книги / Проектирование источников электропитания устройств связи

В табл. 3.2 приведены основные расчетные соотношения для

определения параметров U2, h, h, Л-р, f/обр, /ср, /в,						/макс !(схемы
рис. 3.5 и 3.6).
Коэффициент пульсации по первой гармонической составляю­
щей можно определить из выражения
	КП	и*	100	100 я		(3.9)
					г С
В выражении	(3.9) Я — коэффициент, зависящий					от углов 0
и Ф, а следовательно, от параметра Аь (см. рис. 3.14—3.17).
При расчете	выпрямителя		величина		коэффициента пульсации
бывает задана. Определив по графикам					величину Я,	можно опре-

Рйс. 3.17. Зависимость naipaiMerpa						Рис. 3.18. Обобщенные внешние
Н от inaipaMeTipa		Аь и	угла	ф для		ха1ра!ктерки.стик1и		вы-гьря.млтеля,
т = 6 и частоты		сети	50 «и	400 гц		работающего		-на	емкостную
						нагрузку
1Внешняя характеристика					выпрямителя		[UB=f(Iо)		при	Яс =
= const] позволяет определить: изменение							выпрямленного			напря­
жения AU, вызванное изменением тока нагрузки; .напряжение хо­
лостого хода	Uвхх, ток			короткого		замыкания /окз		и	внутреннее
сопротивление	выпрямителя				г0. Так	ив
						(какту------—cos0 и-			и*
						^ 2 макс

~L s —у то зависимость cos0=/(yo) в определенном мас­

штабе представляет -собой внешнюю характеристику выпрями­ теля. Зависимость cos0=/^(yo) может рассматриваться как обоб­ щенная внешняя характеристика выпрямителя (рис. 3.18).

СЛ	ТАБЛИЦА 3.2

г о _______________________ Основные соотношения для расчета выпрямителя, работающего на емкость________________

Схема выпрямления

Устройстве

Транс­

форматор

Вентиль

	Параметр			однополупернодная			двухполупернод­
							ная
	действующее
	значение		напря­	BL u B			BLUB
	жения	вторич­
	ной обмотки U2
	действующее
	значение		тока	DL I0			0.5 Dl / 0
	вторичной обмот­
	ки / 2
	действующее			/
	значение		тока				0.707D, —
	первичной		об­	v V *	-	'
							L n
	мотки h
	типовая		(габа­	0.5 BL (D L +			0.85 Bl Dt P0
	ритная)		мощ­	+УDl ~	l )	p °
	ность	Р - р
	амплитуда» об­						2,82 BL UB
	ратного		напря­	2.82BL UB
	жения Urip
	среднее		значе­
	ние тока вентиля			/•			0,5 / 0

/ ср

однофазная

мостовая

BL uB

0.707D t /„

0,7070, —

ь n

0,707BL DL PB

\A \B LUb

0 ,5 /0

действующее
значение	тока	D L I 0		0.5D L l t		0.5D L/ o
вентиля / в
ч амплитуда	то­			0 . 5FL / O		0.5F L 1%
каС через вентиль
Л|ако •		i	1	^	!	A	i

схема удвоения

0.5BL UB

1.41Dt /„

l,4 1 0 t A n

0.707BL DL PQ

\A \B L UB

/о

D l U

PL U

трехфазная

однотактная

BL и*

0.33D l / 0

0,273D , —

L n

0,908BL DL P0

2,44BL UB

0 .33/,

0,33DL/ o

трехфазная

мостовая

0,576BLUB

0,33 DL / 0

0 . 3 3 D , — b n

0,576BL DL P„

1, 22BL UB

О.ЗЗ/о

0,236Ot / 0

0.33Fl / ,	0 ,3 3 fL/ ,
1	1

Для построения реальной внешней характеристики необходимоординаты кривой рис. 3.18 умножить на U2макс, а ее абсциссы —

на — mU%макс-

	Г	ХОЛОСТОМ ходе /о= 0 И £/вхх= ^ 2макс, при коротком			замы-
При
кании		и	Понижение выпрямленного напря­
		С/в—'0 и 1окэ=>п—^ ^ с
жения		при изменении тока нагрузки от		нуля до номинального
AU— U BXX —U в, внутреннее сопротивление выпрямителя
		Д и	A UBXX- U B		(3.11>
		0 А/0	А/0
кпд выпрямителя
		^в^о_ЬАЯтр'ЬА/>в			(3.12)
где	UB и /о — номинальное значение .выпрямленного напряжения
и	тока; АРТр=|/>Тр(1—г]тр) — потери в			трансформаторе	(т]тр=

