книги / Неуправляемые и управляемые преобразователи
..pdf1ВРЖЖИЙ П О Щ Щ й Ч£СК:£ и н с т и т у т
Кафедра автоматики и телемеханики
И.И.БОБРОВ
Утверждены кв заседании кафедры
II декабря 1971 г.
НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ И УПРАВЛЯЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Курс лекций по промышленной электронике
и программированное пособие по его изучению
Редакционно-издательский отдел ППИ
Пермь.1973
Предлагаемый курс лекций по промэлектровике предназначен для студентов специальности "Электропривод и автоматизация про изводственных процессов", а также других электротехнических специальностей с соответствующий объемом куроа.
Программированный куро состоит из двух частей. Первая часть - лекции по разделу "Неуправляемые и управляемые преобразователи Материал разбит на чаоти ("дозы") в соответствии с требованиями программированного обучения. Однако каждая "доза" имеет логи чески законченное смысловое содержание.
Вторая часть - программеревенное пособие, являющееся про граммой для самоконтроля, предназначена,в первую очередь, в помощь для самостоятельного немашинного изучения.
К каждому разделу даны краткие методические указания по изучению, затем к каждой "дозе" раздела приведены кон трольные вопросы и задачи. При составлении вопросов и задач учтены часто повторяющиеся ошибки и упущения студентов-эаочников
Рекомендуется следующий порядок работы над материалом. Прежде воего нужно тщательно изучить материал "дозы", указанной
впоообии, или нескольких "доз" , относящихся к одному разделу,
азатем самостоятельно ответить на вопросы или решить задачи. Полученные ответы можно сверить с приведенными в конце книги. При неверном ответе нужно вновь проработать материал "дозы" и вновь самостоятельно ответить на вопросы и решить задачи.Пооде получения правильных ответов можно переходить к изучению следую щей "дозы".
Следует учесть, что программированный курс не содержит ни каких процедур принудительного характера (типа равгетвленных программ и т.д.) и предназначается в помощь »яляпсим добросо вестно изучить указанные разделы. В частности, студенты-заоч ники часто жалуются,, что от них "ускальзывает” основное содер жание раздела даже при неоднократной проработке. Вот в этих случаях программированный куро должен оказать аффективную но—
мбць.
Все замечания и соображения по курсу, в частности по объему и содержанию "доз', по объему м содержанию вопросов в задач , будут о благодарностью приняты кафедрой автоматики и телеме ханики П Ш .
НЗУПРАВЛЯЕЛЕ |
ВЫПРЯМИТЕЛИ |
|
Г л а в а |
I |
|
^ |
L L |
Назначение и классификация выпрямителей |
Выпрямителями называют устройства для преобразования пе |
||
ременного |
тока |
(не содержащего постоянной составляющей) в |
пульсирующий ток одного направления с постоянной составляющей. Такое преобразование называют выпрямлением. Выпрямление элек трического тока производится при помощи электронных и ионных вентилей, обладающих односторонней проводимостью (в редких слу чаях используются механические выпрямители).
К выпрямительному устройству (рис.1.1), кроме вентильного звена В, относят также выпрямительный трансформатор Тр и
0 |
— |
|
1 |
|
К |
||
a)I |
; |
-г |
|
т |
|||
и |
Ц |
р |
I и, |
|
|
|
i |
|
U S A » |
tnHHL |
|
|
|
-ЧЭ |
2 |
|
и ь |
1U |
m |
со |
<P |
* |
|
|
Q. |
||
|
|
|
£ |
РИС.1.Д |
|
|
|
сглаживающий фильтр |
Ф • Трансформатор |
Тр |
изменяет |
величину |
|||||||
напряжения |
питающей |
сети |
Uf |
до |
величины |
1Л2 |
на |
входе вен |
|||
тильного звена ( величина |
И2 |
определяется |
при |
расчете выпря |
|||||||
мителя), а также разделяет цепи |
переменного |
и постоянного |
|||||||||
тока. Бели |
изменение |
напряжения |
Ui |
и разделение цепей не |
|||||||
требуется, |
трансформатор |
ТР |
может |
отсутствовать. Вентильное |
|||||||
звено |
В |
преобразует переменное |
напряжение |
t±2 |
в выпрямлен |
||||||
ное |
U ^ и является |
необходимым.. |
Фильтр |
00 |
улучшает |
форму |
|||||
выпрямленного пульсирующего напряжения, приближая его к посто янному (сглаживая). Бели нагрузка не требует сглаживания,фильтр может отсутствовать. Кроме указанных элементов в выпрямитель могут включаться устройства для стабилизации выпрямленного напряжения и др.
