Выбор схемы выпрямления и типа вентилей

Выбор схемы выпрямления. В ЭПУ находят наибольшее применение ИВЭ- выпрямители с блоками вентилей, собранными на основе следующих типовых схем выпрямления:

- однотактных схем выпрямления однофазного напряжения (схема со

средней точкой, рисунок 1.3, а) и трехфазного напряжения (схема Миткевича, рисунок 1.3, б);

Рисунок 1.3 - Однотактные схемы выпрямления однофазного и трехфазного токов

- мостовые схемы выпрямления однофазного и трехфазного (схема Ларионова) напряжений, рисунок 1.4 а, б.

Рисунок 1.4 - Мостовые схемы выпрямления однофазного и трехфазного токов

Сравнительные характеристики и параметры указанных схем выпрямления при работе на активную нагрузку приведены в таблице 1.4.

По большинству показателей и характеристик (см. таблицу 1.4) мостовые схемы лучше, наиболее широко применяются в ИВЭ ЭПУ, и могут поэтому быть рекомендованы для использования в проектируемых выпрямителях при выполнении контрольной работы.

Студентам рекомендуется осветить в пояснительной записке обоснование выбора той или иной схемы выпрямления на основе конкретного анализа параметров и характеристик этих схем по данным таблицы 1.4.

Таблица 1.4 - Основные параметры схем выпрямления при работе на

активную нагрузку

Параметр	Схемы выпрямления и их параметры
Двухфазная со средней точкой	Однофазная мостовая	Трехфазная однотактная (Миткевича)	Трехфазная мостовая (Ларионова)
Действующее значение напряжения вторичной обмотки	2, 0∙ 1, 11	1, 11	0, 85 (фазное)	0, 43 (фазное)
Действующее значение тока вторичной обмотки	0, 73	1, 11	0, 58	0, 82
Действующее значение тока первичной обмотки	1, 11∙	1 M∙	0, 48∙	0, 82∙
Типовая мощность трансформатора	1, 48	1, 23	1, 35	1, 05
Обратное напряжение вентиля	3, 14	1, 57	2, 09	1, 05
Среднее значение прямого тока вентиля	0, 5	0, 5	0.33	0, 33
Действующее значение прямого тока вентиля	0, 78	0, 78	0, 58	0, 58
Амплитуда тока вентиля	1, 57	1, 57	1, 21	1, 05
Частота пульсаций выпрямленного напряжения
Коэффициент пульсаций				5, 7

 

где п - коэффициент трансформации, — частота напряжения сети. Следует также учесть, что однофазная мостовая схема выпрямления

находит наибольшее применение в маломощных и средней мощности выпрямителях при низких напряжениях и токах, не превышающих 1А и при работе на емкостную нагрузку, то есть со сглаживающим фильтром с емкостным входом. При токе нагрузки 1А и выше даже при малых выпрямленных напряжениях нужно применять фильтры, начинающиеся с индуктивности. Такие фильтры ограничивают пиковые токи через вентиль, поскольку эти пиковые токи при чисто емкостном фильтре создают перенапряжение на конденсаторе, что особенно опасно для полупроводниковых схем.

При значительных нагрузках более 2А, а также при повышенных напряжениях от 100В до 1000В обязательно применение трехфазной схемы выпрямления и сглаживающего фильтра с индуктивной реакцией, то есть с фильтра, на входе которого включен дроссель.

Выбор типа вентилей. Выбор типа вентилей зависит от схемы выпрямления и средних значений, выпрямленных напряжения и тока , а также от требуемого коэффициента пульсаций (в %) на выходе выпрямителя.

В ИВЭ- выпрямителях наиболее широко используются кремниевые полупроводниковые диоды, хорошо себя зарекомендовавшие и в маломощных, и в мощных выпрямителях, в том числе и при высоких обратных напряжениях до нескольких тысяч вольт и десятках и сотнях ампер прямого тока.

