ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.04.2024
Просмотров: 45
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
, (12.5)
где Iс—действующее значение несинусоидального тока, поступающего из сети; Iсп - действующее значение его n-й гармоники.
Коэффициент мощности выпрямителя x —это отношение активной мощности к полной, и в соответствии с формулами (12.3) и (12.4) он может быть выражен следующим соотношением:
. (12.6)
Степень несинусоидальности тока в данном случае характеризуется коэффициентом искаженияV, определяемым как отношение действующего значения первой (основной) гармоники тока к действующему значению всего тока. С учетом этого коэффициента формула (12.6) принимает вид
X = vcosφ1. (12.7)
Для несинусоидального режима помимо активной мощности Р и реактивной мощности Q вводится понятие мощности искажения Т, определяемой как
Т=
. (12.8)
Мощность искажения Т характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения. Для рассматриваемого случая форма кривой напряжения питающей сети — синусоидальная, а тока—прямоугольная, поэтому мощность Т отлична от нуля.
Из рис.12.2 видно, что для идеализированной схемы однофазного выпрямителя (при ωLd = ∞ и угле коммутации γ = 0) ток iс1 отстает от напряжения ис на угол φ1 равный углу α. Поэтому коэффициент мощности можно выразить как
X = vcosα. (12.9)
34. Простейшие сглаживающие фильтры
Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.
Сглаживающий фильтр - это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.
Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания
(фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1):
Рис.1. Процесс фильтрации
Качество сглаживающих свойств фильтров (коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:
где S - коэффициент сглаживания,
Kп.вх - коэффициент пульсации на входе,
Kп.вых - коэффициент пульсации на выходе.
Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U12<11, U02 приблизительно равно U01.
Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).
Фильтры можно классифицировать следующим образом:
1. По частотному составу различают:
а) низкочастотные
б) высокочастотные
2. По принципу действия:
а) пассивные
б) активные
3. По степени сложности:
а) простые (однозвенные)
б) сложные (многозвенные или резонансные);
4. По конструктивному исполнению:
а) LC-фильтры
б) RC-фильтры.
При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:
- минимальная стоимость;
- минимальная масса;
- минимальные габариты;
Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.
Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.
Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.
Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.
Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:
Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра
На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4:
Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки Rн
При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):
Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром
Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) - короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке.
Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.
Инвертирование — эго преобразование электроэнергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «шуегею» — переворачивание, перестановка. В силовой электронике этот термин был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При инвертировании поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Преобразователь, работающий в этом режиме, называется инвертором, ведомым сетью, так как коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его иногда называют зависимым инвертором.
При подаче на тиристор импульса управления в момент времени 9 = 9,, определяемый углом управления а, тиристор включается. В результате этого из сети в батарею АБ поступает ток /'?. Благодаря сглаживающему реактору Бс1 ток будет плавно изменяться во времени: увеличиваться, пока иаЬ > иА, и уменьшаться при ил> иа1,- В момент времени 93, соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 5.30, б, ток /?становится равным нулю, а тиристор УБвыключается. Протекание через тиристор тока на интервале от 9, до 93, когда 11 А > иаЬ,обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток направлен навстречу ЭДС ЕАБ).
Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить полярность батареи.
Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети еаЬнаправлена навстречу току /?. На рис. 5.30, в приведены диаграммы напряжения и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент времени 9, на тиристор УБ подать импульс управления, то тиристор включится, так как к нему приложено положительное прямое напряжение. Прямое напряжение на тиристоре существует вплоть до момента времени 9
2. Начиная с этого момента напряжение ыаЬ по абсолютному значению больше ЭДС ЕАБ. Под воздействием разности напряжений 11 ЛБ - иаЬ в цепи протекает ток /?, противоположный по знаку напряжению сети иаЬ.Наличие в схеме сглаживающего реактора Бс1 ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать в тиристоре после того, как напряжение иаЬ по абсолютному значению будет больше напряжения 11Аи станет равным нулю в момент времени 93.
36-38. Однофазный инвертор
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.
Полный мост:
Принцип регулирования фазного напряжения.
Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт
, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.
. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.
Недостатки:[9]
Преимущества:
Искажение формы напряжения в питающей сети происходит из-за того, что в течение полупериода сопротивление нагрузки меняется (резко падает при открытии вентилей), в результате чего возрастает ток и увеличивается падение напряжения на сопротивлениях источника и сети. Форма напряжения становится несинусоидальной, что особенно неблагоприятно для асинхронных двигателей.
