Лекция 5. Выпрямители и инверторы. 2 часа.

ЛЕКЦИЯ 5. ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИНВЕРТОРЫ. 2 часа.

Выпрямители переменного тока

 

Постоянный и переменный ток

Постоянный ток

Постоянный ток – это ток, который течет в одном направлении. Т.е. постоянный ток может изменять свою величину, но не знак.

Типичный источник постоянного тока – гальванический элемент. Проще говоря, батарейка или аккумулятор. Один из древнейших артефактов, связанных с электричеством – багдадская батарейка, которой 2000 лет. Предполагают, что она давала ток напряжением 2-4 Вольта. Современную батарейку изобрёл в конце XVIII века итальянский физик Александр Вольта.

Где используется постоянный ток:

· в питании большинства бытовых приборов;

· в батарейках и аккумуляторах для автономного питания приборов;

· для питания электроники автомобилей;

· на кораблях и подводных лодках;

· в общественном транспорте (троллейбусах, трамваях).

Проще всего представить постоянный ток наглядно, на графике. Вот как он выглядит:

Постоянный ток

Бытовые приборы работают на постоянном токе, но в розетки сети в квартире приходит переменный ток. Практически везде постоянный ток получается путем выпрямления переменного. Дать т очное определение постоянному току достаточно сложно. Определения:

Постоянный ток - ток, не меняющий направления, т.е. это однонаправленный ток.

Постоянный ток - это однонаправленный ток, имеющий стабильные параметры во времени (например, среднее значение на протяжении большого, по сравнению с длительностью флуктуаций и пульсаций).

Важно понять существенные отличия постоянного тока от таких видов тока, как переменный или произвольно меняющийся (см. рисунок).

Переменный ток

Переменный ток – это ток, который меняет величину и направление. Причем меняет в равные промежутки времени.

Переменный ток используется в промышленности и электроснабжении. Именно его получают на станциях и отправляют к потребителям. Уже на месте преобразование переменного электрического тока в постоянный происходит с помощью инверторов.

Переменный ток — alternating current (AC). Постоянный ток — direct current (DC). Аббревиатуру AC/DC можно увидеть на трансформаторных будках, где происходит преобразование.

 

Рис. 1. Виды токов

 

 

Переменный ток

Переменный ток течет в цепи в двух направлениях: туда и обратно. Одно из них считается положительным, а второе — отрицательным. Как правило, переменный ток имеет синусоидальную форму, (с таким током вы познакомились в курсе «Основы электротехники»)

Война токов

Напомню, что источник переменного тока, (электромеханический генератор) был изобретён в 1827 году неизвестным изобретателем, а его описание стало известно научному миру благодаря публикации великого Майкла Фарадея. Активное же использование постоянного тока началось только в конце 19 века. К этому времени Томас Эдисон основал первые в Нью-Йорке электростанции, которые производили постоянный ток напряжением 110 Вольт.

Использование постоянного тока было связано с существенными потерями при его передаче на большие расстояния. Переменный ток нельзя было использовать из-за того, что не было соответствующих счетчиков и моторов, работавших на переменном токе. Так же был затруднен процесс преобразования постоянного тока в переменный. При этом переменный ток можно было практически без потерь передавать на большие расстояния, т.к. с помощью трансформаторов переменное напряжение можно увеличивать до десятков и сотен тысяч вольт, что при одной и той же передаваемой мощности позволяет многократно снизить величин\у тока, а, значит, и потери энергии в проводах ЛЭП.

На границе XIX и XX века Итальянский изобретатель Гильермо Феррарис, и практически одновременно с ним сербский американец Никола Тесла изобрели двухфазный двигатель переменного тока, а русский учёный Доливо - Добровольский - трёхфазное напряжение, что обеспечило переменному току победу в т. н. войне токов. Эдисон и многие инженеры называли ток аморальным, т.к. он использовался для казней с помощью электрического стула. Она длилась более ста лет и закончилась в 2007 году. Только тогда Нью-Йорк полностью перешел на электроснабжение переменным током.

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае — в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

На рисунке 1 поясняется принцип действия выпрямителя, преобразующего переменное напряжение (АС) в пульсирующее постоянное (DC). При этом преобразовании из одной гармоники переменного входного напряжения выпрямителем порождается целый спектр гармоник с кратными входной частотами. Это явление вызвано нелинейным характером преобразования, выполняемого выпрямителем. Наличие спектра частот говорит о возможности отфильтровывания всех гармоник кроме нулевой с помощью фильтра (который называется сглаживающим) и получения таким образом идеального постоянного напряжения.