Именно этот тип вентилей и рекомендуется использовать при выпол­нении расчёта выпрямителя в контрольной работе.

Основными параметрами вентилей, используемыми при выборе вентиля и расчёте выпрямителя являются: (или ) - максимально допустимое среднее значение прямого тока через вентиль; - максимально допустимое значение (амплитуда) обратного напряжения на вентиле; (или ) - прямое среднее напряжение на вентиле при токе . Для кремниевых диодов оно не превышает 1В; - значение тока через диод в обратном направлении при .

Шунтирование каскада вентилей. При выборе вентилей для снижения обратного напряжения на одном вентиле часто приходится ставить в каждое плечо выпрямителя по два и более вентилей последовательно, как это показано на рисунке 1.5, а.

 

 

 

Рисунок 1.5 - Последовательное включение вентилей (а) и их шунтирование резисторами (б)

 

Параметры вентилей, в частности - внутреннее сопротивление вентиля прямому току, имеют для каждого типа вентиля некоторый “разброс”, то есть - не одинаковы.

Оценить значение можно по формулам [5]:

а) при емкостной нагрузке б) при индуктивной нагрузке

; (1.1) . (1.2)

Шунтирующие резисторы в цепи последовательно включенных вентилей выполняют две функции - выравнивают обратные напряжения на вентилях и несколько уменьшают обратные токи через вентили.

Диапазон значений, в пределах которого лежит искомое значение сопротивления шунтирующего резистора, можно оценить расчётом по формулам, учитывающим возможное рассогласование обратных напряжений на вентилях при их последовательном соединении. Это рассогласование обычно лежит в пределах 20...50% и учитывается коэффициентом рассогласования обратных напряжений =0, 2...0, 5:

, (1.3, a)

(1.3, б)

где - обратный ток одного вентиля; - допустимое обратное напряжение на одном вентиле; - максимальное обратное напряжение на всей группе N последовательно соединенных вентилей.

Оценив рассчитанный диапазон значений сопротивлений, в его пределах выбирается (задается) искомое значение сопротивления шунтирующего резистора, а затем по справочнику выбирается тип резистора.

Неудобство использования формул (1.3, а, б) в том, что не во всех справочниках по диодам приводятся значения обратных токов.

По этой причине в инженерной практике для сокращения вычислений или при отсутствии справочных данных по обратным токам вентилей можно использовать следующие рекомендации по выбору значений сопротивления (на каждые 100 В обратного напряжения на одном диоде): для маломощных диодов с допустимыми прямыми токами < 0, 3 А = 80..100 кОм; для мощных диодов с > 5 А = 10... 15 кОм; для диодов средней мощности = 15... 100 кОм.

Выбор типа диодов осуществляется по таблице П4 Приложения.

Расчёт трансформатора

Задача расчёта. Расчёт трансформатора по рекомендуемой в данном Пособии упрощенной методике предполагает выполнение перечисленных ниже операций.

1. Выбор типа магнитопровода, его материала и индукции в магнитопроводе.

2. Определение активного сопротивления трансформатора ;

3. Определение индуктивности рассеяния трансформатора ;

4. Определение действующих значений токов и напряжений обмоток трансформатора, его типовой мощности и КПД.

Выбор типа магнитопровода и предварительная оценка магнитных характеристик трансформатора. В качестве материала магнитопровода в ИВЭ-выпрямителях ЭПУ при низких и средних частотах 50…10 кГц используются главным образом электротехнические стали марок 3422; 3423; 3424; 3425 с толщиной листа 0, 08 и 0, 05 мм, а также стали 1513; 3411...3413; 1521; 1561; 1562.

В контрольной работе предполагается расчёт низкочастотного (50 Гц, 400 Гц) низковольтного или с повышенным напряжением (до 1000 В) входного трансформатора с магнитопроводом из электротехнической стали.