Диаграммы входного напряжения и входного тока регулятора (первая диаграмма) и выходного напряжения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку. Для регуляторов переменного напряжения значимы два вида регулировочных характеристик в зависимости от характера нагрузки. При работе на активную нагрузку показательной является зависимость действующего значения выходного напряжения регулятора от угла регулирования 
.
Графики рассчитанных регулировочных характеристик, причем СР(1) построена для двух крайних сочетаний параметров нагрузки - без RH (индуктивная нагрузка) и без LH (чисто активная нагрузка).
Входной коэффициент сдвига и коэффициент мощности. Второй важной характеристикой регулятора напряжения является его входная энергетическая характеристика - зависимость входного коэффициента мощности от степени регулирования выходного напряжения. Так как входной коэффициент мощности равен произведению коэффициента сдвига на коэффициент искажения входного тока, то удобно найти отдельные зависимости для указанных сомножителей.
где Iс—действующее значение несинусоидального тока, поступающего из сети; Iсп - действующее значение его n-й гармоники.
Коэффициент мощности выпрямителя x —это отношение активной мощности к полной, и в соответствии с формулами (12.3) и (12.4) он может быть выражен следующим соотношением:
. (12.6)Степень несинусоидальности тока в данном случае характеризуется коэффициентом искаженияV, определяемым как отношение действующего значения первой (основной) гармоники тока к действующему значению всего тока. С учетом этого коэффициента формула (12.6) принимает вид
X = vcosφ1. (12.7)
Для несинусоидального режима помимо активной мощности Р и реактивной мощности Q вводится понятие мощности искажения Т, определяемой как
Т=
. (12.8)Мощность искажения Т характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения. Для рассматриваемого случая форма кривой напряжения питающей сети — синусоидальная, а тока—прямоугольная, поэтому мощность Т отлична от нуля.
Из рис.12.2 видно, что для идеализированной схемы однофазного выпрямителя (при ωLd = ∞ и угле коммутации γ = 0) ток iс1 отстает от напряжения ис на угол φ1 равный углу α. Поэтому коэффициент мощности можно выразить как
X = vcosα. (12.9)
34. Простейшие сглаживающие фильтры
Переменный ток идеально выпрямить нельзя, поэтому на выходе любого выпрямителя присутствуют пульсации с частотой 50 Гц или 100 Гц. Пульсации вредно отражаются на работе питаемого устройства, и поэтому их уровень необходимо снижать. Эту задачу и выполняют сглаживающие фильтры.
Сглаживающий фильтр - это устройство, позволяющее уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую.
Основным из параметров сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания
(фильтрации), который определяется отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе (рис.1):
Рис.1. Процесс фильтрации
Качество сглаживающих свойств фильтров (коэффициент сглаживания) можно оценить по следующей формуле:
где S - коэффициент сглаживания,
Kп.вх - коэффициент пульсации на входе,
Kп.вых - коэффициент пульсации на выходе.
Для удовлетворения фильтрующих свойств необходимо выполнение условий: U12<11, U02 приблизительно равно U01.
Коэффициент сглаживания учитывает подавление пульсаций и передачу постоянной составляющей U. Для устройств, беспрепятственно передающих постоянную составляющую, коэффициент сглаживания – это деление пульсаций между нагрузкой и фильтром (при этом считается, что Uвх приблизительно равно Uн).
Фильтры можно классифицировать следующим образом:
1. По частотному составу различают:
а) низкочастотные
б) высокочастотные
2. По принципу действия:
а) пассивные
б) активные
3. По степени сложности:
а) простые (однозвенные)
б) сложные (многозвенные или резонансные);
4. По конструктивному исполнению:
а) LC-фильтры
б) RC-фильтры.
При проектировании фильтров как и при проектировании других электронных систем и устройств используются общесистемные критерии оптимальности:
- минимальная стоимость;
- минимальная масса;
- минимальные габариты;
Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.
Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр). Или можно включить дроссель, но уже последовательно с сопротивлением нагрузки (индуктивный фильтр). При этом, дроссель можно заменить на волновое сопротивление.
Комбинация этих элементов дает еще больший эффект сглаживания. Варианты построения различных типов фильтров приведены на рисунке 2.
Рис.2. Сложные (многозвенные) фильтры.