=0,85-7-0,95) ;■АРв — потери в вентилях. В кенотронных выпрями­ телях мощность потерь в вентиле включает также и мощность, расходуемую на питание накала (и тк1влк) вентилей. Потери в вен­ тиле от прямого тока APn=0,5D!ji ICpUnpN, где N — число вентилей

3.6. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА НАГРУЗКУ ЕМКОСТНОГО ХАРАКТЕРА

При расчете выпрямителя заданными величинами являются: номинальное напряжение UB(e); ток h(a) на выходе выпрямителя; коэффи­ циент пульсации Кп}(%), напряжение сети Ui(e) и частота тока питающей сети }(гц).

1 . На основании рекомендаций, изложенных -в параграфе 3.3, «выбираем схему выпрямления, а следовательно, определяем «величину т.

2 . ■Ориентировочно выбираем вентили.

Для выбора вентиля предварительно следует задаться значением коэффи­

циента	B L =*0,9-M,1	и Dl = 2 , 1 -г-2,4 и по	данным табл. 3.2 определить значения
Uобр,	/ СР, /», / макс.	По этим значениям	из справочника или табл. П5Л прило­

жения выбирается тип вентиля и .выписываются его данные. Вентиль должен

быть выбран так, чтобы допустимое обратное напряжение «было	больше,	чем
в схеме выпрямления (Vобр. доп>^обр), и допустимые токи больше, чем		вы­
численные для выбранной схемы. Для кенотронов в справочнике	указана	до ­
пустимая аМ-плитуда тока через вентиль (7макс доп>/максХ а -дли	полупровод­
никовых .вентилей — допусти.мое среднее значение тока через вентиль.
При работе выпрямителя на нагрузку емкостного характера	действующее

значение то^а через вентиль не должно превышать / п доп —1,57/Ср доп.

По статистическим характеристикам выбранного типа вентиля приближенно определяется его прямое сопротивление. В технических условиях и справоч­ ных данных на кенотроны обычно приводятся статические .вольтамперные ха­ рактеристики или указывается «внутреннее сопротивление, определяемое из ста­ тических характеристик. Для полупроводниковых вентилей приводятся обычно динамический вольтамперные характеристики, снятые в схеме однонолупериодного выпрямления, или указывается среднее значение «падения напряжения в прямом (направлении Uaр на .вентиле, измеренное в той же схеме. Поэто-му «па­ дение напряжения на пол упроводниковом вентиле, определенное из его динами -

5а

веских характеристик, следует увеличить в К а = 2 + 2,2 раза для германиевых и Ка = 2 , 2 + 2,4 раза для кремниевых яентилей. Имея в виду, что для подав­

ляющего числа диодов динамическое падение напряжения, указанное в техни­ ческих условиях ( 1 в для кремниевых и 0,5 в для германиевых), .почти в 2 раза больше фактического, сопротивление диода в прямом направлении

rnp =

УпрКа № СР*

(3 .1 3 )

3. Приближенное

значение

активного

сопротивления

обмоток

трансфор

матор а

иъю- 3 f

да,

'т р

(3.U)

IJB

а д

где Кг — коэффициент,

зависящий

от

схемы выпрямления

(табл. 3.3);

В — маг­

нитная индукция

в м-апнитопроводе

(тл), выбор

которой

зависит

от

.мощности

Т А Б Л И Ц А

3.3

Значения коэффициентов Кг и Кь

Схема выпрямления

к,

KL

Однофазная однополупериодная

2 ,3 1 0 »

4,1010»

Однофазная двухполупериодная

4,7 1 0 »

4,30-10*

Однофазная мостовая

3 ,5 1 0 »

5,00-10»

Схема

удвоения

напряжения

0 .9 1 0 »

1,25-10»

Трехфазная с выводом нулевой точки

6,9 1 0 »

4,10-10»

Трехфазная мостовая

4,5-10®

1,90-10»

трансформатора, конфигурации мапнитопровода, частоты

тока витающей

сети

(см. гл.

