Робота однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора на активно – індуктивне навантаження

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут енергетики та систем керування

 

Конспект лекції

”Некеровані однофазні випрямлячі

та згладжувальні фільтри” з дисципліни «Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

 

Львів 2011

Загальні відомості

   Випрямлячами називають електронні пристрої для перетворення змінної напруги джерела живлення у постійну. Вони широко застосовуються в силових перетворювальних пристроях ( в схемах живлення електроприводів постійного струму, електролізних ванн, кіл збудження синхронних генераторів, компенсаторів та двигунів, в лініях пересилання постійного струму, на залізничному транспорті тощо), в різноманітних пристроях автоматики.

   Випрямлячі складаються з трансформаторів, які змінюють напругу джерела живлення до необхідного значення, вентильного блоку, який перетворює змінну напругу в пульсуючу, згладжувального фільтру, який зменшує ( згладжує) пульсації випрямленої напруги відповідно до вимог споживача.

   Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

за типом вентилів, які використані у вентильному блоці: керовані (на базі тиристорів), некеровані (на базі напівпровідникових діодів);

за потужністю: малої потужності (до 1 кВт), середньої потужності (1,0 – 30 кВт), великої потужності (понад 30 кВт);

за кількістю фаз мережі живлення: однофазні та трифазні;

за кількістю фаз вторинної обмотки трансформатора та способом з’єднання вентильної групи: однофазні однопівперіодні; одно-, три-, шестифазні з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора (так звані нульові схеми випрямлячів); одно- та трифазні мостові випрямлячі; комбіновані тощо;

випрямлячі поділяють на однотактні та двотактні (однопівперіодні та двопівперіодні).

В однотактних випрямлячах струм у кожній фазі вторинної обмотки трансформатора протікає тільки один раз протягом цілого періоду змінної напруги живлення.

У двотактних же у кожній фазі вторинної обмотки трансформатора струм протікає двічі за один період і в різних напрямах. Кратність пульсацій випрямленої напруги в таких схемах у два рази більша від кількості фаз вторинної обмотки трансформатора. До однотактних схем належать схеми випрямлячів з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора (рис. 1.1). До двотактних належать мостові одно- ( рис. 1.5 ) та багатофазні схеми випрямлення.

 

 

Схема та принцип роботи однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

У схемі однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної   обмотки  трансформатора  (рис. 1.1) один вивід вторинної обмотки сполучений з анодом вентиля - діода VD1, а другий вивід – з анодом VD2. Катоди цих діодів сполучені між собою. Резистор навантаження R_d увімкнений між нульовою точкою 0 вторинних обмоток трансформатора і    катодами діодів. Напруги на виводах вторинної обмотки відносно нульової точки одинакові за значенням і зсунуті за фазою на 180^°. Саме тому  на

рис. 1.2часові діаграми напруг u_2-1 та  u_2-2 нарисовані у протифазі.

 

Рис. 1.1. Схема однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

Умовою провідності некерованого вентиля є додатне значення напруги на його аноді відносно катода. Тому вентилі VD1 і VD2 проводять струм почергово під впливом додатніх півхвиль напруг u_2-1 та  u_2-2 , які формують випрямлену напругу. Через вентилі протікають відповідно струми i_а1 та  i_а2 . Струми i_а1 та  i_а2 протікають через резистор навантаження R_d і формують випрямлений струм i_d  (рис. 1.2, б), який дорівнює їх сумі

i_d = i_а1 +  i_а2 .                                                 (1.1)                                                      

    На резисторі навантаження R_d утворюється спад напруги u_d= i_d R_d. Струм i_d (рис. 1.2, б) та напруга u_d (рис. 1.2, а) однополярні пульсуючі. У них можна виділити середні значення I_d та  U_d і змінну складову, яка коливається відносно середнього значення. Період повторення функції u_d =f(J) дорівнює половині періоду напруги u_2-1 і у градусній мірі становить 180º, а в радіанній мірі – число π. На проміжку 0≤J ≤ π крива u_d описується рівнянням

u_d = J, де U₂ =U_2-1=U_2-2 діюче значення напруги u_2-1.

