2233

Н.Ф. Коцарев

ИСТОЧНИКИ

ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ

УСТРОЙСТВ

Учебно-методическое пособие

Омск 2008

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Н.Ф. Коцарев

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ УСТРОЙСТВ

Учебно-методическое пособие

Омск Издательство СибАДИ

2008

УДК 621.382.2/3 ББК 31.264.53

К 75

Рецензенты:

доц. А.А. Соловьев (ОмГАУ); канд. техн. наук А.А. Сидоренко (НГАВТ)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебно-методического пособия по электронике для студентов 1 3 курсов всех специальностей.

Коцарев Н.Ф.

К 75 ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ УСТРОЙСТВ: Учебно-методическое пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. 49 с.

ISBN 978 5 93204 423 0

В учебно-методическом пособии рассмотрены основные типы выпрямительных устройств, описаны физические процессы, происходящие при преобразовании электрической энергии, приведены графоаналитические методы расчета выпрямленного напряжения при использовании неуправляемых и управляемых выпрямителей, рассмотрены различные способы борьбы с пульсациями.

Ил. 49. Библиогр.: 3 назв.

Введение

Для получения электрической энергии нужного вида часто приходится преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямление) и, наоборот, энергию постоянного тока в энергию переменного тока (инвертирование). Выпрямление осуществляется с помощью устройств, называемых выпрямителями, а инвертирование произво-

дится инверторами.

Согласно ГОСТ 23413-75 выпрямители и инверторы являются источниками вторичного электропитания. Источник вторичного электропитания (ИВЭ) представляет собой средство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы или отдельные цепи комплекса электронной аппаратуры и электромашинных систем. Выпрямители бывают неуправляемые и управляемые. Неуправляемые выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное неизменного значения. С помощью управляемых производится не только выпрямление, но и управление величиной выпрямленного напряжения.

В зависимости от рода первичного источника питания (сети переменного тока) выпрямители могут быть однофазными и многофазными (обычно трёхфазными).В зависимости от формы выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют на одно- и двухполупериодные.

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко используют три типа выпрямителей: однополупериодный и два типа двухполупериодных. В однополупериодном выпрямителе используется один электрический вентиль (диод). Для получения выпрямленного напряжения нужной величины используется трансформатор (рис. 1).

Будем считать, что трансформатор и диод идеальны, что позволит упростить анализ работы выпрямителя. В первый (положительный) полупе-

риод, т.е. в интервале времени от 0 доT , диод открыт и под воздействием

2

напряжения через нагрузку протекает ток (рис. 2, б).

В интервале времени от T до Т (отрицательный полупериод) диод за-

2

крыт, ток в цепи равен 0 , а к диоду приложено напряжение отрицательной полуволны Uобр (рис. 2, в).

3

Среднее значение выпрямленного напряжения такого выпрямителя равно

Рис. 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Ток в вентиле является током вторичной обмотки трансформатора.

Среднее значение этого тока Iн.ср Uн.ср =0,45U2 . Тогда действующее зна-

Rн R

чение этого тока

Мощность трансформатора Р=2,22 Uн.ср 1,57Iн.ср = 3,5 Р н.ср. КПД выпрямителя низкий. Коэффициент пульсации Р есть отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению. Разложив вторичное напряжение в ряд Фурье, найдём

Р = 1,57. 2

Рассмотренный выпрямитель является простым устройством и применяется там, где коэффициент пульсации не играет большой роли (высокоомные нагрузочные устройства, допускающие большую пульсацию). Мощность таких выпрямителей не превышает 10 15 Вт. Основным элементом выпрямителя является диод. Поэтому параметры диода должны соответствовать требованиям потребителей электроэнергии.

4

Для надёжной работы диодов необходимо, чтобы номинальные параметры работы были меньше предельно допустимых примерно на 30 %.

Если обратное напряжение превышает допустимое значение, то необходимо собрать последовательную цепь из диодов. Обратное напряжение будет распределяться между диодами пропорционально их обратным сопротивлениям. Поскольку эти сопротивления у однотипных диодов имеют значительный разброс, то и напряжение между ними распределится неравномерно.

Для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы Rш (рис. 3). Обычно Rш = (0,1 – 0,2) Rобр.

Рис. 3. Выравнивание величины обратных напряжений на последовательно включенных диодах шунтирующими сопротивлениями

Ввиду низкого КПД и больших пульсаций выпрямленного напряжения (тока) однополупериодные выпрямители имеют ограниченное применение. Более совершенен выпрямитель двухполупериодный. Разумеется, он более сложен и требует больших материальных затрат при его создании. Однако его качества окупают эти затраты. Эти выпрямители бывают двух типов: с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора и мостовые. Рассмотрим оба типа этих выпрямителей.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки трансформатора

Трансформатор выпрямителя с выводом средней точки (рис. 4) имеет две вторичные обмотки, соединенные последовательно согласно, т. е. напряжение между точками а и б равно сумме напряжений на этих обмотках:

Uаб=U2.1 + U2.2 ,

где U2.1, U2.2 – действующие значения напряжений на вторичных обмотках трансформатора. За положительное направление напряжений вторичных обмоток условимся считать направление от нулевой точки к концам обмо-

6

ток. Тогда положительному направлению напряжения на первой обмотке соответствует отрицательное направление напряжения на второй обмотке, и наоборот. К нагрузке подводятся две полуволны напряжений (рис. 5, б), причем относительно нагрузки эти напряжения имеют одинаковое направление.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке

Величина среднего значения тока определяется из выражения

Максимальное обратное напряжение равно двум амплитудам вторичного напряжения:

U обр=22U2 .

а

0

б

Рис. 4. Однофазный двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки

Ток в нагрузке распределяется между двумя диодами равномерно, поэтому ток вентиля равен половине тока нагрузки.

Iв= Iн .

2

Расчет коэффициента пульсации дает значение Р=0,67.

7

а

б

Рис. 5. Временные диаграммы напряжений однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой:

авходных (на обмотках трансформатора);

бвыпрямленных (на нагрузке) и обратных

Из вышеприведенных расчетов видно, что напряжение и ток на выходе выпрямителя увеличились в 2 раза, возрос КПД, уменьшился коэффициент пульсации, что, конечно же, оправдывает увеличенные затраты на создание этого выпрямителя. К отрицательным показателям следует отнести увеличение обратного напряжения на диоде.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Этого недостатка лишен однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель (рис. 6). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка, к другой нагрузочный резистор. Каждая пара диодов Д1,Д3 и Д2, Д4 работает поочередно. При положительном направлении тока от точки а к точке б ток течет по цепи а Д1 Rн Д3 б. По нагрузке ток течет слева направо.

8

При отрицательном направлении (от б к а) ток течет по цепи б Д4 Rн Д2 а. В обоих случаях ток протекает по нагрузке в одном и том же направлении.

а

б

Рис. 6. Однофазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель

Изменение напряжения на нагрузке и тока в ней демонстрируют их временные развертки (рис. 7, а, б). Средние значения выпрямленных токов и напряжений такие же, как и в выпрямителе с нулевой точкой.

нее значение прямого тока диода в 2 раза меньше среднего значения тока нагрузки.

Iпр.ср = 0,5 Iн.ср ,

а действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Из временных диаграмм видно, что максимальное обратное напряжение на диодах равно амплитуде вторичного напряжения трансформатора:

Uобр. max = U2 max = 1,57 Uн.ср .

Максимальный ток диода

Iпр Um U2m Uн.ср 1,57Iн.ср .

Rн Rн 2Rн

9