книги / Электропитание устройств связи

В независимости от режима работы выпрямитель характери­ зуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующи­ ми режим работы вентиля и параметрами трансформатора.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: среднее зна­ чение выпрямленного напряжения С/о/ среднее значение выпрям­ ленного тока —/о; коэффициент пульсации выпрямленного напря­ жения Kmi^UoKrrJUo*); частота основной гармоники выпрямлен­

ного напряжения /пь внешняя характеристика выпрямителя — за­ висимость выходного напряжения выпрямителя U0 от тока на­

грузки / 0 при неизменном напряжении на входе выпрямителя.

По этой характеристике можно определить номинальное зна­ чение выходного напряжения выпрямителя и его внутреннее сопро­ тивление по постоянному току.

Вентили в схемах выпрямления характеризуются следующими

параметрами: средним значением тока вентиля / ср; действующим значением тока вентиля / в; амплитудой тока в вентиле /в™; ампли­ тудой обратного напряжения £/0брт; средней мощностью, рассеи­ ваемой вентилем за период Рв-

По этим параметрам в схемах выпрямления выбирают венти­ ли. Величины указанных параметров не должны превышать пре­

трансформатора /СТр = ^о/5Тр.

Величины параметров вентилей и трансформатора зависят как. от схемы выпрямления, так и от режима работы выпрямителя.

6.4. РАБОТА НА АКТИВНУЮ НАГРУЗКУ

Случай чисто активной нагрузки выпрямителя относительна редок и характерен лишь при питании цепей, не требующих огра­

*) Коэффициентом пульсации называется отношение амплитуды k-ой гармо­ ники выпрямленного напряжения UoKm к среднему значению выпрямленного на­ пряжения Uо.

Коэффициент пульсации может измеряться в процентах по отношению к на­ пряжению UQ. Обычно в выпрямителях интересуются коэффициентом пульсации по первой гармонике выпрямленного напряжения, так как она имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту.

При питании аппаратуры связи пульсация измеряется в псофометрнческих и> среднеквадратичных величинах.

121

дет протекать ток от топки а фазы вторичной обмотки, через вен­ тиль 1, сопротивление нагрузки к нулевой точке вторичных об­

моток трансформатора Напряжение на нагрузке равно мгновен­ ному значению ЭДС иа, так как падение напряжения в идеальном

выпрямителе (в трансформаторе и вентиле) равно нулю. В момент U напряжение фазы b также положительно, но меньше, чем иа. Поэтому потенциал анода вентиля 2 ниже, чем потенциал его ка­ тода и, следовательно, вентиль 2 будет закрыт.

Таким образом, в течение части периода 2п/т ЭДС в фазе а имеет наиболее положительное значение и вентиль 1 остается от­ крытым. Начиная с момента t2, наибольшее положительное зна­ чение приобретает ЭДС фазы Ь иь, вследствие чего открывается вентиль 2 и вступает в работу фаза Ь. Начиная с момента t$, всту­

пает в работу фаза с и т. д.

Напряжение на выходе выпрямителя ио в любой момент равно

мгновенному значению ЭДС фазы вторичной обмотки, в которой вентиль открыт и, следовательно, выпрямленное напряжение представится кривой огибающей зависимости ЭДС вторичных об­ моток (рис. 6.146). Так как ток в нагрузке равен отношению вы­

активное сопротивление, каждая фаза вторичной обмотки транс­

прямоугольника с основанием 2л/т и ограниченного сверху отрез­ ком синусоиды. Токи в фазах b и с изобразятся подобными кривы­

Из (6.1) получим выражение, связывающее действующее зна­ чение напряжения фазы вторичной обмотки Uz со средним значе­ нием выпрямленкого напряжения UQ:

Кривая выпрямленного напряжения помшмо постоянной состав­ ляющей содержит также переменную составляющую. Так как пе­ риод изменения кривой щ в т раз меньше периода изменения то­

ка питающей сети, то частота первой гармоники переменной со-

123

ставляющей в т раз больше частоты тока питающей сети, т. е. fni= m fc.

Гармонический ряд для кривой «0 имеет следующий вид:

ио— + U01mcos m<at + Uvmcos2mo)t + ...+ U 0kmcoskm<i>t + ...,

где Uoim> U(вт — амплитуда первой, второй и т. д. гармоник; со —

угловая частота тока питающей сети.

Всилу симметрии кривой щ относительно оси ординат членов

ссинусами в гармоническом ряде нет. Амплитуда A-той гармони­ ческой переменной составляющей

Это выражение справедливо при т ^ 2 .

В реальном выпрямителе сопротивление вентиля в прямом на­ правлении не равно нулю и обмотки трансформатора обладают «сак индуктивным, так и активным сопротивлениями. Вследствие этого выпрямленное напряжение при нагрузке будет меньше на­ пряжения при холостом ходе.

Содержание переменной составляющей в кривой выпрямлен­ ного напряжения определяется коэффициентом пульсации

Кпк = UQkj U Q= 2j[(kmf— 1].