Середнє значення випрямленої напруги визначається з виразу

                                                             (1.2)                 

 

 

 

Рис. 1.2. Часові діаграми струмів та напруг однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

 

Середнє значення випрямленого струму становить I_d = U_d/ R_d.

Оскільки діоди проводять струм почергово, то середнє значення струму одного вентиля I_а1 =  I_а2 =  I_d/2.

Розглянемо, як формується зворотна напруга на вентилі, наприклад, VD1. Нагадаємо, що зворотна напруга - це різниця потенціалів між анодом та катодом вентиля, який знаходиться в непровідному стані. Діод VD1 знаходиться в непровідному стані на проміжку π ≤ J ≤2π. Потенціал анода діода VD1 завжди формується напругою u_2-1, а потенціал його катода на цьому проміжку через відкритий діод VD2 - напругою u_2-2. Отже, зворотна напруга вентиля  VD1 на проміжку π ≤ J ≤2π провідності діода VD2  визначається різницею напруг u_2-1 - u_2-2 , а максимальне значення зворотної напруги U _{а1 макс} =    (рис. 1.2, д). Амплітуда зворотної напруги U _{а1 макс}  для даної схеми випрямлення у два рази більша, ніж амплітуда напруги живлення чи випрямленої напруги, оскільки випрямлена напруга формується почергово під впливом тільки одної з напруг частин вторинної обмотоки трансформатора. Зауважимо, що в навчальних підручниках зворотну напругу вентиля часто позначають U_в.

Струми y кожній з частин вторинної обмотки трансформатора однонаправлені, оскільки визначаються відповідно струмами діодів VD1 та VD2 (див. рис. 1.2, в). Струм первинної обмотки трансформатора i₁ зв’язаний з струмами кожної з частин вторинної обмотки трансформатора коефіцієнтом трансформації n=U₂/U₁ і має додатний та від’ємний півперіоди (рис.1.2, г).

Для розрахунку силового трансформатора необхідно знати діючі значення струмів І₁ та І₂=І_2-1=І_2-2, які протікають через його обмотки. Оскільки струм у частинах вторинної обмотки визначається струмом відповідного діода (і_2-1=і_а1 або і_2-2=і_а2), розрахунок діючого значення струму І₂ виконують за аналітичним виразом кривої і_а1 або і_а2 з врахуванням відомого виразу для знаходження діючого значення струму:

.                                     (1.3)

Струм і₁ в первинній обмотці трансформатора має синусоїдну форму і на кожному півперіоді його можна визначити за струмом однієї з частин вторинної обмотки з врахуванням коефіцієнта трансформації n. Струм І₁ знайдемо, визначивши спершу амплітуду струму І_{2 макс} частини вторинної обмотки трансформатора

                  І_{2 макс} =                                           (1.4)

Звідси

                   І₁=                                          (1.5)

   Розрахункові потужності обмоток трансформатора S₁  та S₂  визначають як добутки діючих значень струмів і напруг обмоток, а повну потужність трансформатора - як середнє арифметичне цих потужностей

                    S₁= U₁I₁=1,23 P_d ,                                                     (1.6)

                    S₂=2 U₂I₂=1,74 P_d ,                                                   (1.7)

                     S_т=( S₁+ S₂)/2=1,48 P_d.                                         (1.8)

   Отже, під час роботи досліджуваного випрямляча на чисто активне навантаження потужність трансформатора схеми повинна бути у 1,48 раза більшою від потужності кола постійного струму.