 

Рис. 1 Схема работы выпрямителя

 

Классификация

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

По мощности

силовые выпрямители;

выпрямители сигналов;

По схеме выпрямления

мостовые

с умножением напряжения, трансформаторные,

 с гальванической развязкой,

бестрансформаторные и пр.;

по количеству используемых фа з

однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

Применение

Силовые установки (в составе электроприводов)

Сюда относятся выпрямительные установки для:

железнодорожной тяги

городского электротранспорта

электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др., электрохимическое осаждение металлов)

питания приводов прокатных станов

возбуждения генераторов электростанций

В настоящее время это преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители.

Блоки питания аппаратуры

Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в том числе так называемые адаптеры (англ. AC-DC adaptor)).

Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств.

Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Сварочные аппараты

В ряде случаев, с использованием специальных сварочных электродов, электрическая дуговая сварка переменным током вообще невозможна.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

Установки очистки и обессоливания воды

Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро)

Для несинхронной связи энергосистем переменного тока

Для дальней передачи электроэнергии постоянным током.

Схемы выпрямителей.

Преобразование переменного тока в постоянный может быть реализовано двумя способами, представленными на рисунках 1 и 2.

Рис.1. Однополупериодное выпрямление

 

Рис. 2. Двухполупериодное выпрямление

 

При т.н. однополупериодном выпрямлении на выход устройства передаётся только одна полуволна напряжения. А вторая, «отрицательная» как бы срезается. При двухполупериодном выпрямлении на выход передаётся напряжение в оба полупериода, причём, во втором полупериоде напряжение меняет знак. Очевидно, что во втором случае действующее значение выпрямленного напряжения удваивается. Для реализации разных вариантов выпрямительных устройств созданы различные схемы выпрямителей на основе полупроводниковых диодов.

 

Рис.. Схема мостового выпрямителя

Сглаживающие фильтры.

Сгла́живающий фильтр — устройство для снижения (сглаживания) пульсаций выходного напряжения после выпрямления переменного тока.

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) — там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. Пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть, для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Такой фильтр действует как фильтр нижних частот, обрезая высшие гармоники.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами и фазами. При этом первая гармоника имеет амплитуду, во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Действие фильтра поясняется рисунком. Здесь ΔU амплитуда пульсаций, величина готорой зависит от параметров схемы фильтра.

 

Ри..К пояснению процесса сглаживания

 

LC-фильтр

Наиболее широко используют Г-образный индуктивно-ёмкостной фильтр.(рисунок). Для сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты спектра пульсации было много меньше сопротивления нагрузки, а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

 

Рис. LC - фильтр

При проектировании фильтра необходимо также обеспечить такое соотношение реактивных сопротивлений дросселя и конденсатора, при которых не мог бы возникнуть резонанс на частоте пульсаций выпрямленного напряжения и частоте изменения тока нагрузки.

На практике используют также следующие типы фильтров Т - образный LC -фильтр, П-образный LС-фильтр и Т и П-образный RС-фильтр.

На рисунке приведены схемы с сложных LC -фильтров

 

 

Рис..Т-образный и П -образный LC-фильтры.

 

Фильтры с тремя и более звеньями на практике применяются редко. В общем случае коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания q = q₁q₂q₃…

 

 

Сглаживающие индуктивно-емкостные фильтры достаточно просты и эффективны в выпрямительных устройствах средней и большой мощностей. Однако масса и габариты таких фильтров весьма значительны, коэффициент сглаживания снижается с ростом тока нагрузки, фильтры малоэффективны при появлении медленных изменений сетевого напряжения. Индуктивные элементы фильтра являются источниками магнитных полей рассеяния, а совместно с паразитными емкостными элементами создают колебательные контуры, способствующие появлению переходных процессов.

Г и П-образные RC-фильтры обычно применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. Схемы таких фильтров аналогичны схемам LC -фильтров, в которых вместо индуктивности стоят резисторы. На практике применяют и другие, более сложные фильтры. Рассмотрим внешние характеристики выпрямителей с фильтрами. Внешняя характеристика— это зависимость среднего значения выходного напряжения (напряжения на нагрузке) от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). При увеличении выходного тока выходное напряжение уменьшается из-за увеличения падения напряжения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра. Рассмотрим типичные внешние характеристики (рис.), которые получают, изменяя сопротивление нагрузки, подключенное к выходу фильтра.

 

 

Рис..Внешние характеристики сглаживающих RC - фильтров

 

Наклон внешней характеристики при том или ином токе 1ср характеризуют выходным сопротивлением Rвыx. Как следует из рисунка. выпрямитель с RC-фильтром характеризуется повышенным выходным сопротивлением. Здесь отрицательную роль играет резистор фильтра.