Выпрямители получили очень широкое распространение. Это
объясняется тем, что для работы большого числа потребителей требуется энергия постоянного тока. Такими потребителями, например, являются электронные устройства, двигатели постоян ного тока (от микродвигателей до тяговых двигателей электро возов), установки электролиза цветных металлов и др. Выпрям ление используется также при передаче электрической энергии постоянным током на большие расстояния, при частотном регули ровании окорости электродвигателей и т.д.
Источником энергии, как правило, является промышленная сеть переменного тока. Поэтому,в основном,указанные потреби тели питаются от сети переменного тока через выпрямитель. Лишь в редких случаях используют автономные источники постоянного тока (генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи).
Классификация выпрямителей. Разнообразие потребителей, получающих питание от выпрямителей, обусловило и большое число разновидностей выпрямителей.
По величине выпрямленной мощности различают выпрямители маломощные (до 100 вт), средней мощности (от 100 до 2000 вт) и большой мощности (более 2000 вт).
По величине выпрямленного напряжения выпрямители делят на низковольтные (до 100 в), среднего напряжения (до 1000 в) и высоковольтные (выше 1000 в). По устройству выпрямители могут быть однофазными или многофазными, однотактными или двухтакт ными (мостовыми).
По виду нагрузки различают выпрямители с активной,емкост ной, или индуктивной нагрузкой. Все указанные выпрямители отли чаются или охемой, или режимом работы. Ниже будут рассмотрены наиболее распространенные типы простых выпрямителей и нагрузок (подробная классификация и анализ выпрямителей имеется в спе
циальной литературе по выпрямителям, например |
в работе |
[ 1] ) . |
Условные обозначения. Для упрощения чтения |
текста |
и улуч |
шения понимания его целесообразно ввести единые обозначения для всех рассматриваема выпрямителей.
Это, в частности: |
|
|
Ufm i h y ? f » |
I fm |
- напряжение ч ток в первичной |
обмотке трансформатора |
; |
|
|
|
^2 » У гт |
> |
|
Чг |
» /г » |
|
|
|
- напряжение |
и ток |
ео |
|||||||||
вторичной |
обмотке трансформаторе |
; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
« а |
> и а |
* |
ü a m |
> |
Са ’ |
Ja m |
’ J a d |
' 1 а |
~ напряжение |
и ток |
в |
||||||||||
вентиле в проводящем направлении ; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
а о Б |
' иобт ' |
1 о 8 ' |
*0 6 ' |
1 о6т |
|
|
- |
напряжение |
и ток |
в |
|||||||||||
вентиле |
в обратном |
(непроводящем) направлении |
; |
|
|
|
|
||||||||||||||
и в |
> иб |
’ |
^ |
|
'V |
|
|
’ |
Тет > * вы |
- |
напряжение |
и ток |
на |
||||||||
выходе выпрямителя |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
. 3*. |
|
» u„d |
lH * 4 |
> *мт |
■ |
- |
«априэниа и ток |
в |
||||||||||||
нагрузке. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u g = а н |
, |
Са - i H. |
||||||
|
|
Ясли |
сглаживающего фильтра |
нет, |
то |
||||||||||||||||
Обозначения образованы*по следующему общему правилу: |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
мгновенные, действующие и амплитудные значения обозначают |
|||||||||||||||||||
ся так, |
как это принято в электротехнике; |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
первый |
индеко |
означает участок цепи ( / - первичная обмотка, |
|||||||||||||||||
2 |
- |
вторичная |
обмотка, |
а |
- вентиль |
в прямом |
направлении, |
5 - |
|||||||||||||
- выход выпрямителя, |
н |
- |
нагрузка ); |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
второй индекс уточняет обозначаемую величину {т - ампли |
|||||||||||||||||||
тудное значение, |
d |
- |
среднее |
значение). |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
Например, |
1а с^ означает ореднее |
значение |
тока |
через |
вентиль |
||||||||||||||
в прямом направлении. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
При рассмотрении выпрямителей используют также такие вели |
|||||||||||||||||||
чины, |
как фазность - |
т 2 (число фаэ вторичной |
обмотки |
трансфор |
|||||||||||||||||
матора); |
тактнооть |
- т Т (число импульсов тока в Фазе вторичной |
|||||||||||||||||||
обмотки |
за |
один период напряжения питающей оети); |
число |
пульса |
|||||||||||||||||
ций |
- rvn |
(количество |
импульоов |
тока |
в нагрузке эа |
один |
период |
||||||||||||||
напряжения |
питающей оети. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Легко |
видеть, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m n = m 2 - m< |
|
( Ы ) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
S 1.2. Проотойжмй выпрямитель |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п р и активной нагрузке |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Схема и ее |
работа |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Схема простейаего выпрямителя, называемого однополупериод- |
|||||||||||||||||||
ным, |
приведена |
на |
рис. 1.2,а . |
В соответствии |
с введенными |
обозна |
|||||||||||||||
чениями - это однофавный однотактный выпрямитель, |
т.е. тг = I, |
||||||||||||||||||||
т Т = I, |
|
тп » |
I. В приведенной охеме отсутствует оглаживающий |
||||||||||||||||||
фильтр, поэтому u.s = aH , ig |
= iH и i дальнейшем изложении будут |
использоваться величины и н |
и i H . Такие выпрямители применяют |
только при малых токах нагрузки. В выпрямителях малой и средней модности в настоящее время используют, как правило, полупровод никовые вентили (диоды). Поэтому в дальнейшем всюду будут рас
сматриваться выпрямители с полупроводниковая вентиля ми. Для упрощения расчетов обычно считают трансформа тор и вентиль идеальная, т.е. принимают, что
|
|
|
|
* , ж г* |
в ° ' |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(1.2) |
|
|
и а=°< |
1о6 = |
° - |
|
|
|||
|
Работает |
схема |
при введенных |
|||||
|
упрощениях (1.2 ) следующим |
|||||||
|
образом. На |
первичную |
обмот |
|||||
|
ку |
IV, |
|
выпрямительного |
||||
|
трансформатора |
Тр |
подается |
|||||
|
синусоидальное |
напряжение |
||||||
|
питающей |
сети |
|
|
|
|||
|
|
|
Щ = и1т c o s |
0 , |
||||
|
где |
0 |
a |
<üt |
, а |
со |
- угло |
|
|
вая чаотота в питающей сети. |
|||||||
|
Во |
вторичной |
обмотке |
\А^ |
||||
|
наводится синусоидальная |
|||||||
|
з.д.с. |
е2- |
Для |
идеального |
||||
|
трансформатора |
з.д.с. |
С2 |
|||||
|
равна |
напряжению на зажимах |
||||||
|
обмотки |
112 |
, которое |
пода |
||||
|
ется на вентильное звено £ |
|||||||
|
(в дальнейием будет исполь- |
|||||||
|
эоватьоя |
только |
|
и2 ): |
||||
|
<Г- |
(1.3) |
|
|
|
|
||
{ 0 |
- то же, что и для Uf ). Для иллюстрации |
на |
рис.1.2 |
|||||
приедены временные диаграммы напряжений и токов |
в |
разных |
уча |
|||||||
стках о*емы. |
|
|
ПГ |
|
|
|
_ |
|
||
|
В положительный, подунериод |
^ J |
|
^ |
f t |
) |
||||
|
и 3 ( - -j— |
|
—у |
|||||||
вентиль |
в |
смещен в проводящем |
направлении и все |
напряжение |
||||||
U3 |
приложено к нагрузке |
RH |
( Ua « |
, поэтому |
прини |
|||||
мается |
и а =0 )% |
|
Л |
Л |
|
|
|
|
||
|
|
|
и н - и ,2, |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
- - т ‘“ г * т |
|
|
|
|
|||
и в нагрузке протекает ток |
U,mcos(Г |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
U, |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
LH =I £ = — I T |
----- 4 |
г |
|
|
(!•*) |
|
|
|
|
|
м |
~ |
|
|
|
|
|
|
Ток |
нагрузки |
i H протекает |
последовательно через |
и/^ |
и вентиль |
|||||
(имеется только одна последовательная цень), поэтому в этой |
|
|||||||||
схеме |
|
^ н ' 1а вСг |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
(1.5) |
|
||||
Длительность протекания тока через вентиль называют двойным ^
углом |
отсечки - |
2 6 . Для |
рассматриваемой схемы |
26=Л и &= - у ■ |
|||
Для других схем |
угол |
в |
будет |
иным. |
^ |
^ |
|
В |
отрицательный |
полупериод |
и 2 ( |
4 |
-j-Jf) вентиль |
||
Всмещен в обратном (непроводящем) направлении. При этом ток
в нагрузке равен нулю и все |
напряжение и г |
приложено к вентилю |
|
в обратном направлении ( |
|
= I g « i H , поэтому и принято |
|
i gg = 0). Таким образом |
при |
отрицательном |
и 2 вентиль разры |
вает цепь и ток в нагрузке не протекает. В нагрузке протекают только положительные полуоинусоиды тока, т.е. пульсирующий ток одного направления. И ток нагрузки i H% и напряжение и н
(рис.1.2 ,г,£) оодержат постоянные составляющие IH d, UH d , которые как раз и нужны для итания нагрузки £н . Величины I Md , UHcd бывают заданы ( они определяются нагрузкой). Выпрямитель должен
обеспечить получение |
заданных |
при питании от сети с |
известным напряжением |
Uf . Для этого элементы выпрямителя |
|
нужно выбрать соответствующим образом. В частности, должны быть
выбраны вентиль |
в и трансформатор Тр . Для расчета выпрямите |
|
ля необходимо знать соотношения между постоянными |
UHd , I Hd |
|
и токами и напряжениями.в вентиле ( для выбора вентиля) и в |
||
трансформаторе (для выбора трансформатора). Кроме |
постоянных |
|
UHd , I Hd } в |
нагрузке имеетоя и переменная составляющая. |
|
Допустимая величина переменной составляющей в нагрузке опреде ляется видом нагрузки ( т.е. толе задается заранее), и выпрями тель, кроне IHd , ÜHc{ , должен обеспечить и соответствующую величину переменной составляющей. Указанные соотношения будут различными для разных типов выпрямителей и разных видов нагру зок, но находятся они по общему правилу.
Правило нахождения выпрямленных величин
Кривая выпрямленного напряжения однолодупериодного выпря мителя приведена на рис.1.3. Она является периодической функ
цией UH((J ) с периодом |
н , равным для данного |
выпрямителя |
||||
2П. Для других выпрямителей |
период L H будет иным. Из курса |
|||||
|
высшей математики |
известно, |
||||
|
что такую кривую |
|
U-H( $ ) можно |
|||
|
разложить |
в ряд |
Оурье: |
|
||
|
|
|
|
|
COS *<+ |
|
|
+UHm2 c o s 2 <l,+ |
-- у |
(1.6) |
|||
|
в котором |
постоянная составля |
||||
|
ющая |
UHd |
и амплитуды первой |
|||
|
U „m i |
♦ ” °Р°Й |
и н т г |
* |
||
гармоник являются коэффициентами ряда и находятся по известным
формулам: |
|
|
|
в |
е |
|
|
|
|
а* шт |
(Ь7) |
и»™ = |
7 Г |
Я C O b H id f. |
Н J |
||||
И _ д |
|
|
-в |
|
|
|
|
||
При таком выборе начала координат, как на рис.1.3, в разложении (1.6) отсутствуют члены, содержащие оинуоы. При анализе выпря
мителей находят только амплитуду первой гармоники
в
(1-8>
м
так К8К амплитуды высших гармоник значительно лучше оглажива ются фильтром, кроме того они много меньше амплитуды первой
гармоники.
