Параметры и схемы выпрямителей

Выпрямитель - статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии (сети) в постоянный. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 1).

Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

• средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср,
• частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),
• коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению,
• внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,
• к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф - мощность потреь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей - нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении.

В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам, к которым относятся:

• наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх - предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупернодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения),
• наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх - обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя,
• прямое падение напряжения Uпр - среднее значение прямого напряжения в однополупернодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе.
• обратный ток Iобр - значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения,
• максимальная мощность Рmах - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем.

Схемы выпрямления

Наиболее распространенные схемы выпрямления показаны на рисунках, где приняты следующие обозначения: mс - число фаз напряжения сети, m1 - число фаз напряжения на входе схемы выпрямления (на выходе трансформатора), m = fп / fc - коэффициент, равный отношению частоты пульсации выходного напряжения к частоте напряжения сети. В качестве вентилей везде изображены полупроводниковые диоды.

Самые распространенные схемы выпрямления и формы выходного напряжения при работе на активную нагрузку:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (mc=1, m1=1, m=1)

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (мостовая схема выпрямления mc=1, m1=1, m=2)

Однофазная схема выпрямления с выводом средней точки (mc=1, m1=2, m=2)

Трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали (mc=3, m1=3, m=3)

Трехфазная мостовая схема выпрямления (mc=3, m1=3, m=6)

Основные соотношения для схем выпрямления при работе на активную нагрузку Rн в предположении идеальности трансформатора и вентилей приведены в таблице:

10.11.2020 26. Практическое занятие №17 Исследование полупроводникового диода

http://ikit.edu.sfu-kras.ru/lab_p/pages/mm/5_1/MM_5_1.pdf

 

 

12.11.2020 27 Классификация и принцип работы фотоэлектронных приборов

12.11.2020 28 Практическое занятие №18 Расчет и составление схем мостовых выпрямителей переменного тока

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 18

Тема: Расчет параметров схемы выпрямления

Цель работы: научиться рассчитывать параметры схем выпрямления и подбирать необходимое количество диодов в плечо выпрямителя.

 

Краткие теоретические сведения

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменный электрический ток в постоянный. Выпрямители классифицируются по ряду признаков. По степени управляемости выпрямители подразделяются на управляемые и неуправляемые. По типу схем выпрямления выпрямители подразделяются на нулевые (с выделением нулевой точки в преобразовательном трансформаторе) и мостовые схемы. По числу фаз выпрямительные установки подразделяются на однофазные и трехфазные выпрямители. На тяговых подстанциях электрифицированных железных дорог постоянного тока, в метрополитене и на городском электрическом транспорте применяются трехфазные схемы выпрямления. В настоящее время применяются три типа схем выпрямления:

1. Нулевая шестипульсовая схема «звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором». Эта схема является устаревшей, имеет ряд недостатков, прежде всего усложненную конструкцию преобразовательного трансформатора, низкую экономическую эффективность, двукратное превышение по обратному напряжению на диодные группы в непроводящую часть периода. Применяется на тяговых подстанциях, построенных до 1970-х годов и не подвергавшихся капитальной реконструкции.

2. Мостовая шестипульсовая схема выпрямления. Данная схема является более эффективной, имеет более высокий коэффициент использования установочной мощности, упрощенную конструкцию преобразовательного трансформатора.

3. Мостовая двенадцатипульсовая схема выпрямления. Эта схема находит все более широкое применение на современном этапе развития электрифицированных железных дорог, так как позволяет значительно уменьшить количество диодов в выпрямительной установке, применять в качестве выпрямительных элементов как диоды, так и тиристоры (в состав схемы входит два выпрямительных моста). Упрощается конструкция фильтрустройства, так как из числа гармонических составляющих исключаются колебания, кратные 300 Гц. По экономической эффективности данная схема значительно лучше шестипульсовых.

В выпрямительных установках каждая группа диодов, работающая в едином режиме, называется плечом выпрямителя.

В непроводящий период обратное напряжение плеча выпрямителя больше импульсного обратного повторяющегося напряжения одного диода. В проводя- щий период ток плеча больше прямого предельного тока 1 диода. В этих случаях применяют последовательно-параллельное соединение диодов.

Параллельное включение.

Количество параллельно соединенных диодов определяется по формуле:

a=   (1.1.1)

где kнерI - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока, равный 1,2,

mф - число фаз;

I н - ток нагрузки;

I пред -предельный прямой ток диода.

Основное условие нормальной работы выпрямителя – равномерное деление тока между ветвями плеча выпрямителя, то есть одинаковые вольтамперные характеристики диодов.

Если диоды окажутся различно нагруженными, то в некоторых диодах ток окажется больше предельного прямого тока.

Для уменьшения разброса токов параллельно соединенных диодов на величину не более 10% применяют: подбор, последовательное подключение резисторов, включение индуктивных делителей.

Последовательное включение.

Количество последовательно соединенных диодов определяется по формуле:

s = k нер U * U обр max

     U повт,                                        (1.1.2)

 

где kнерU - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжения, равный 1,1;

                 Uобр max- наибольшее обратное напряжение плеча выпрямителя;

Uповт - обратное повторяющееся напряжение диода.

Основное для правильной работы последовательно соединенных диодов

– это равномерное распределение напряжения, то есть одинаковые вольтамперные характеристики.

Применяемые в выпрямительных установках диоды являются выпрямительными, и по конструкции подразделяются на штыревые и таблеточные.

Маркировка (буквенно-цифровое обозначение) силовых диодов [4]:

Исходные данные

Задание: рассчитать основные параметры заданной схемы выпрямления, сравнить величину максимального тока плеча и обратного напряжения плеча с параметрами заданного диода, определить количество последовательно и параллельно соединенных диодов в плечах выпрямителя, вычертить схему выпрямителя.

Исходные данные приведены в таблице 1.1.1.

Таблица 1.1.1 – Данные для расчета выпрямительной установки

 

№ вари- анта	Тип схемы выпрямления	Тип диода	Мощность потреби- теля Pd, кВт	Выпрямленное напряжение Ud, В
1	Мостовая шестипульсовая	Д212-2000-16	18000	4000
2	Нулевая шестипульсовая	Д141-100-16	6000	3300
3	Двенадцатипульсовая	Д161-250-18	8000	3800
4	Мостовая шестипульсовая	Д223-500-24	12000	3200
5	Нулевая шестипульсовая	Д143-800-10	9000	4000
6	Двенадцатипульсовая	Д243-1000-32	15000	3300
7	Мостовая шестипульсовая	Д253-1600-20	25000	3800
8	Нулевая шестипульсовая	Д253-2000-24	18000	3200
9	Двенадцатипульсовая	ДЛ173-4000-16	6000	4000
10	Мостовая шестипульсовая	ДЛ173-3200-32	8000	3300
11	Нулевая шестипульсовая	ДЛ153-1600-30	12000	3800
12	Двенадцатипульсовая	ДЛ133-1000-38	9000	3200
13	Мостовая шестипульсовая	ДЛ133-500-16	15000	4000
14	Нулевая шестипульсовая	ДЛ161-200-16	25000	3300
15	Двенадцатипульсовая	Д212-2000-16	18000	3800
16	Мостовая шестипульсовая	Д141-100-16	6000	3200
17	Нулевая шестипульсовая	Д161-250-18	8000	4000
18	Двенадцатипульсовая	Д223-500-24	12000	3300
19	Мостовая шестипульсовая	Д143-800-10	9000	3800
20	Нулевая шестипульсовая	Д243-1000-32	15000	3200
21	Двенадцатипульсовая	Д253-1600-20	25000	4000
22	Мостовая шестипульсовая	Д253-2000-24	18000	3300
23	Нулевая шестипульсовая	ДЛ173-4000-16	6000	3800
24	Двенадцатипульсовая	ДЛ173-3200-32	8000	3200
25	Мостовая шестипульсовая	ДЛ153-1600-30	12000	4000
26	Нулевая шестипульсовая	ДЛ133-1000-38	9000	3300
27	Двенадцатипульсовая	ДЛ133-500-16	15000	3800
28	Мостовая шестипульсовая	ДЛ161-200-16	25000	3200
29	Нулевая шестипульсовая	ДЛ133-1000-38	18000	4000
30	Двенадцатипульсовая	Д143-800-10	6000	3300

Порядок выполнения работы

 

1. Определить ток потребителя I_d.

Ток потребителя, кА, определяется по формуле:

I_d= P_d / U_a                                   (1.1.3)

2. Определить средний ток плеча I_a для заданной схемы выпрямления. Для нулевой шестипульсовой схемы выпрямления средний ток плеча выпрямителя, А:

I _a = I d   *1000.                                      (1.1.4)

       6

Для мостовой шестипульсовой и двенадцатипульсовой схем выпрям- ления средний ток плеча выпрямителя, А:

I _a = I d   *1000.                                        (1.1.5)

       3

3. Определить по классу диода предельное повторяющееся импульсное обратное напряжение U_RRM, В:

U_RRM = класс диода х 100.

4. Определить напряжение в непроводящую часть периода U_обр для заданной схемы выпрямления.

Для нулевой шестипульсовой схемы выпрямления обратное напряжение плеча выпрямителя в непроводящую часть периода, В:

U_обр = 2,09 U_d                                           (1.1.6)

Для мостовой шестипульсовой схемы выпрямления обратное напряжение плеча выпрямителя в непроводящую часть периода, В:

U_обр = 1,045 U_d                                         (1.1.7)

Для мостовой двенадцатипульсовой схемы выпрямления обратное напряжение плеча выпрямителя в непроводящую часть периода, В:

U_обр = 0,52 U_d.                                          (1.1.8)

5. Рассчитанные параметры свести в таблицу 1.1.2.

Таблица 1.1.2. – Расчетные параметры для определения количества диодов в плече выпрямителя

Cредний ток плеча Ia, А	Cредний прямой ток диода IFAV, А	Напряжение в непроводящую часть периода U обр, В	Предельное повторяющееся импульсное обратное напряжение URRM, В

6. Определить количество параллельных ветвей в плече выпрямителя по

формуле (1.1.1), приняв I н = I_a; Iпред= = I_FAV ; m_ф  = 1.

7. Определить количество последовательно соединенных диодов в плече

выпрямителя по формуле (1.1.2), приняв U_{обр max}= U_обр;   U_повт=   U_RRM.

8. Вычертить схему выпрямления с учетом количества параллельно и последовательно соединенных диодов в каждом плече выпрямителя. При определении схемы воспользоваться конспектом или дополнительной литературой

 

Контрольные вопросы.

1. Поясните различия в конструкции мостовых и нулевых схем выпрямления.

2. Укажите, у какой из применяемых схем выпрямления трехфазного тока наиболее простая конструкция трансформатора.

3. Укажите, у какой из применяемых схем выпрямления трехфазного тока наиболее простая конструкция выпрямительной установки.

4. Поясните, каким образом из двух шестипульсовых схем выпрямления можно получить двенадцатипульсовую схему выпрямления.

5. Укажите, у какой из применяемых схем выпрямления трехфазного тока наиболее высокое использование установочной мощности.

 

12.11.2020 29 Классификация и принцип работы электронных усилителей

Электронным усилителем называют устройство, обеспечивающее увеличение мощности электрических сигналов, поступающих на его вход.

Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование происходит с помощью активных элементов, которые управляются входными сигналами.

Входной сигнал подается через электрическую цепь, которая называется входной или входом усилителя.

Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходной цепью. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка.

Нагрузкой может служить резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора, откл. пластины ЭЛТ.

Нагрузка, по которой протекает постоянная составляющая выходного тока, называется нагрузкой по постоянному току.

Сопротивление цепи, по которой протекает переменная составляющая выходного тока, образует нагрузку по переменному току.

Для разделения нагрузок по переменному и постоянном току применяются разделительные конденсаторы и тр-ры.

Простейший усилитель содержит один активный элемент с присоединенным к нему пассивными элементами.

Рис. 1.

Классификация усилителей.

       Классификация усилителей может быть проведена по нескольким признакам.

1. Характеру усиливаемых сигналов:

гармонических сигналов, импульсных, усилители постоянного тока;

2. По ряду усилительных элементов:

транзисторные, ламповые, диодные;

3. По роду усиливаемой величины:

усилители I,U,P.

4. По числу каскадов:

одно и многокаскадные;

5. По диапазону частот электрических сигналов, в пределах которых усилитель может удовлетворительно работать.

6. По виду связей усилителя с источниками входного сигнала и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях:

реостатно-емкостные;

трансформаторные;

с гальваническими связями.

1. Усилители низкой частоты (УНЧ):

предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от единиц Гц до 10 кГц.

Характерной особенностью УНЧ является отношение        усиливаемых частот, составляющее от 10 до 10 тысяч.

2. Усилители постоянного тока (УПТ):

Усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие сигналы в диапазоне частот от  до высшей рабочей частоты , составляющей нередко десятки и сотни килогерц.

3. Избирательные (или селективные) усилители, усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот.

Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней (обычно  ).

Они используются как на низких так и на высоких частотах и используются в качестве частотных избирательных фильтров.

   4.Широкополосные или импульсные усилители. Применяются для усиления сигналов в широкой полосе частот (от нескольких килогерц и ниже) до нескольких мегагерц и выше).