Тип нормализованного магнитопровода. Используются типы: Ш - броневой из штампованных пластин; ШЛ - броневой ленточный; ОЛ - тороидальный (кольцевой) ленточный; ПЛ - стержневой ленточный.

Студент должен выбрать тип магнитопровода, ориентируясь на приближенное расчетное значение типовой мощности трансформатора, способ размещения на магнитопроводе обмоток, от чего зависит расчётное число стержней S (рисунок 1.6). В дальнейшем расчеты уточняются.

Рисунок 1.6 - Размещение обмоток на магнитопроводе

Предварительно, чтобы выбрать значение амплитуды индукции магнитного поля в магнитопроводе, оценивается типовая мощность трансформатора, которую предварительно принимают приблизительно равной номинальной мощности выпрямителя , отдаваемой в нагрузку

(1.4)

Приближенная формула (1.4) дает заниженные значения, так как часть мощности с выхода трансформатора теряется в вентилях и дросселе фильтра. Это требует последующего уточнения расчета трансформатора,

Статистические данные, полученные проектирующими организациями, позволили установить для конкретных марок электротехнических сталей значения амплитуд индукции и КПД трансформатора в зависимости от значений (см. таблицу П2 Приложения).

Предварительный расчёт активных и реактивных параметров трансформатора. Активное сопротивление трансформатора , под которым подразумевается сумма активных сопротивлений обмоток и вносимого сопротивления, обусловленного потерями в стали магнитопровода, приведенных по вторичной обмотке, определяется по формуле:

(1.5)

 

где - коэффициент, зависящий от выбранной схемы выпрямления, определяется по таблицам ПЗ или П9 Приложения в зависимости от характера режима работы выпрямителя (индуктивного или емкостного).

Примечание: при предварительных упрощенных расчётах сопротивление трансформатора можно принять:

, (1.6)

где - сопротивление нагрузки. Чем больше типовая мощность

, тем меньшее значение надо брать при расчёте по формуле (1.6).

Индуктивность рассеяния трансформатора оказывает заметное влияние на работу выпрямителей, особенно с высокими напряжениями (сотни вольт) и токами более 1 А. Она определяется по формуле

(1.7)

где - коэффициент, также зависящий от выбранной схемы выпрямления,

определяется по таблицам ПЗ или П9 Приложения.

Определение действующих значений напряжений и токов обмоток трансформатора и его типовой мощности. Как уже отмечено, предварительный расчет трансформатора, как, впрочем, и выбор вентилей, осуществляются в предположении, что типовая мощность приблизительно равна выходной мощности всего выпрямителя ( ). При этом не учитываются потери мощности в блоке вентилей и сглаживающем фильтре.

Более точно типовая (“габаритная”) мощность трансформатора может быть подсчитана, если известны токи в обмотках и напряжения на них.

, В∙ А

Расчет токов и напряжений обмоток осуществляется по формулам, приведенным в таблицах ПЗ и П9 Приложения для активно-индуктивного и активно-емкостного режимов работы выпрямителя соответственно.

Потребность в уточнении расчёта и , для выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку. Это уточнение необходимо выполнять, если выбран электрический фильтр, на входе которого стоит конденсатор, то есть при активно-емкостной нагрузке выпрямителя.

Примечание. При активно-индуктивной нагрузке, когда на входе фильтра включен дроссель с большой индуктивностью, влияние параметров обмоток трансформатора и менее существенно и потребность в их уточнении практически отпадает.

Потребность в коррекции расчётов и в емкостном режиме связана с возникновением отсечки кривой тока в вентиле, что приводит к уменьшению действующего значения выпрямленного тока в вентиле , увеличению зависимости выпрямленного напряжения от колебаний тока нагрузки (так как изменяются сопротивление нагрузки и сопротивление фазы выпрямителя ), возрастанию влияния индуктивности рассеянии трансформатора.

Разберемся в этих особенностях режима и уточнениях при расчёте и .