 

Робота однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора на активно – індуктивне навантаження

 

Процеси в схемі розглянемо за допомогою часових діаграм струмів та

напруг (рис. 1.3). Режим провідного стану діодів визначається напругами  u_2-1  та u_2-2  вторинної обмотки трансформатора. Діод VD1 є у провідному стані на проміжку 0-π , 2π-3π… під час додатної півхвилі напруги u_2-1 ,а діодVD2– на проміжку  π-2π, 3π-4π… під час додатної півхвилі напруги u_2-2 . Відповідно крива напруги u_d   між катодами вентилів і нульовою точкою трансформатора (рис. 1.3, а) має такий же вигляд, що і за чисто активного навантаження. 

    Відмінність роботи схеми полягає в тому, що завдяки впливу індуктивності струм навантаження i_d  (рис. 1.3, б) згладжений і має менші пульсації. Він не спадає до нуля під час нульових значень напруги u_d. Оскільки змінний струм в колі з індуктивністю відстає за фазою від напруги, максимуми струму i_d наступають із запізненням в часі відносно максимумів напруги u_d.

   Форма кривих струму i_d та напруги u_dн на резисторі R_d одинакова . Якщо активний опір дроселя L_d прийняти рівним нулю, то середнє значення напруги навантаження U_dн буде дорівнювати середньому значенню напруги U_d на виході випрямляча та визначатися за формулою (1.2).

   Зміна кривої струму i_d призводить до зміни форми кривих струмів

і_2-1=і_а1 , і_2-2=і_а2 та і₁. Оскільки черговість провідного стану діодів відбувається під час зміни полярності напруг u_2-1 таu_2-2 в моменти часу 0, π, 2π, 3π, 4π… , струм вентиля і_а1  (рис. 1.3, б) буде визначатися струмом i_d на проміжках 0 - π, 2π - 3π… провідності діода VD1, а струм і_а2 струмом i_d  на проміжках π-2π , 3π - 4 π … провідності діода VD2. Форма кривих струмів наближається до прямокутної. Середнє значення струму вентиля I_а= I_d/2.

   Відповідно до зміни анодних струмів і_а1 та і_а2 (струмів частин вторинної обмотки трансформатора рис. 1.3, в) змінюється струм первинної обмотки і₁ (рис. 1.3, г). Його крива наближається до двополярної кривої прямокутної форми з амплітудою I_d/n.

   Відмінності від прямокутної форми будуть менш помітні із збільшенням індутивності L_d. На рис. 1.4 наведені часові діаграми струмів та напруг досліджуваного випрямляча для граничного випадку L_d → ∞. Струми частин вторинної обмотки і_2-1=і_а1 , і_2-2=і_а2 (рис. 1.4, в) та первинний струм  і₁ (рис. 1.4, г) трансформатора набувають прямокутної форми. Їхні діючі значення визначаються з виразів

 

 

Рис. 1.3. Часові діаграми срумів і напруг схеми однофазного випрямляча з виводом нульової точки за умови активно-індуктивного навантаження

 

                                                                 (1.9)

                                                          (1.10)

   За активно-індуктивного навантаження значення потужностей для вибору трансформатора обчислюють за такими співвідношеннями:

                    S₁= U₁I₁=1,11 P_d ,                                    (1.11)

                    S₂=2 U₂I₂=1,57 P_d ,                                  (1.12)

                     S_т=( S₁+ S₂)/2=1,34 P_d.                             (1.13)

У режимі активно-індуктивного навантаження для забезпечення потужності P_d  в колі постійного струму потрібна менша потужність трансформатора порівняно з режимом чисто активного навантаження.

   Крива зворотної напруги діода для режиму активно – індуктивного навантаження (рис. 1.3, д, рис.1.4, д), як і для чисто – активного навантаження (рис. 1.2, д), визначається сумарною напругою двох частин вторинної обмотки трансформатора, в зв’язку з чим тут також U _{а1 макс} = U_в=  .

 

Рис. 1.4. Часові діаграми срумів і напруг схеми однофазного випрямляча з виводом   нульової  точки  для активно – індуктивного  навантаження за  умови L_d → ∞

 

---

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1964; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!