1 ); / — частота

тока

(питающей

сети;

5 — число

стержней

машитопро-

зода, несущих

обмотки i(5 = l

для броневого,

5 = 2

для стержневого

и 5 = 3

для

трехфазного трансформатора).

Определим

величину

индуктивности рассеяния обмоток трансформатора LB:

Ls

иь 10“ 5

(3.15)

lofB

где K L — коэффициент,

зависящий

от

схемы

выпрямления

(табл. 3.3).

Осталь­

ные величины те же, что и в ф-ле '(3.14).

4. Определяем активное сопротивление фазы

г = г Тр + гпр

(или

г = г тр+ 2гПр

для мостовых схем Греца и Ларионова).

Аь.

5. Из

(3.7)

и

(3.8)

определим

угол

<р

и

параметр

При

определении

Аь для схемы

удвоения

m =il;

для

однопол упер йодной

схемы

т =\\ для

двух-

полупериодной схемы и для однофазной мостовой

т = 2 ;

для

трехфазной

т —3;

для мостовой трехфазной

т = б .

При

определении

А ь

для

схемы

удвоения

в

выражение

(3.8)

вместо

U B

необходимо подставить

6 . Определив величины Аь и ср из графиков рис. 3.11—3.13, найдем коэф­ фициенты Вь, DL, Fl .

(По выражениям, приведенным в табл. 3.2, определяем U2t h, U, ЯТР, £/обР, /ср, /в, /макс. Проверяем, проходят ли выбранные вентили по величинам U0Qp,

/в, / ср, / макс*

7. Из графиков рис. 3.15—3.17 определяем коэффициент Н. Из выражения (3.10), зная величину Я и Кп, определяем значение емкости С.

'Амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения U~\=(UbH)l(rC).

Конденсатор выбираем по известной величине емкости С, рабочему напря­ жению и допустимому значению переменной составляющей -выпрямленного на­ пряжения.

При выборе рабочего напряжения конденсатора следует учитывать допус­ тимые для них значения переменной составляющей выпрямленного напряже­ ния. Эти значения зависят от частоты пульсации, а следовательно, от исполь­ зуемой схемы выпрямления. В том случае, если фактическое значение перемен­ ной составляющей превышает допустимое, следует увеличить рабочее напряже­

ние конденсатора или /при этом же рабочем напряжении увеличить

их

количе­

ство для пол,учения большей суммарной емкости.

Определив тип, количество конденсаторов и их фактическую емкость из

выражения

(3.9), уточним

величину Ки-

8 . Строим внешнюю характеристику выпрямителя, умножая ординаты кри­

вой рис. ЗЛ8 на величину U2макс=К2£У2 и ее абсциссы на------^макс =

Определяем напряжение холостого хода UBxx

ток короткого замыкания

/о к з-

Из |(3.11) определяем внутреннее сопротивление выпрямителя г0.

9. Кпд выпрямителя определяем из выражения

(3.12).

со

сле­

П р и м е р

« р а с ч е т а

в ы п р я м и т е л я .

Рассчитаем выпрямители

дующими данными: UB= 380 в; Iо=100 ма; Vi=220

в; / с= 50

гц; /Сп=1б%.

•1 . Выбираем однофазную мостовую схему

с

нагрузкой

емкостного харак­

тера на выходе выпрямителя.

.принимаем

предварительно £ = 0 ,9 ;

Д = 2,35.

.2 . Для выбора типа

вентиля

По

табл.

3.2

имеем:

/ ср

= 0,5/о‘

/ср = 0,5-100

=

50 ма\

U0бР =

1,41BUn =

= 1,41-0,9-380=480 в;

/ в = 0,5£/о = 0,5-2,35-100= 1/17,5

ма.

1П0

вычисленным

зна­

чениям / ср и

UобР из табл. 5 . 1 приложения в качестве вентилей выбираем крем­

ниевые диоды типа Д237В ((четыре диода по одному в плече моста).

