Document 4734947

Электропитание устройств и систем
телекоммуникаций
Тема лекции: Выпрямительные устройства
Авторы разработчики: Елфимов В.И., Дурнаков А.А., Устыленко Н.С.
Выпрямительные устройства
Формирование компетенций:
• Выпрямительные устройства
Выпрямительные устройства
Перечень подтем
• Определение и классификация выпрямительных устройств.
• Параметры выпрямительных устройств.
• Схемы выпрямления.
• Анализ работы схем выпрямления при различном характере
нагрузки.
• Выпрямительные устройства с умножением напряжения.
Выпрямительные устройства
Выпрямительное устройство (ВУ) – это устройство, которое
преобразует переменный ток в постоянный (пульсирующий)
ток, а также может выполнять функции регулятора
напряжения, тока, мощности.
ПИП
~
ТР
~
~
В
=
Ф
Обобщенная структурная схема
=
П
Выпрямительные устройства
Классификация ВУ
По типу вентилей:
–
Управляемые вентили.
–
Неуправляемые вентили.
–
Электронные вентили.
–
Ионные вентили.
–
П/п вентили.
2.
По реакции нагрузки на стороне потребителя:
–
Резистивная нагрузка.
–
Индуктивная нагрузка.
–
Емкостная нагрузка.
1.
Выпрямительные устройства
По величине выходной мощности:
–
маломощные: Рвых ≤ 1000 Вт.
–
ВУ большой мощности: Рвых > 1000 Вт.
4.
По значения выходного напряжения:
–
Низковольтные: Uвых < 1000 В.
–
Высоковольтные: Uвых ≥ 1000 В.
5.
По частоте выпрямительного тока:
–
Промышленная сеть переменного тока: Fс = 50 Гц.
–
Сеть переменного тока повышенной частоты:
Fс = 400 Гц, Fс = 1000 Гц.
–
Сеть переменного тока высокой частоты: Fс > 1000 Гц.
3.
Классификация ВУ
Выпрямительные устройства
6.
По режиму работы:
–
Кратковременный.
–
Повторно-кратковременный.
–
Непрерывный.
–
Импульсный.
7.
По схеме выпрямления:
–
Однотактная.
–
Двухтактная.
–
Однофазная.
–
Многофазная.
–
Схема выпрямления с умножением напряжения.
Классификация ВУ
Выпрямительные устройства
Трансформатором называется электромагнитное устройство,
преобразующее переменное напряжение одного значения в
переменное напряжение другого значения, а также
осуществляющее гальваническую развязку выходной цепи от
ПИП.
• Электрические параметры
– Действующее значения напряжения первичных и вторичных
обмоток трансформатора – U1, U2.
– Действующее значения токов первичных и вторичных
обмоток трансформатора – I1, I2.
– Число фаз первичных обмоток m1 (обычно равно 1).
– Число фаз вторичных обмоток m2 (обычно равно 2).
– Мощность первичных обмоток:
S1 = m1I1U1.
Выпрямительные устройства
– Мощность вторичных обмоток:
S2 = m2I2U2.
– Габаритная мощность трансформатора:
S тр 
S1  S 2
2
, если η = 100 % (обычно η = (0,7…0,93)).
– Коэффициент использования первичных обмоток
трансформатора:
К1 
Р0
1
,
S1
где Р0 – мощность на стороне потребителя ВУ.
– Коэффициент использования вторичной обмотки
трансформатора: К2 = Р0/S2.
– Коэффициент использования трансформатора:
Ктр = Р0/Sтр.
Электрические параметры
трансформатора
Выпрямительные устройства
Параметры вентилей
•
Среднее значение тока через вентиль – Iср.
•
Действующее значение тока вентиля – IВ.
•
Амплитуда тока вентиля – Im.
•
Прямое падение напряжения на вентиле – Uпр.
•
Обратное напряжение на вентиле (допустимое) – Uобр доп.
Uобр доп = (0,5…0,8) Uпробоя.
Выпрямительные устройства
•
Обратный ток вентиля – Iобр (при Uобр доп).
•
Дифференциальное сопротивление вентиля
.
dU
rв 
•
пр
dI пр
Максимально допустимая мощность рассеивания на вентиле
– Рдоп.
Параметры вентилей
Выпрямительные устройства
Вольтамперная характеристика вентиля


U пр  I rб  

I  I обр exp 
  1


 
 т

Выпрямительные устройства
Iпр
Uобр
Uпр
Iобр
ВАХ идеального вентиля
– rв = 0
– Rобр = ∞.
Математические модели ВАХ
вентилей
Выпрямительные устройства
Iпр
α
Uпр
Uобр
Iобр
ВАХ идеализированного вентиля с потерями
rв =R tgα.
Математические модели ВАХ
вентилей
Выпрямительные устройства
Iпр
α
Uобр
Uпр
Iобр
ВАХ идеализированного вентиля с потерями и порогом
выпрямления
– Для кремния: Uпор = (0,3…0,8) В.
– Для германия: Uпор = (0,15…0,2) В.
Математические модели ВАХ
вентилей
Выпрямительные устройства
При несовпадении параметров вентилей с требуемыми
параметрами.
–
Iн > Iср.
В этом случае оба вентиля надо включить параллельно.
R
R
R
Схема параллельного соединения вентилей.
R – симметрирующие резисторы, R>>rв.
Выпрямительные устройства
–
Uобр > Uобр доп
В этом случае оба вентиля надо включить последовательно.
R
R
R
Схема последовательного соединения вентилей
R – шунтирующие резисторы.
IRш >> Iобр
Rш << Rобр.
Выпрямительные устройства
•
•
•
•
•
Выходные параметры выпрямительного устройства.
Среднее значение выпрямленного напряжения U0.
Среднее значение выпрямленного тока – I0.
Мощность в цепи выпрямленного тока – Р0.
Р0 = U0I0.
Частота первой гармонической составляющей в цепи
выпрямленного тока – fп1 = fп.
Коэффициент пульсации выходного напряжения
выпрямительного устройства - Кпк.
Кп
f п  f п1
U п1 U п


.
U0 U0
Uп1 = Uп – амплитуда переменного напряжения первой
гармоники выходного напряжения выпрямительного
устройства (ВУ).
Выпрямительные устройства
1.
2.
3.
Классификация схем выпрямления
По числу фаз переменного напряжения, подаваемого на
выпрямительное устройство:
- однофазные;
- трехфазные.
По числу фаз источника электропитания.
Число фаз выпрямителя: m = pq.
p – число фаз выпрямленного напряжения (обычно
совпадает с числом вторичных обмоток трансформатора).
q – число полупериодов, в течение которых протекает ток
через вентиль.
По способу соединения вентилей:
- однофазная однопериодная схема выпрямления;
- двухфазная двухполупериодная схема выпрямления;
- однофазная мостовая схема выпрямления (мост Греца).
Выпрямительные устройства
Uд
~U1
U2
i0
VD
U0
Rн
Однофазная однополупериодная схема выпрямления
m = pq = 1.
Выпрямительные устройства
1.
1
I0 
2