На практике переменная составляющая или пульсация напря­ жения оценивается по первой гармонике, имеющей наибольшую амплитуду и низшую частоту. Для первой гармоники (А= 1) пуль- «ация равна /Cni=2/(m2— 1).

Как видно из рис. 6.14в, каждая фаза вторичной обмотки трансформатора и каждый вентиль в однотактных схемах работа­ е т один раз за период в течение его части 2я/т. Среднее значе­ ние тока в обмотке трансформатора и через вентиль в т раз мень­

ше тока нагрузки, т. е. /ср=/о/т.

124

ля и действующее значение тока вторичной обмотки равно:

V~2h, где / в — ток вентиля, определяемый (6.4).

Максимальная величина обратного напряжения, прикладывае­ мого к вентилю, зависит от схемы выпрямления.

На рис. 6.14(5 изображена кривая обратного напряжения на вентиле 1, для схемы рис. 6.13. Кривая обратного напряжения

представляет собой разность двух синусоидальных фазных на­ пряжений. Максимальная величина обратного напряжения равна амплитуде линейного напряжения на зажимах вторичной обмотки

Uo6p = V3U 2n = V 3V 2 U 2.

Линейное напряжение первичной обмотки Uin отличается от

определить соотношение между фазными значениями напряжений вторичной и первичной обмоток для различных схем соединения последних. Соотношение между токами в фазах первичных и вто­ ричных обмоток зависит не только от коэффициента трансформа­

обмотки и уравнением для намагничивающих сил в трансформа­ торе. В интервале времени, когда работает вентиль 1 фазы а, то­

ки в фазах первичной обмотки связаны соотношением

Рассмотрев два магнитных контура, один из которых включает стержни сердечников I к II, а другой — стержни II и III, запишем

уравнение равновесия намагничивающих сил, током холостого хо­ да трансформатора при этом пренебрегаем:

Разделив ур-ние (6.6) на число витков первичной обмотки и учитывая (6.5), получим систему уравнений для токов в транс­ форматоре:

где i'2a=iza(W2/wi) — ток вторичной обмотки, приведенный к пер­

вичной.

Из ур-ний (6.7) получим

125

Из (6,8) видно, что первичная обмотка фазы А пропускает в

положительном направлении 2/3 приведенного тока вторичной об­ мотки, токи в фазах В и С в этом интервале времени имеют отри­

цательное направление и равны 1/3 приведенного тока вторичной обмотки. На рис. (6.14а) изображена кривая тока ма. Кривые то­ ков в фазах В и С первичной обмотки имеют такую же форму и сдвинуты по фазе относительно тока иа на 2л/3 и 4я/3 соответ­

ственно.

Действующее значение тока в фазе первичной обмотки для схе­ мы рис. 6.13 можно определить из следующего выражения:

(6.9)

В выражении (6.9) для упрощения пульсация тока не учиты­ валась.

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, равна произведению выпрямленного напряжения на ток (средние значения), т. е. PQ=UOIO.

Мощность, на которую должны быть рассчитаны трансформа­ тор и вентили, определяется не только постоянной, но и перемен­ ной составляющей тока и напряжения. Эта мощность, называемая габаритной, больше полезной и определяется действующими зна­

наличия постоянной составляющей в кривой тока вторичной обмоткй (при mi = m2) или худшего использования вторичных обмо­ ток при (т2> т \).

Воднотактных схемах выпрямления возникает вынужденное намагничивание трансформатора.

Врассматриваемой схеме однотактного трехфазиого выпрями­ теля для каждого из стержней трансформаторов характерен раз­ баланс НС. В рабочем интервале фазы а на стержень данной фа­

зы действует намагничивающая сила izaWг—*iAtt>i = l/3 /aa>2. на­ правление которой совпадает с направлением тока i2a. В стержнях фаз В и С в том же направлении действуют несбалансированные намагничивающие силы, обусловленные токами /'is, iic (iiB= IoW2!3.

ii c = /о^2/3).

Данные НС создают поток вынужденного намагничивания, ко­ торый замыкается через окружающее трансформатор пространст­ во. Если трансформатор имеет кожух из магнитного материала,

126

поток вынужденного намагничивания может достичь большой ве­ личины и вызвать насыщение сердечника, что, в свою очередь, уве­ личит ток холостого хода трансфорхматора. Наличие вынужденного намагничивания также увеличивает потери в стали трансформато­ ра и снижает КПД всего устройства.

Для хменьшения насыщения сердечника трансформатора уве­ личивают сечение сердечников, т. е. оастет масса как трансфор­ матора, так и всего устройства.

6.5. РАБОТА НА НАГРУЗКУ ЕМКОСТНОГО ХАРАКТЕРА

При работе выпрямителя (на примере схемы двухфазного вы­ прямителя) на нагрузку, шунтированную емкостью (рис. 6.15), реакция нагрузки на выпрямитель будет определяться конденса­ тором, так как его сопротивле­ ние для переменной составляю­ щей тока мало. Напряжение на обкладках конденсаторов рав­ но напряжению на нагрузке

(iic = Uo), так как они соедине­

ны параллельно.