В формулах (1*6) ■ (1.8) переменная |
df определяется угло |
|||
вой чаототой с*>1 |
первой гармоники в выпрямленном напряжении : |
|||
|
|
^-cùjL =(ùmn t= -m n â |
|
(1.9) |
Величина cûf |
обусловлена частотой питающей'сети й> |
и числом |
||
пульсаций |
/77„ : |
й>{ =тпо . |
|
|
----- |
Л |
|
|
|
По формулам |
(1.7), Ц . 8 ), (1.9) находятся |
величины |
о * |
|
для любых выпрямителей. Однако надо иметь в виду, что для каж
дого выпрямителя |
в , LH |
и |
будут разными, |
но они |
легко |
|
определяются |
по кривой выходного напряжения а н |
( * ) ’ |
|
|||
Составляющие |
выпрямленного токе могут быть найдены таким |
|||||
же путем. Но |
после того, |
как определены составляющие |
выпрям |
|||
ленного напряжения, тони находятся значительно проще из соотно шения
Расчетные |
соотнонения для выпрямленного |
|
|||||||||||
|
|
|
напряжения |
|
|
|
|
|
|||||
Постоянная составляющая |
U S!i |
и коэффициент фазной э.д.с. |
|||||||||||
Из формулы (1.7) |
при |
в= |
-§~ |
, |
|
L U=2X, |
f c f |
можно найти |
|||||
|
|
|
|
|
/Г- |
|
“ |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
= — |
— |
|
[ Ц |
|
c o s |
(I d ef = |
2m |
|
(I.IO ) |
|||
я * fb=< |
23L2Ж J. |
2m |
|
|
' |
% |
|
|
|||||
|
|
|
'TÉ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При расчете выпрямителя используют коэффициент фазной |
э.д.с., |
||||||||||||
представляющий отноиеняе |
|
|
|
|
^ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
в = -г г -- |
|
|
|
|
(1.П) |
|||||
|
UHd |
|
|
|
|
HCL |
|
|
|
|
|
||
Поставив значение |
из |
формулы (1.10), можно |
найти |
для |
|||||||||
однополупериодного выпрямителя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
, |
|
U£ |
|
|
% u z |
|
% |
|
|
|
|
||
B \ ^ |
= ~1Q |
t |
( Т |
и г |
~ .{2 |
* 2' 2 2 |
|
|
|||||
(При синусоидальном напряжении |
|
U2m |
* 1 2 U2 |
) . |
Иногда выпря- |
||||||||
кители характеризуются коэффициентом выпрямления по напряжению А, •
|
ц * _ |
1_ |
(I.I2) |
|
4 - |
« |
в |
||
|
||||
Для реальных схем UHd |
меньше |
за счет падения напряжения в |
||
активном сопротивлении трансформатора и в вентилях.Следова
тельно, у реальных выпрямителей |
В |
больше, |
а |
Аи меньше. |
|||
Амплитуда |
первой гармоники |
и коэффициент пульсаций. |
|||||
Из формулы (1.8) при LH- 2%, |
|
Л |
|
|
следует, что |
||
|
e = j - ’ |
|
|||||
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
2 |
т |
( J - c o s |
JcL ô = |
игт |
(I.I3) |
|
Ч т /v' |
2Х |
c o s |
£ |
||||
X |
|
|
|
|
|
||
|
|
"Г |
|
|
|
|
|
При интегрировании выражения (I.I3) нужно использовать фор мулу разложения c o s 2 сГ.
Выпрямитель характеризуют коэффициентом пульсации по первой
гармонике |
АП1 |
(коэффициенты |
пульсаций по высшим |
гармоникам |
||||
значительно меньше |
). |
_ |
|
|
|
|
||
|
|
|
L |
oMd |
|
|
(I.») |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Постелив в (I.I4) значения |
UHd и |
UMm1 |
из формул (1.10) и |
|||||
(I.I3) для |
однополупериодиого |
выпрямителя, можно |
найти |
|||||
|
|
i |
I |
|
|
|
|
(I.I5) |
|
|
" h - i |
V |
|
г |
|
Uo5 m - По~ |
|
Максимальное обратное |
напряжение на |
вентиле |
||||||
скольку при отрицательном |
и г |
(непроводящее направление) |
||||||
все напряжение |
и 2 |
приложено |
к вентилю в обратном направлении |
|||||
Iа оЗ s LL t |
|
), ТО |
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uo6 m = Ü2m |
|
|
|||
При расчете выпрямителя используют отношение |
|
|||||||
|
|
|
Q - |
Uo5m |
, |
|
(I.I6) |
|
|
|
|
|
U H d |
|
|
|
|
называя его иногда коэффициентом обратного напряжения. Из формул (1.10 ) и (I.I6) оледует, что