Основные

параметры

диодов Д237В: допустимое обратное напряжение

^обр.доп =600

в ((больше

вычисленного U0бР=480в), допустимое среднее

зна­

чение / ср доп=0,1 а>0,05 а

и допустимое действующее значение тока вентиля

при

работе

.на 'емкостную

/нагрузку / в доп =/1,57-0,1 = 157 ма> 117,5 ма,

падение

напряжения на диоде в прямом /направлении

L/MP = 1

в,

диапазон рабочих

тем­

ператур — 50-г +<1!25Т).

Сопротивление диода в прямом направлении по ф-ле

(ЗЛЗ)

UnpKa

гпр - 2/ср

1 2 .3

= 23 ом.

2 0 , 0 5

3. Из (3.14) определяем гтР, принимая £=/1,25 гл; /Сг=3,5-103 и 5 = 1 :

„	и в 10- 3	* Г Щ		_ _ -	380-10~3	4л	-50-1,25 _
гтр = К г	/J B	У	77л	_ 3 , 5 1 ° 0.1-50-1.25		V	380 0.1	-2 4 0
Из (3.15) определяем			LS (/CL = 5 -		102) :
	UD10~*	У			3 8 0 J 0 - 54	У 1 -380 0 Л _
= KL ~ ^ f B			fB	“ 5	10 0.1-50 1.25	К	50 1.25	U’J0°
4. Определяем г -фазы:
		т=	гтр “j- 2 гпр = 240 -f* 2*23 = 283 ом.

5.	Из (3.7) и i(3.8)	определяем	Ф и Аь :
		2 nfLs	2-3,14-50-0,265
	ф = arc tg ---------- =		----------------------------
			283
		/ 0 n r	0,1-3,14-283
		mUB “	2-380
6.	Для -вычисления значения расчетного параметра			A L =0,1I17 и ф«16° по
кривым	рис. 3.1)1, 3.12	я 3,13 определяем -коэффициенты		P L =0,91; DL- 2,3;

Г ь - 6,5.

Ло найденным коэффициентам из выражений табл. 3.2 определяем пара­

метры трансформатора и вентилей:

и 2 =

Вь ,ив =

0.91-380 = 345

в; / а =*0.707DL/ o =

0.707-2.3

0.1 =

=

0.162 а = 162 ма; / х =

Я*

345

=

0,707DL/ 0 7

7 . = 0,707-2.3 0.1 —

tc/i?

22U

=

0,254 а = 2 5 4

ла;

PTp = 0 ,7 0 7 £ L.p LPo =

0,707-0,91-2,3-380*0.1

= 5 6

ва; J

Яобр = 1 ,41PL UB=

1.41 -0.91 -380 =

490

в; / в =

0 .5 DL

/

0=

= 0.5 -2 .3 0.1

= 0 . 1 1 5

а = 115 *а;

/ Макс =

0.5FL/ 0 =

= 0.5-6.5

0.1 = 0 ,3 2 5

а =

325

ма.

Таким

образом

выбранные

-предварительно

дооды

пригодны

для

работы

■в проектор уем-ом выпрямителе.

7.

Из ф-лы (3.10),

зная

/Сп=1б% -и

Я = 200 )(рис. ЗЛ5),

определяем емкость

конденсатора:

-

100Я

100-200

,

^

с “ л 7 — в 1 й г - 4 л -“ *-

Выбираем конденсатор типа МБГО -на напряжение 600 в емкостью

1 0 мкф.

Амплитуда первой гармоники переменной составляющей

=

380-200

= 27 в.

283-10

8 . Напряжение

холостого

хода

UBXx=U2 1^2= 1^ 2-346= 490

в;

внутреннее

сопротивление выпрямителя

г0

^ в х х - £ /в

490 — 380

1 1 0 0 ом.

=

-------= —

— ------=

-После определения всех необходимых параметров «может быть построена

«внешняя

характеристика выпрямителя.

9. Из

(ЗЛ2) определяем

;(т]Тр=0,85):

Л =

Яв/ 0

380-0.1

=

0.

81;

.380-0,1 + 8 , 4 +

Яв/ 0 + А Р т р + А Р В

0,53

ГД Р тр = Рхр(1 — г]тр) = 5 6 (1 — 0,85) =

8 .4

вт;

А Р в = Я -0.5£>*/срЯ „р=4.0.5-2.3*

0.05-1

= 0 .5 3 вт.