Преимущества резистивно-емкостных фильтров: малые габариты, масса и стоимость; недостаток – низкий КПД.

 

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямители, позволяющие регулировать величину выпрямленного напряжения в заданных пределах, называются управляемыми. Регулировать величину выпрямленного напряжения можно двумя принципиально различными способами:

1. Изменять каким-либо способом величину подводимого к вы­прямителю напряжения (например, с помощью автотрансформатора, ступенчато регулируемых трансформаторов, дросселей насыщения и др.).

2. Использовать в выпрямителях свойства управляемых вентилей (с полной или частичной управляемостью).

Наибольшее распространение в технике получили управляемые выпрямители, относящиеся ко второй группе. Их рассмотрению и будет посвящен данный раздел.

 

Инверторы напряжения и тока

Инвертором называется устройство для преобразования постоянного тока в переменный с постоянными или регулируемыми значениями выходного напряжения и частоты. Если инвертор работает на нагрузку, не имеющую другого источника питания, он называется автономным. Автономные инверторы (АИ) применяются для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников постоянного тока, для электропривода с частотным регулированием, в системах прямого преобразования энергии, например от топливных элементов, МГД-генераторов и т. п.

Основные требования к АИ: максимальный КПД преобразования, минимальные массогабаритные показатели и стоимость, возможность регулирования U_н и I_вых в достаточно широких пределах, обеспечение заданной формы выходного напряжения, отсутствие срывов работы при перегрузке и на холостом ходу и т. п.

В качестве переключательных элементов в автономных инверторах нашли применение транзисторы, обычные и двухоперационные тиристоры. Первые используются в устройствах относительно небольшой мощности, последние наиболее удобны в АИ напряжения и в регулируемых инверторах. Обычные тиристоры иногда приходится применять в совокупности со схемами принудительной коммутации.

Все АИ могут быть подразделены на ряд видов. По схеме преобразования АИ различаются по количеству фаз, схеме питания и некоторым другим параметрам,

наиболее существенно деление автономных инверторов на два типа - автономные инверторы напряжения (АИН) и АИ тока (АНТ) в зависимости от характера источника питания и его связи с АИ (кроме того, существуют и резонансные АИ, но применяются они редко).

Автономный инвертор тока.

 

АИТ (рис.) получает питание от источника питания через достаточно большую индуктивность, поэтому потребляемый инвертором ток практически не меняется. При поочередном переключении пар тиристоров (не запираемых) в нагрузке формируются прямоугольные импульсы тока, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая, как правило, бывает активно-емкостная. По способу подключения конденсатора к нагрузке так АИТ получили название параллельных.

Как видно из рис. 3, при очередном переключении пар тиристоров (например, работали VD1 и VD4, а включаются схемой управления VD2 и VD3) через нагрузку ток меняется скачком, а за счет перезаряда конденсатора С в течение некоторого интервала времени ранее работавшие тиристоры оказываются под обратным напряжением и, естественно, запираются. Необходимо, чтобы этот интервал был больше времени выключения тиристора. Чем больше постоянная времени ,тем медленнее меняется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма - к треугольной. Внешняя характеристика АИТ - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода невозможен.

 

Рис.. Автономный инвертор тока (а) и диаграмма его работы (б)

 

Примеры применения и внешний вид автономных инверторов

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор может выступать лишь промежуточным звеном, где его функция — преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). Благо, на сегодняшний день решить такую задачу можно легко, ведь для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные).

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

В системах с «зелеными» источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветряки) для подачи электроэнергии напрямую в общую сеть, применяют Grid-tie – инверторы, способные работать синхронно с промышленной сетью(рисунок).

В процессе работы инвертора напряжения, источник постоянного напряжения периодически подключается к цепи нагрузки с чередованием полярности, при этом частота подключений и их продолжительность формируется управляющим сигналом, который поступает от контроллера.

Контроллер в инверторе обычно выполняет несколько функций: регулировка выходного напряжения, синхронизация работы полупроводниковых ключей, защита схемы от перегрузки.

 

Рис..Использование инвертора в системе электропитания на солнечных батареях.

 

На рисунке приведена схема использования инвертора для обеспечения беспеебойного питания электроэнергией коттеджа (дачного дома).

Рис. Использование инвертера для бесперебойного питания дома.

 

На рисунках и приведены варианты конструктивного исполнения инверторов различного назначения.

 

 

 

Рис.. Сварочный инвертор напряжения

 

 

Рис.. Автомобильнывй инвертор

 

ЛЕКЦИЯ 5. ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИНВЕРТОРЫ. 2 часа.