном токе, масштаб по оси абсцисс увеличивают вдвое. Вольт-амперные характеристики выбирают для заданной температуры окружающей среды.

6.По методике, изложенной в § 10, определяют ори­ ентировочное значение сопротивления трансформатора гТр, пользуясь формулой (70). Величину фазного напря­ жения, входящего в эту формулу, определяют на этом этапе расчета ориентировочно, пользуясь табл. 5 и при­ веденными к ней рекомендациями.

7.При необходимости оценивают приближенные зна­ чения других внутренних сопротивлений гс.п (соедини-

9 4

тельных проводов, разъемов и пр.). Это особенно необ­ ходимо при расчете выпрямителей на напряжения поряд­ ка нескольких вольт и ниже или при значительных токах потребителя.

8. Суммируя найденные значения гПр, гтр, гс.п, нахо­ дят внутреннее сопротивление г (сопротивление фазы) и его приведенное значение n'=r/R.

Рис. 49. К определению режимов работы 12-фазного выпрямителя.

При этом следует иметь в виду, что в диапазоне значе­ ний 0^ /іКр(і), где первое критическое значение якр(і) соответствует первому пику кривой ‘Ла=}(п, в), схема работает в первом коммутационном режиме. Значения «кр(і)</г<лІф(2), расположенные между первым и вто­ рым пиками данной кривой, соответствуют второму ре­

строенного по формуле (33). Области, ограниченные кривыми, определяют физические состояния схемы, работающей соответственно в 1, 2, 3, 4 и 5-м коммута­ ционном режимах. Область с цифрой 0 соответствует режиму прерывистого выходного тока выпрямителя (внекоммутационному режиму).

10. Из графика kn=f(n, в) по кривой для е=0 при п=п' находят величину пульсации kn0, где индекс 0 срртретствует случаю в= 0,

9д

для данного п' и т (например, при т —12 — по графику рис. 42) находят значение U*'0 и по нему — ориентиро­ вочное значение амплитуды э. д. с. по формуле

их последующие значения отличаются от предыдущих достаточно мало. Как правило, достаточно двух таких циклов. При этом на графике kn=f(n, в) движение не­ обходимых значений (точек) пульсаций kno, k'n ... при меняющихся значениях в', s" ... происходит по верти­

13'. Переходят к графику U*o=f(n, в), из которого по n'" и s' находят U*"0.

ния п, Емакс и в до приемлемой сходимости их значений. При этом на графике fen=f(n, е) движение точек п', п" ... происходит по горизонтальной линии, проходящей

значения коэффициентов D, F, §0ф.

16.По формулам перехода, приведенным на этих графиках, находят значения Cfф ! ^в.макс-

17.Найдя по (43) приведенное сопротивление транс­

форматора пТр и коэффициент внутренней ветви пѵ,

96

по (42) определяют действующее значение фазного на­ пряжения. В частном случае, когда е= 0, можно пользо­ ваться также графиками Нд.ф=/(/г) или B = f(n) с ди­ скретным параметром пв, показанными, например, на рис. 33 и 39.

18.По (56) находят мощность потерь в вентиле и проверяют его по допустимым потерям (с учетом тепло­ отвода), амплитудам прямого тока и обратного напря­ жения.

19.Производят расчет трансформатора по сущест­ вующим методикам (например, по методике, приведен­ ной в (Л. 26]), в результате чего определяют сопротив­

ление трансформатора гтр и потери в стали сердечни­ ка Рот. Если найденное по расчету сопротивление /'тр

аналогично пп. 10'—137, когда движение искомых точек п', ѣ" ... происходит по горизонтальной линии.

20. Определяют к. п. д. выпрямителя по формуле (60). На этом расчет выпрямителя в k-м коммутационном

режиме можно считать законченным.

При работе схем в первом дограничном режиме,

когда выполняется условие /г^/гг(і), целесообразнее пользоваться методом, изложенным ниже, который в силу оперативности выполнения расчета может быть отнесен к числу экспресс-методов расчета. При этом идея метода распространяется на любые иные классы выпрямителей, отличающиеся от рассмотренного в дан­ ной главе класса, при проектировании которых в на­ стоящее время не используются в достаточной мере имеющиеся возможности по унификации инженерных методов расчета. Одной из таких возможностей являет­ ся прием, когда для нахождения определяющих пара­ метров, неизвестных до начала расчета, используются графики пульсаций. .

Если выпрямитель работает в первом дограничном режиме (т. е. k = \), номер режима находить не нужно, число определяющих параметров сокращается до двух и искомые режимные показатели зависят лишь от п и е.