 I m sin( t )dt 
0
1

I m  0.318I m

2.
1
1
U 0  I 0 Rн 
U

sin(

t
)
d

t

U 2 m  0.318U 2 m  0.45U 2
2m

2 0

3.
Im = π I0 = 3.14 I0.
2
4.
 1
U2  
 2
 1

 2
2
5.
6.
I2
2
U
2
 m
0
2
I
m

0

 sin 2 (t )dt 


sin 2 (t ) dt 

1/ 2

U 2m
 2.22  U 0
2
1/ 2
 0.5 I m  1.57 I 0
Uобр макс = U2m = π U0 = 3.14 U0.
Основные расчетные
выражения
Выпрямительные устройства
7.
8.
fп = m Fсети = fп1 = Fc – частота пульсаций.
Кп 
Uп
 1.57
U0
Uп = U0 π/2.
9.
K тр 
0
S тр
 0,32
Основные расчетные
выражения
Выпрямительные устройства
Особенности однофазной однополупериодной схемы
выпрямления.
•
•
Малое количество элементов.
Простота схемы.
•
Значительные размеры и вес трансформатора, вследствие
плохого использования вторичных обмоток и вынужденного
намагничивания за счет протекания постоянной
составляющей тока через вторичную обмотку.
•
•
•
Значительная величина обратного напряжения на вентиле.
Большая величина амплитуды тока вентиля.
Значительные размеры и вес сглаживающего фильтра из-за
большого Кп и низкой частоты первой гармоники.
Выпрямительные устройства
Двухфазная двухполупериодная схема
m = pq = 2
Выпрямительные устройства
Выражения для расчета двухфазного
двухполупериодного выпрямителя
2
1.
I0 
2.
U0 
3.
Im 
4.
U2 
5.
I2 = 0.5 Im = 0.785 I0

I m  0.636  I m
2
U 2 m  0.636  U 2 m  0.9  U 2


I 0  1.57  I 0
2
U0
 1.11  U 0
0.9
Основные расчетные
выражения
Выпрямительные устройства
6.
fп = mFcети = 2Fсети.
7.
Кп 
8.
Uобр макс = 2 U2m = 3.14 U0.
9.
Uп
 0.67
U0
0
.K тр  S  0,68
тр
Основные расчетные
выражения
Выпрямительные устройства
Особенности двухфазной двухполупериодной схемы
выпрямления при резистивном характере нагрузки
•
•
•
•
•
•
Наличие двух вентилей.
Более сложный трансформатор (требуется дополнительная
вторичная обмотка и необходимо симметрировать вторичные
обмотки).
Уменьшаются размеры и вес трансформатора (Ктр = 0,68),
вследствие лучшего использования обмоток отсутствует
вынужденное намагничивание.
Уменьшается вдвое амплитуда тока вентилей.
Уменьшаются размеры и вес сглаживающего фильтра, так как
fп = 2Fсети, а Кп уменьшается, более, чем в два раза.
Большое значение напряжения Uобр на вентиле.
Выпрямительные устройства
Однофазная мостовая схема выпрямления
m=pq=2.
Выпрямительные устройства
Основные соотношения для расчета однофазной мостовой схемы
1.
2.
I0 
2

2
U 0  U 2 m  0.636  U 2 m  0.9  U 2


I 0  1.57  I 0
2
3.
Im 
4.
U2 
5.
I m  0.636  I m
U0
 1.11  U 0
0.9
1.57
I2 
I 0  1.11  I 0
2
Выпрямительные устройства
6.
fп = mFcети = 2Fсети.
7.
Кп 
8.
Uобр макс = 3.14 U0.
9.
0
Uп
 0.67
U0
K тр 
Sтр
 0,83
Основные расчетные
соотношения
Выпрямительные устройства
Особенности однофазной мостовой схемы выпрямления
•
•
•
•
•
•
•
Требуется 4 вентиля.
В мощных выпрямительных схемах невозможно установить
вентили на одном радиаторе без изоляции.
Улучшается использование трансформатора (Ктр = 0,83),
уменьшаются габариты и вес.
Не требуется дополнительная вторичная обмотка
трансформатора.
Уменьшается вдвое обратное максимальное напряжение на
вентиле.
Уменьшается вдвое напряжение на выходе вторичной
обмотки.
Эта схема имеет самое низкое динамическое сопротивление.
Выпрямительные устройства
Внешняя характеристика выпрямительного устройства – это
зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от
средних значений выпрямленного тока.
U0 = f (I0)
Rвых  Ri  
U 0
I 0
Выпрямительные устройства
i0
VD
Тр
~U2
Rн
U0
Однофазная однополупериодная схема выпрямления, нагрузка которой
начинается с индуктивности
Выпрямительные устройства
Диаграммы, поясняющие работу однофазной однополупериодной схемы
выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности
Выпрямительные устройства
Пусть τ1 > τ2
Проведем анализ через второй закон Кирхгофа:
 U   e
di
 U 2  U 2 m  sin( t )
dt
Решив данное дифференциальное уравнение, получим:
i0  Rн  L