При работе многофазного (на схеме трехфазного) однотактного выпрямителя на .нагрузку RH, последовательно с ко­ торой включен дроссель (рис. 3.19) с достаточно большой индук­ тивностью (m a L ^R u ), реакция нагрузки на выпрямитель будет определяться этой индуктивностью. Если принять индуктивность, дросселя бесконечно большой (L-+-оо),

то любое приращение тока в дросселе будет 'индуктировать в его обмотке бесконечно большую эдс самоиндук-

/

Т

\

ции {е——L ~ j ) t препятствующую из­

менениям

тока.

Следовательно,

ток

как в дросселе, так и в нагрузке

I'O не

может претерпевать изменений во вре­

мени.

6)

При идеальных вентилях (ГпР=0 и

Гобр=0°) и трансформаторе (гтр=0 и

хТр=0)

вы'пря.мленное напряжение

и0,

как и при работе на активную нагруз­

ку, имеет форму огибающей эдс в фа­

зах

вторичных

обмоток трансформа­

тора.

кан ток

г'о не .претерпевает из­

Таи

менений во

времени (при /?H=const),

то и напряжение на нагрузке постоян­

но

и

равно среднему значению вып­

рямленного напряжения UB.

обмотки

Каждая

фаза, вторичной

Рис. 3.19.

Трехфаз.ный

вы­

трансформатора

работает в

течение

прямитель

при работе

на

периода один раз, и длительность ее

индуктивную

иаг.рузку:

работы составляет 1/т часть периода.

а) схема;

б)

графики

на­

В любой момент работает только одна

пряжений и токов

фаза, имеющая

наибольшее

положи­

фазе вторичной обмотки

тельное напряжение. При этом ток

в

трансформатора и в вентиле неизменен и равен току нагрузки /о, т. е. ток в фазе вторичной обмотки может быть изображен в виде прямоугольного импульса высотой Iо и длительностью 2л//п. Ток •в первичной обмотке трансформатора также имеет форму прямо­ угольных импульсов, но без постоянной составляющей тока.

Реальный выпрямитель обладает активным сопротивлением г и индуктивностью рассеяния Ьв (рис. 3.20) обмоток трансформа­ тора, которые влияют на работу выпрямителя, изменяя как ве­ личину, так и форму кривой выпрямленного напряжения, токов вентиля, вторичной и первичной обмоток трансформатора. iB ма­ ломощных выпрямителях (до '500 вт), работающих от сети 50 гц, активное сопротивление фазы г во много раз больше индуктивно-

			Т А Б Л И Ц А 3.		4
Основные параметры идеального выпрямителя для схем рис. 3.5, 3.6
		Схема выпрямления
Устройство	Параметр	двухполуоднофазная	трехфазная трехфазная
		периодная мостовая	с нулевым	мостовая
			ВЫВОДОМ

Транс­	действующее		значение		напря­
форматор	жения вторичной обмотки U2					1 .1 Ш В
	действующее значение тока
	вторичной обмотки / 2					0,7071о
	* действующее значение тока
	первичной обмотки / х
	мощность	вторичной		обмотки		1.57Р»
	Р г
	мощность	первичной		обмотки		1.11Р»
	P i
	габаритная мощность трансфор­
	матора рТр					£ 1 .3 4 Р„
Вен­	Обратное	напряжение		на вен­
тиль	тиле U0бр					3,14£/в
	Среднее	значение тока			вен­
	тиля / ср					0.5/»
	Действующее		значение		тока	0,707/0
	вентиля / в
			2 0 0			67

I M U B		0 ,855С/В		0,43 U B
	/о	0,58/0		О 00 сл о
		0,47		0,815
			„ 0	л 0
			п
1	, и р »	1 ,48Р»		1.05Р«
l.H Po		1 ,21Р»		1.05Р»
1.11Р»		1	,35Р0	1,05Р0
1	.57и в	2	.Ш В	1,05(7в
0	.5/»	о , з з / 0		0 .3 3 /,
0,707/»		0,58/»		0 ,5 8 /.
	67		25	5,7

тп

2

2

3

6

и1

П р и м е ч а н и е , л—коэффициент трансформации л » .. , где Ut , Uх—фазные значения нап

и*

ряжений вторичной и первичной обмоток.

го *Тр, поэтому в этом случае хТр можно пренебречь. Активное со­ противление фазы г у выпрямителя, работающего на нагрузку как активного, так и индуктивного характера, .вызывает понижение выпрямленного напряжения за счет падения напряжения в этом сопротивлении. Кроме того, в многофазных схемах при (т>2) за счет внутреннего сопротивления возникает перекрытие фаз, т. е. их одновременная работа (рис. 3.21). Положительные значения эдс в фазах вторичных обмоток оказываются больше выпрямленного

напряжения ив, перекрывая друг друга в интервале—		/ я	Я \
		( у - ” ) ^
ЗХ	71 \	периода, со­
(j	4- — 1, т. е. в течение некоторой части

ответствующей углу перекрытия фаз у, две фазы (а и Ь) вторич­ ных обмоток трансформатора работают одновременно.

Ригс. 3.20. Трехфазный выпрямитель с ънут­ ренними активными и

.индуктивными ООПрО'

ТНВЛ0 НИЯ1М1И

Рис. 3.21. Графики .напряжений и токов для трехфазной схемы, ра­ ботающей на индуктивность, с учетом активны-х сопротивлений фаз

JB фазе а, заканчивающей работу, ток ia уменьшается за время перекрытия фаз от значения /о до 0, а в фазе b, вступающей в ра­ боту,— увеличивается от 0 до /о. Причем в интервале угла пере­ крытия у сумма токов двух фаз равна току нагрузки /о0*а4-*в= /о), который при бесконечно большой индуктивности на выходе выпря­ мителя неизменен.

•Выпрямленное напряжение	при наличии перекрытия фаз
Ов^ и вхх-	1 0г(1 -т у/8л),	(3.16).

где Uвхх — выпрямленное напряжение при холостом ходе. Угол перекрытия у можно определить из выражения

	s i n ^	=	/0т г	2я #„
			2 я £/в
	2

Рис. 3.22. Графини напряжений и то­ ков для трехфазгюй схемы, работаю­ щей на индуктивную нагрузку, с уче­ том .индуктивных сопротивлений фаз

л

При небольших углах перекрытия .(у<30° или у < — ) вычи-

гаемое в скобке (3.16) мало, и и.м можно пренебречь.	6
В этом случае напряжение выпрямителя
U* = Uaxx- I 0r.	(3.17)

Выражения (3.16) и (3.17) действительны и для выпрямителя, работающего на активную нагрузку.

В мощных высоковольтных выпрямителях, работающих от сети •50 гц, и в выпрямителях, .работающих от сети повышенной частоты 400 гц, индуктивное сопротив­ ление фазы хтр .во много раз больше активного г, и влия­ нием последнего можно прене­

бречь.

Индуктивное сопротивле­ ние фазы Хрр, обусловленное индуктивностью рассеяния об­ моток трансформатора Ls в многофазных выпрямителях, также вызывает перекрытие фаз при нагрузке как индук­ тивного, так и активного ха­ рактера.

Рассмотрим рис. 3.22. Ин­ дуктивности рассеяния обмо­ ток трансформатора препятст­ вуют изменениям тока в фазах вторичной обмотки, так как при любом изменении тока в них .возникает эдс самоиндук­ ции, .препятствующая этим из­ менениям. Поэтому в момент

переключения .нагрузки с одной фазы на другую ток не может мгновенно изменяться от /о до 0 в фазе а, заканчивающей работу, -и от 0 до /о в фазе Ь, .вступающей в работу. Таким образом, .в те­ чение некоторой части периода, соответствующей углу перекрытия, две фазы работают одновременно, причем в фазе а ток постепен­ но уменьшается до 0, а в фазе b —увеличивается до /о.

При большем числе фаз выпрямления и больших нагрузках возможна одновременная работа более чем двух фаз. Вполне по­ нятно, что в однофазной мостовой схеме .выпрямления, где вто­ ричная обмотка однофазная, перекрытия фаз нет.

За время перекрытия в каждой фазе действуют эдс вторичной обмотки трансформатора и эдс рассеяния ев, которая в фазе а, прекращающей работу, направлена согласно с током, а в фазе Ь, вступающей в работу, — встречно току.

До начала коммутаций был открыт вентиль 1, и выпрямленное напряжение определялось эдс фазы а (рис. 3.22). По окончании