Эффект “отсечки тока” в вентилях при емкостной нагрузке выпрямителя. Отсечка тока в вентиле заключается в том, что длительность положительной полуволны выпрямленного напряжения, как и при активной нагрузке, составляет величину (где Т - период, a m- число фаз), а длительность полуволны тока через вентиль оказывается меньше значения

Обычно отсечка тока оценивается не временем задержки, а значением фазового угла , в радианах.

Наглядно смысл отсечки тока лучше всего пояснить при рассмотрении идеального выпрямителя.

Идеальный выпрямитель не должен содержать активного сопротивления трансформатора и сопротивления вентиля в прямом направлении (то есть , ).

Удобно проследить процесс отсечки тока на примере работы двухфазного (m = 2) выпрямителя со средней точкой. Электрическая принципиальная схема такого выпрямителя представлена на рисунке 1.7, а; его идеальная эквивалентная модель - на рисунке 1.7, б, а графики изменения токов и напряжений изображены на рисунке 1.7, в.

Причиной появления отсечки токов в вентилях является особенности протекания процессов заряда-разряда конденсатора С.

Из теории электрических цепей известно, что эти процессы носят экспоненциальный характер (кривые и изменяются по экспонентам). Рассмотрим эти процессы подробнее.

а - электрическая принципиальная схема выпрямителя;

б - эквивалентная модель идеального выпрямителя;

в - графики выпрямленных напряжений и токов.

Рисунок 1.7 - К пояснению эффекта “отсечки тока” в вентиле

Примем за начало отсчета момент времени, при котором напряжение на конденсаторе ещё превышает величину возрастающего напряжения (рисунок 1.7, в). Идет разряд конденсатора, положительное напряжение на катоде вентиля VD1 больше, чем на его аноде, вентиль заперт и ток через этот вентиль . Разряд идет на резистор нагрузки . Разряд конденсатора длится до тех пор, пока напряжение нарастающей полуволны не сравняется с напряжением на конденсаторе ( ). Это произойдет через промежуток времени, соответствующий фазовому углу . С этого момента начинается заряд конденсатора и через вентиль VD1 протекает ток .

Заряд длится до тех пор, пока на спаде полуволны напряжения не возникает равенство . Конденсатор перестает заряжаться, ток , напряжение на катоде вентиля VD1 вновь оказывается положительным и большим, чем на аноде. Вентиль запирается, чем и формируется вторая отсечка тока при .

Разряд конденсатора по экспоненциальному закону продолжается до тех пор, пока положительная полуволна напряжения не подключит конденсатор на заряд при и через вентиль VD2 начинает протекать ток и т.д.

Учет влияния активных параметров маломощного выпрямителя и приемника при емкостной нагрузке. В реальных выпрямителях малой мощности, то есть при малых токах, не превышающих значение и мощностях до 10 Вт, индуктивности магнитного рассеяния обмоток трансформатора малы и ими обычно пренебрегают (принимают ).

Учитываются только активные сопротивления трансформатора гтр и вентилей в прямом направлении .

При расчётах эти сопротивления сводят к эквивалентному сопротивлению фазы выпрямителя

или , (1.8)

где N - число последовательно соединенных вентилей в плече моста.

Электрическая модель такого выпрямителя для одной фазы представлена на рисунке 1.8, а.

а - модель маломощного выпрямителя;

б - модель выпрямителя средней мощности.

Рисунок 1.8 - Электрические модели выпрямителя при активно-емкостной нагрузке

Согласно схемы рисунка 1.7, б общий выпрямленный ток равен сумме токов вентилей VD1 и VD2 за период или сумме токов конденсатора и нагрузки .

Ток в конденсаторе и напряжение на нем определяются по формулам:

а) при заряде

;

б) при разряде

;

 

где и - постоянные времени цепей заряда и разряда соответственно;

- наибольшее значение тока в конденсаторе.