 Rн  

i0  I m   sin( t   )  sin   exp   t  
 L 

 mc L 


 Rн 
  arctg
Im 
U 2m
Rн2  (m c L) 2
U 0  U 2 m  1  cos   
λ = π  U0 = U2m / π = 0.318U2m = 0.45U2
λ = 2π  U0 → 0.
1
2
Выпрямительные устройства
Особенности
•
Увеличивается продолжительность работы вентиля.
•
Уменьшается амплитуда тока вентиля и уменьшается среднее
значение выпрямленного тока.
•
С увеличением τ уменьшается U0 и, соответственно,
уменьшается коэффициент пульсаций Кп.
Выпрямительные устройства
Двухфазная двухполупериодная схема выпрямления, нагрузка которой
начинается с индуктивности
Выпрямительные устройства
Диаграммы, поясняющие работу двухфазной двухполупериодной схемы
выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности
m c L
н 
Rн
Выпрямительные устройства
Особенности работы схемы
•
•
•
•
•
Уменьшается габаритная мощность трансформатора Sтр за
счет того, что индуктивность не позволяет току резко
меняться.
Медленное изменение тока в цепи вентиля.
Уменьшается коэффициент пульсаций.
Невозможность работы схемы при импульсном характере
нагрузки:
di
eL   L  0
dt
Схема эффективно работает при больших тока на стороне
потребителя (τ → ∞).
Выпрямительные устройства
Тр
~U1
VD
C
Rн
Схема однофазной однополупериодной схемы выпрямления,
нагрузка которой начинается с емкости
Выпрямительные устройства
Диаграммы, поясняющие работу однофазной однополупериодной схемы
выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости
iC  C 
dU C
dt
Выпрямительные устройства
θ – угол отсечки – это такой фазовый угол, который соответствует
половине интервала времени протекания тока через вентиль.
Основные соотношения для расчета
1.
U 0  U 2 m  cos 
m U0

 A 
 R
2.
I0 
3.
U2 = U0 B(θ)
4.
I 0  F ( )
Im 
m
A(θ) = tgθ – θ.
Выпрямительные устройства
5.
6.
I 0  D( )
I2 
m
H ( )
Kп 
fRC
Расчет схемы очень трудоемок и сложен, поэтому вводят
специальные трансцендентные функции: A(θ), B(θ), F(θ), D(θ),
H(θ) и используют математические модели:
R
4