Очевидно, что вентили, включенные в фазах вторичных обмоток, будут пропускать ток, если потенциал на аноде вен­ тиля выше, чем катода. Если вентили идеальные, т. е. не об­

ладают сопротивлением в прямом направлении, то падение напря­ жения на вентиле равно нулю, т. е. при открытом вентиле.

UQ— иС= U2 = U2тsin (t + т) <0 = и ш sin <Dt \

Таким образом, при открытом вентиле выпрямленное напряже­ ние щ представится отрезком синусоиды (участок а—б) ЭДС вто­

ричной обмотки (рис. 6.16).

127

где ф= arctg(l/#HcoC).

Следовательно, ток через вентиль iB представляет синусоидаль­

ный импульс длительности 20 с амплитудой, зависящей от пара­ метров цепи нагрузки /?н и С.

Начиная с момента времени, соответствующего точке б на рис. 6.16, напряжение вторичной обмотки и2 становится меньше, чем

напряжение на конденсаторе, т. е. анод вентиля оказывается под

При выводе этого выражения принято, что в момент запирания вентиля конденсатор заряжается до наибольшего возможного на­ пряжения, равного амплитуде ЭДС вторичной обмотки трансфор­ матора. Кривая выпрямленного напряжения при этом (участок б—в) представляет собой отрезок экспоненты, соответствующий

напряжению на конденсаторе при его разряде на нагрузку.

В точке в открывается вентиль, включенный во вторую фазу

вторичной обмотки трансформатора, и конденсатор вновь заря­ жается до LW

Таким образом, при работе выпрямителя на емкостную нагруз­ ку каждая фаза вторичной обмотки работает один раз за период в течение части периода, характеризуемой углом отсечки 0. Выпрям­ ленное напряжение и ток через вентиль зависят от параметров це­ пи нагрузки RHи С .

Увеличение нагрузки выпрямителя, т. е. уменьшение сопротив­ ления Rn вызывает уменьшение среднего значения выпрямленного

Увеличение емкости конденсатора приведет к увеличению вы­ прямленного напряжения (участок б—в кривой ц0 пойдет выше),

снизится пульсация напряжения, уменьшится длительность рабо­ ты фазы (угол отсечки 0) и увеличится амплитуда тока через вен­ тиль. Так как с увеличением амплитуды тока через вентиль дей­ ствующее значение тока также увеличивается при неизменном среднем значении (нагрузка неизменна), то существенное увели-

128

чение емкости конденсатора может вызвать недопустимый нагрев как вентиля, так и обмоток трансформатора.

В реальном выпрямителе за счет падения напряжения в сопро­ тивлении вентиля и обмоток трансформатора кривая выпрямлен­ ного напряжения пойдет ниже кривой рис. 6.16.

При проектировании выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку, наиболее широко используется графо-аналитический ме­ тод, позволяющий легко определить все параметры выпрямителя, как функции угла отсечки или зависимой от него величины.

Рассмотрим вывод выражений для основных параметров вы­ прямителя (рис. 6.17).

При определении основных параметров принимаем следующие допущения:

1.Выпрямленное напряжение равно напряжению на зажимах конденсатора (UQ=Uc) и неизменно во времени (рис. 6.18). Это

упрощение позволило исключить емкость из всех расчетных соот­ ношений.

2.Прямое сопротивление вентиля неизменно, а обратное —

бесконечно велико.

3. Трансформатор обладает только активным сопротивлением,

аиндуктивное сопротивление его равно нулю.

4.Напряжение питающей сети имеет неискаженную синусо­ идальную форму и все элементы схемы выпрямителя строго сим­ метричны.

Ток в фазе и через вентиль протекает в часть периода (—0 ^ ^ 0) ^ + 0 ), когда напряжение в фазе вторичной обмотки больше

выпрямленного (иг^^з), и равен

= (u2— U0)/Гф= (U2mOOS <ot—Щ /г ф, (6.9)

где Гф = гПр+гТр — сопротивление фазы выпрямителя; Гпр — сопро­ тивление вентиля в прямом направлении; гтр — активное сопро­ тивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной об­ мотке.

129

ся выбором схемы выпрямления, а Гф .предварительно (ориентиро­ вочно) определяется в зависимости от {Уо, ^о, я* и типа вентилей.

Так как все величины, характеризующие работу выпрямителя (действующее значение напряжения и тока вторичной обмотки, габаритная мощность трансформатора, среднее, действующее и амплитудное значение тока в вентиле, обратное напряжение на нем, пульсация выпрямленного напряжения и внешняя характери­ стика выпрямителя), зависят от угла отсечки 0, то они также за­ висят от расчетного параметра Д, являющегося функцией угла отсечки.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

и 2 =>£W V 2 = U o lV 2 cos 0 = В Uo.

Так как коэффициент В является функцией угла отсечки 0, то

он может быть выражен в зависимости от расчетного параметра Д (рис. 6.19).

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформа­ тора

130