Рассмотрим работу устройства на примере емкостного фильтра. Как же происходит сглаживание пульсаций? Давайте посмотрим на форму выходного напряжения, например, однополупериодного выпрямителя без фильтра, показанную на рисунке 3:
Рис.3. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя без фильтра
На рисунке Uср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Как видим, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное – на диаграмме присутствуют большие пульсации. Теперь подсоединим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано на рисунке 4:
Рис.4. Подсоединение фильтра Сф относительно нагрузки Rн
При подключении осциллографа параллельно нагрузке выпрямителя получим следующую диаграмму работы выпрямителя с С-фильтром (рис. 5):
Рис.5. Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром
Рассмотрим полученную диаграму выходного напряжения выпрямителя. Красным цветом показана работа конденсатора в качестве сглаживающего фильтра (пилообразное напряжение). Итак, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться (в момент прихода полуволны) - короткий отрезок пилообразного напряжения на рисунке.
Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок «пилы». При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Таким образом, уровень пульсаций будет намного меньше, а Uср - выше. В данной схеме размах амплитуды пилообразного напряжения (а это тоже пульсации), напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.
1 2 3 4 5 6
35. Инверторы, ведомые сетью
Инвертирование — эго преобразование электроэнергии постоянного тока в энергию переменного тока. Термин «инвертор» происходит от латинского слова «шуегею» — переворачивание, перестановка. В силовой электронике этот термин был введен для обозначения процесса, обратного выпрямлению. При инвертировании поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Преобразователь, работающий в этом режиме, называется инвертором, ведомым сетью, так как коммутация его вентилей осуществляется под действием переменного напряжения внешней сети. Поскольку электрические параметры преобразователя в этом случае полностью определяются параметрами внешней сети переменного тока, его иногда называют зависимым инвертором.
При подаче на тиристор импульса управления в момент времени 9 = 9,, определяемый углом управления а, тиристор включается. В результате этого из сети в батарею АБ поступает ток /'?. Благодаря сглаживающему реактору Бс1 ток будет плавно изменяться во времени: увеличиваться, пока иаЬ > иА, и уменьшаться при ил> иа1,- В момент времени 93, соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 5.30, б, ток /?становится равным нулю, а тиристор УБвыключается. Протекание через тиристор тока на интервале от 9, до 93, когда 11 А > иаЬ,обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток направлен навстречу ЭДС ЕАБ).
Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить полярность батареи.
Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети еаЬнаправлена навстречу току /?. На рис. 5.30, в приведены диаграммы напряжения и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент времени 9, на тиристор УБ подать импульс управления, то тиристор включится, так как к нему приложено положительное прямое напряжение. Прямое напряжение на тиристоре существует вплоть до момента времени 9
2. Начиная с этого момента напряжение ыаЬ по абсолютному значению больше ЭДС ЕАБ. Под воздействием разности напряжений 11 ЛБ - иаЬ в цепи протекает ток /?, противоположный по знаку напряжению сети иаЬ.Наличие в схеме сглаживающего реактора Бс1 ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать в тиристоре после того, как напряжение иаЬ по абсолютному значению будет больше напряжения 11Аи станет равным нулю в момент времени 93.
36-38. Однофазный инвертор
Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.
Полный мост:
Принцип регулирования фазного напряжения.
Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт
, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.
. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.Недостатки:[9]
-
Большая величина пульсаций -
Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током) -
Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).
Преимущества:
-
Экономия на количестве вентилей.
Искажение формы напряжения в питающей сети происходит из-за того, что в течение полупериода сопротивление нагрузки меняется (резко падает при открытии вентилей), в результате чего возрастает ток и увеличивается падение напряжения на сопротивлениях источника и сети. Форма напряжения становится несинусоидальной, что особенно неблагоприятно для асинхронных двигателей. Диаграммы входного напряжения и входного тока регулятора (первая диаграмма) и выходного напряжения (вторая диаграмма) при работе на активную нагрузку. Для регуляторов переменного напряжения значимы два вида регулировочных характеристик в зависимости от характера нагрузки. При работе на активную нагрузку показательной является зависимость действующего значения выходного напряжения регулятора от угла регулирования . Графики рассчитанных регулировочных характеристик, причем СР(1) построена для двух крайних сочетаний параметров нагрузки - без RH (индуктивная нагрузка) и без LH (чисто активная нагрузка).
Входной коэффициент сдвига и коэффициент мощности. Второй важной характеристикой регулятора напряжения является его входная энергетическая характеристика - зависимость входного коэффициента мощности от степени регулирования выходного напряжения. Так как входной коэффициент мощности равен произведению коэффициента сдвига на коэффициент искажения входного тока, то удобно найти отдельные зависимости для указанных сомножителей.