Постоянные времени определяют длительности процессов заряда и разряда (известно, что длительность переходного процесса можно оценить временем . Для схемы рисунка 1.8 имеем:

; (1.9)

Чем меньше , тем больше крутизна экспоненты, тем быстрее ток и напряжение достигают своих установившихся значений, а значит - тем больше длительность импульса тока, меньше угол отсечки .

Поскольку конденсатор разряжается только на резистор нагрузки, целесообразно приемник иметь со значительным входным сопротивлением . Это увеличивает постоянную времени , а значит - затягивает процесс разряда конденсатора (уменьшается угол отсечки ), сохраняя напряжение на нагрузке и поддерживая ток нагрузки при отсутствии токов в вентилях.

Основой расчётный параметр “А” выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку. Можно кратко сформулировать выявленные особенности работы маломощного выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку:

1. Выпрямитель работает с отсечкой тока вентилей. Длительность и пульсов тока - менее .

2. Выпрямленное напряжение на приемнике и ток нагрузки имеют пилообразную форму (рисунок 1.7, в), что часто требует наличия в схеме фильтра дросселя, включенного последовательно с нагрузкой.

3. Сопротивление нагрузки существенно влияет на величину угла отсечки . Чем больше ток нагрузки (мало ), тем больше тем меньше .

4. Емкость С конденсатора пульсациями своего тока определяет напряжение пульсации на выходе выпрямителя и искажает форму выпрямленного напряжения.

И основное - все характеристики выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, существенно зависят от значений угла отсечки тока . Это усложняет расчёт параметров и электрических величин выпрямителя при данном режиме.

В свою очередь, угол зависит от многих факторов, причем эта зависимость нелинейная.

Для упрощения расчётов вводят некоторый обобщенный расчетный параметр А, который позволяет учесть и значения угла отсечки (косвенно), и число фаз выпрямителя, а также отношение сопротивления фазы выпрямителя к сопротивлению нагрузки .

(1.10)

Именно через этот параметр можно найти все токи, напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и элементах фильтра, введя ещё ряд коэффициентов - функционалов В(А), D(A), F(A), Н(А).

Эти коэффициенты обычно заданы в виде графиков для различных значений угла .

Учет индуктивности рассеяния трансформатора выпрямителя средней мощности при емкостной нагрузке. Из теории трансформатора известно, что возбужденное током i в обмотке (например - во вторичной) потокосцепление магнитного рассеяния наводит в этой обмотке ЭДС рассеяния . В маломощных выпрямителях токи в обмотках малы (≤ 0, 3...0, 5 А), а значит - малы и э.д.с. рассеяния.

Суммируясь с напряжениями на обмотке (например, ). они существенно не изменяют эти напряжения. По этой причине индуктивности рассеяния трансформатора в таких выпрямителях обычно не учитываются.

Иначе обстоит дело в выпрямителях средней мощности (при токах более1А и напряжениях более 600 В).

Здесь токи создают значительные потоки рассеяния и индуктируемые ими ЭДС уже заметно влияют на величины напряжений, подводимых к блоку вентилей, поэтому индуктивность рассеяния трансформатора , приведенная ко вторичной обмотке, при расчёте выпрямителя средней мощности должна быть обязательно учтена.

Расчётная электрическая модель фазы выпрямителя с учетом индуктивности рассеяния приведена на рисунке 1.8, б.

В данной модели выпрямителя учитывается влияние в каждой фазе реактивного сопротивления рассеяния (для основной гармоники пульсаций тока в вентиле , имеющей ту же частоту, что и частота сети).

Учет этого явления осуществляется также с помощью коэффициентов В, D, F, Н, но не только в функции параметра А, но и в функции угла сдвига фаз ф между основной гармоникой тока в вентиле и напряжением на участке “а - в” (рисунок 1.8, б).

. (1.11)

Кривые В (А, φ ); D (А, φ ); F (А, φ ); H (А, φ ) приведены в Приложении (рисунки П1; П2)

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: