Простейшие сглаживающие фильтры

Индуктивныйфильтр содержит только один элемент- дроссель с известной индуктивностью L (рис. 2.2. а), включенный последовательно к нагрузке. Действие индуктивности заключается в том, что кривая тока на выходе выпрямителя сглаживается, что приводит к уменьшению переменной составляющей напряжения на активном сопротивлении нагрузки. При использовании индуктивного фильтра повысить коэффициент сглаживания можно при условии, когда индуктивное сопротивление цепи значительно превышает ее активное сопротивление:

X_L =ω L>>R

где ω – частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

Индуктивный фильтр обеспечивает малые потери мощности и малое изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки. Данные фильтры используют в мощных выпрямителях, так как они обеспечивают лучшее сглаживание пульсаций при небольших сопротивлениях нагрузки.

а б

Рис. 2.2. Простейшие сглаживающие фильтры

Емкостнойфильтр представляет собой конденсатор С (рис.14.б), подключенный параллельно к нагрузке. Емкостное сопротивление должно быть значительно меньше активного сопротивления для лучшего сглаживания пульсаций:

X_с =1/ ω C << R

При выполнении этих условий конденсатор заряжается через вентиль до амплитудного значения напряжения на входе фильтра в момент времени, когда напряжение на входе фильтра превышает напряжение на конденсаторе, а в остальное время конденсатор разряжается на нагрузку.

Г-образный индуктивно-емкостной фильтр. Данный тип фильтра (рис.15) широко распространен на практике, так как позволяют получать значительно большие коэффициенты сглаживания пульсаций, при выполнении условий:

X_С <<R << Х_L

 

 

K_ВХ K_ВЫХ

 

 

Рис.2.3. Г-образный индуктивно-емкостной фильтр

 

Выбор конкретных величин емкости и индуктивности производят с учетом габаритных размеров, массы, стоимости фильтра, и допустимых бросков тока при включении.

Увеличивать коэффициент сглаживания фильтров возможно различными комбинациями рассмотренных выше примеров построения сглаживающих фильтров.

Принцип стабилизации и основные определения.

Рис. 2.4. Принцип стабилизации

 

Для питания электронной аппаратуры недостаточно выпрямить и сгладить напряжение. Необходимо еще, чтобы оно оставалось стабильным при изменении переменного напряжения и тока, потребляемого нагрузкой. Наиболее часто используются компенсационные стабилизаторы последовательного типа. Они поддерживают напряжение U_вых практически постоянным за счет изменения напряжения на регулирующем элементе U_рэ. Информация об изменениях U_вых через делитель поступает на усилитель, который сравнивает поступившее напряжение с опорным U_оп.

Выходной сигнал усилителя управляет регулирующим элементом так, что при даже незначительном увеличении (уменьшении) U_вых падение напряжения U_рэ уменьшается (увеличивается) и U_вых практически не меняется.

Рис. 2.5. Работа стабилизатора

Параметрические стабилизаторы

При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к U_СТ применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне (рис.2.6.(а)). Вольтамперная характеристика (рис.2.6.(б) кремниевого стабилитрона имеет участок min, на котором при изменениях тока от I_min до I_max напряжение остается практически постоянным.

Рис. 2.6. Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона

 

Чтобы ток через стабилитрон не превысил I_max, включается резистор R_б. При изменении тока нагрузки или напряжения изменяется, толькоU_б, а U_cт=U_m остается постоянным.

При необходимости увеличить U_СТ стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину U_СТ в параметрическом стабилизаторе невозможно. Оно определяется выбранным стабилитроном. Если такая стабилизация не удовлетворяет требованиям, то применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения.

Вопросы для самопроверки по теме 2.1

 

1. Какие существуют требования к блокам питания электронной аппаратуры?

2. Назовите особенности работы выпрямителя, оснащенного фильтром.

3. По каким признакам классифицируют стабилизаторы?

4. Приведите схему выпрямителя с умножением напряжения.

 

2.2. Преобразователи средней и большой мощности

Преобразователи на большие мощности выполняются на тиристорах.

Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Инверторы, ведомые сетью, осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока, то есть решают задачу, обратную выпрямлению.

Ведомые инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 2.7 приведена двухполупериодная схема с нулевым выводом трансформатора.

В качестве источника инвертируемой энергии применена машина постоянного тока М, работающая в режиме генератора. Индуктивность L_d осуществляет сглаживание входного тока инвертора, а реактивные сопротивления х _γ1 и х _γ2 учитывают индуктивности рассеяния обмоток трансформатора и индуктивность питающей сети. Укажем основные положения, отличающие режим инвертирования от режима выпрямления.

 

 

Рис. 2.7. Схема однофазного ведомого инвертора с нулевым выводом.

 

 

Рис. 2.8. Кривые напряжения и тока питающей сети, а также последовательность работы тиристоров в управляемом выпрямителе (а, б) и ведомом инверторе (в, г).

 

При выпрямлении источником энергии является сеть переменного тока, поэтому при α=0 кривая тока i ₁, потребляемого из сети, совпадает по фазе с напряжением питания u ₁. При L_d →∞ и х _γ1= х _γ2=0, форма тока i ₁ близка к прямоугольной (рис. 2.8. а). Тиристор VS1 открыт при положительной полярности напряжения U₂₁, а тиристор VS2 – при положительной полярности напряжения U₂₂. Машина постоянного тока работает в режиме двигателя с потреблением энергии от сети. К машине приложено напряжение U_d c полярностью, указанной на рис. 2.7 в скобках.

При работе схемы в режиме инвертирования машина постоянного тока является источником электрической энергии, а сеть переменного тока – её потребителем. При условии сохранения в схеме тех же направлений токов i _a1, i_{a 2} и i_d (что определяется наличием тиристоров), генераторному режиму работы машины будет отвечать полярность напряжения, указанная на рис. 2.7 без скобок. Изменение полярности подключения машины к цепи постоянного тока является одним из условий перевода данной схемы в режим инвертирования.

Показателем потребления энергии сетью служит фазовый сдвиг на 180° тока i ₁ относительно напряжения u ₁ (рис.2.8.в.) Это означает, что тиристоры схемы в режиме инвертирования должны находиться в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичной обмотки трансформатора: тиристор VS 2 при отрицательной полярности напряжения U ₂₂, а тиристор VS1 при отрицательной полярности напряжения U ₂₁. При таком режиме отпирание тиристоров осуществляется поочередным подключением вторичных обмоток трансформатора через дроссель L_d к источнику постоянного тока.

Благодаря чему достигается, во-первых, преобразование постоянного тока I_d в переменный ток i₁ и во-вторых, передача энергии в сеть. Указанному режиму отпирания тиристоров, при инвертировании, соответствует на рис.2.7.в значение угла управления α=π, отсчитываемого в направлении запаздывания относительно точки естественного отпирания вентилей (0, π, 2π ….).

Запирание ранее проводившего тиристора, при отпирании очередного тиристора в ведомом инверторе осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вторичной обмотки трансформатора (чем главным образом и обусловлено название инвертора “ведомый” или ”ведомый сетью”).

Очевидно к ранее проводившему тиристору, при открывании очередного тиристора будет приложено обратное напряжение (равное сумме напряжений двух вторичных обмоток, только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке, действует напряжение положительной полярности).

Иными словами, реальное значение угла a при работе инвертора, исходя из условий запирания тиристора должно быть меньше p на некоторый угол β, т.е. α=π-β. Если же очередной тиристор отпирать при a=p, то условие запирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, этот тиристор останется в открытом состоянии, создавая короткое замыкание цепи с последовательно включенной вторичной обмоткой трансформатора и источником постоянного тока. Такое явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Угол β, отсчитываемый влево от точки естественного отпирания π, 2π,…. называют углом опережения отпирания тиристоров. С углом задержки отпирания a он связан соотношением: β=π-α или α+β=π.

Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо:

1. Подключить источник постоянного тока с полярностью обратной режиму выпрямления.

2. Обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений, проводя их отпирание с углом опережения β.

Следует отметить, что рассмотренный способ перевода выпрямителя в режим инвертирования не является единственно возможным. Для него характерно сохранение прежнего направления i_d, и изменение полярности постоянного напряжения U_d. Если представить себе, что к зажимам источника постоянного тока подключен второй преобразователь, аналогичный первому, но с обратным направлением включения тиристора, то в такой системе можно перейти к режиму инвертирования при изменении направления i_d в генераторе и с прежней полярностью U_d. При этом, когда первый преобразователь работает в качестве выпрямителя, а машина в качестве двигателя, второй преобразователь может быть закрыт. При переводе машины в режим генератора, второй преобразователь начинает работать как инвертор с соответствующим углом b, а первый преобразователь запирается.

Оба указанных способа перевода из режима выпрямителя в режим инвертирования и обратно используют в реверсивных преобразователях.

Вопросы для самопроверки по теме 2.2

1. Назовите области применения преобразователей средней и большой мощности.

2. Какие виды сглаживающих фильтров используют в преобразователях?

3. Назовите внешние характеристики преобразователей?

4. Как влияют процессы коммутации на коэффициент мощности преобразователей?

5. Назовите причины появления перенапряжений на вентилях и способы их ограничения.