Rн
( mc CRн ) 2
- используют крайне редко.
R
10

Rн
( mc CRн ) 2
Основные расчетные
соотношения
Выпрямительные устройства
Схема однофазной мостовой схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с
емкости
Выпрямительные устройства
Диаграммы, поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления,
нагрузка которой начинается с емкости.
Выпрямительные устройства
Особенности работы схемы выпрямления при емкостном
характере нагрузки
•
•
•
•
•
•
•
Увеличивается габаритная мощность трансформатора из-за
увеличения тока во вторичной обмотке.
Вентили работают с отсечкой тока.
Форма напряжения и тока на выходе имеет пилообразный характер.
Увеличение i0 приводит к уменьшению U0 и увеличению угла
отсечки, тем ярче, чем меньше значение емкости конденсатора С.
Увеличение I0 приводит к увеличение коэффициента пульсаций.
Величина С определяет форму тока вентилей, при малом значение
емкости конденсатора С форма тока в цепи вентиля отличается от
косинусоидального.
В схеме с емкостным характером нагрузки происходит перегрузка
вентилей большим зарядным током конденсатора.
Выпрямительные устройства
Выпрямительные устройства с умножением напряжения
(схемы умножения напряжение – СУН).
• n – кратность умножения.
n = (2…10)  U0 = (10…100) кВ.
Тр
~U1
С1
U2
VD1
VD2
C2
Rн
Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения
Выпрямительные устройства
U2, UC1, UC2
UC2
UC1+U2
UC1
ωt
U2
iVD
для VD1
ωt
2Θ
для VD2
Диаграммы, поясняющие работу однофазной несимметричной схемы
удвоения напряжения
СУН
Выпрямительные устройства
Rн
Тр
~U1
C1
C3
U2
VD2
VD3
VD1
+
С2
Несимметричная схема утроения напряжения
СУН
Выпрямительные устройства
Тр
~U1
U2
C1
C3
C2
VD1 VD2
…
Rн
С4
VD3 VD4
Сn
VDn
Схема несимметричной СУН первого порядка
UCn макс = nU2m
Выпрямительные устройства
Тр
VD2
VD1
C2
C1
Rн
Симметричная схема удвоения напряжения
Выпрямительные устройства
Диаграммы, поясняющие работу симметричной схемы удвоения
Выпрямительные устройства
Общая характеристика схем умножения напряжения.
• Кп ≤ 6%
I0
С
 2n(n  2)  10 6
f пU 0
n опт 
U 0 макс  С  Fc
I0
, мкФ
Выпрямительные устройства
Свойства схем умножения напряжения
•
Увеличение кратности умножения приводит к проявлению
несоответствия выходного напряжения данной кратности
умножения. Больше сказывается в несимметричных схемах
умножения напряжения.
•
Увеличение кратности умножения приводит к увеличению
коэффициента пульсаций. Больше проявляется в
несимметричных схемах.
•
nопт зависит от тока I0, и менее ярко выражено для
симметричных СУН.
Общая характеристика СУН
Выпрямительные устройства
Заключение
• Выпрямительное устройство – это устройство, которое
преобразует переменный ток в постоянный (пульсирующий) ток,
а также может выполнять функции регулятора напряжения,
тока, мощности.
• К параметрам выпрямительных устройств относятся параметры
трансформатора, параметры вентилей.
• Схемы выпрямления различаются по числу фаз переменного
напряжения, по числу фаз источника электропитания, по
способу соединения вентилей. Для характеристики схем
выпрямления существует параметр называемый числом фаз
выпрямителя m = pq.
Выпрямительные устройства
•
Внешняя характеристика выпрямительного устройства – это
зависимость среднего значения выпрямленного напряжения
от средних значений выпрямленного тока.
•
Нагрузка выпрямительного устройства начинающаяся с
индуктивности оказывает следующее влияние на работу:
- увеличивается продолжительность работы вентиля,
- уменьшается амплитуда тока вентиля и уменьшается
среднее значение выпрямленного тока,
- с увеличением τ уменьшается U0 и, соответственно,
уменьшается коэффициент пульсаций Кп.
Заключение
Выпрямительные устройства
•
В схемах умножения напряжения увеличение кратности
умножения приводит к проявлению несоответствия выходного
напряжения данной кратности умножения.
•
Увеличение кратности умножения приводит к увеличению
коэффициента пульсаций. Больше проявляется в
несимметричных схемах.
•
nопт зависит от тока I0, и менее ярко выражено для
симметричных СУН.
Заключение
Выпрямительные устройства
Список литературы
1. Иванов-Цыганов А.И. ЭПУ РЭС Учебник для вузов, 4-е изд.,
переработанное и дополненное. М.: Высшая школа, 1991, 272с.
2. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические
устройства / под ред. А.Я. Шихин. М.: Энергоиздат, 1981, 336с.
3. Источники вторичного электропитания / В.А.Головацкий, Г.Н.Гулякович,
Ю.И.Конев и др., 1990, 227с.
4. Электропитание устройств связи: учебник для вузов / А.А.Бокуняев,
В.М.Бушуев, А.С.Жерненко и др. Под редакцией Ю.Д.Козляева, 1998,
328с.
5. Источники электропитания электронных средств схемотехники и
конструирования. / В.Г.Костиков, Е.М.Парфенов, В.А.Шахнов, 2001,
344с.
6. К.П.Полянин Интегральные стабилизаторы напряжения. 1979, 192с.