Лабораторная работа по теории электрических цепей Расчет трехфазных сетей Исследование генератора постоянного тока Исследование однофазного синхронного генератора

Расчет электротехнических цепей Лабораторная работа по ТОЭ

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).


Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Структурная схема источника питания представлена на рис. 17.1.

Рис. 17.1

В связи с этим источники питания электронных устройств классифицируются по виду преобразования энергии первичного источника – источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трехфазного тока, регулируемые и нерегулируемые.

Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, используемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие требования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусоидальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).

Выпрямители

Однофазные выпрямители

Выпрямителем называется электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока (обычно синусоидального) в энергию постоянного тока.

Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод – вентиль.

Для преобразования однофазного переменного напряжения в источниках в основном используют три схемы: однополупериодную, двухполупериодную мостовая и двухполупериодную со средней точкой трансформатора. Схема однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис. 17.2.

Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка которого включена в сеть переменного тока, а последовательно со вторичной включен диод VD и сопротивление нагрузки. Трансформатор служит для получения необходимого уровня переменного напряжения и гальванической развязки цепей переменного и выпрямленного тока.


Рис. 17.2

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рис. 17.2 б). При этом для простоты анализа будем считать активное сопротивление обмоток трансформатора и прямое сопротивление диода равными нулю. В первый полупериод (0 – ) напряжение  положительно, диод открыт, в сопротивлении нагрузки возникает ток . Во время  напряжение  отрицательно – диод закрыт. Ток нагрузки равен нулю и все напряжение  приложено ко второму диоду.

Достоинством такой схемы является ее простота. Недостатками – высокий коэффициент пульсации выпрямленного напряжения и наличие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены при использовании двухполупериодных схем выпрямления.


Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (рис. 17.3 а) состоит из трансформатора ТV и четырех диодов VD1 – VD4, включенных по мостовой

Рис. 17.3

схеме. К одной диагонали моста подключена обмотка трансформатора, к другой – нагрузочное сопротивление . Каждая пара диодов работает поочередно. В первый полупериод напряжения U2 открыты диоды VD1 и VD3, а VD2 и VD4 закрыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD1, VD3 и сопротивление  в направлении от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод напряжение  отрицательно, диоды VD1, VD3 заперты, а диоды VD2, VD4 открыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD2, VD4 и сопротивление   в направлении от точки 1 к точке 2. Временные диаграммы показаны на рис. 17.3 б.


а) б)

Рис. 17.4

В этой схеме среднее значение выпрямленных напряжения и тока, примерно, в два раза больше, а пульсации значительно меньше по сравнению с однополупериодным выпрямителем. В то же время количество диодов увеличилось в четыре раза.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 17.4 а) можно рассматривать как объединенные вместе два однополупериодных выпрямителя. В каждый полупериод напряжения  работает или верхняя, или нижняя часть схемы. При положительном напряжении  диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт. Ток нагрузки протекает через диод VD1 и  от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод положительно направление . Диод VD1 закрыт, VD2 – открыт. Ток нагрузки протекает через диод VD2 и  также от точки 1 к точке 2 (рис. 17.4 б).

Эта схема имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовая схема. Количество диодов в два раза меньше, чем у мостового выпрямителя, но применение трансформатора увеличивает ее массу и габариты.

Трехфазные выпрямители

В трехфазных цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в основном используют две схемы выпрямителей: трехфазный выпрямитель с нейтральной точкой и трехфазный мостовой выпрямитель. Трехфазные выпрямители используют как выпрямители средней и большой мощности (средние значения выпрямленного тока достигают сотни ампер).

В состав трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой (рис. 17.5 а) входят трехфазный трансформатор с соединением обмоток звездой, три диода, включенные в каждую фазу вторичной обмотки трансформатора, и нагрузочный резистор.

Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течение трети периода. Ток нагрузки равен сумме токов каждого диода и имеет всегда одно и то же направление. Как видно из временной диаграммы (рис. 17.5 б), пульсации выпрямленного напряжения значительно ниже, чем у однофазных вы–


а) б)

Рис. 17.5

прямителей. Среднее значение напряжения , где  – действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

К достоинствам выпрямителя с нейтральной точкой следует отнести его высокую надежность и минимальное количество диодов.


Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 17.6 а) содержит шесть диодов, включенных по мостовой схеме в фазы вторичной обмотки трехфазного трансформатора.

а)  б)

Рис. 17.6

Общая точка первой группы диодов VD1, VD3, VD5 представляет собой положительный полюс на сопротивлении нагрузки, а второй группы VD2, VD4, VD6 – отрицательный полюс. В выпрямителе возникает ток через нагрузочное сопротивление и два соответствующих диода в каждый момент времени, когда к диодам приложено наибольшее напряжение. Причем в любой интервал времени токи всегда имеют одно и то же направление (рис. 17.6 б). Коэффициент пульсации трехфазного мостового выпрямителя на порядок ниже, чем однофазного двухполупериодного выпрямителя. Среднее значение выпрямленного напряжения .

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители, наряду с преобразованием переменного тока в постоянный, дают возможность плавно регулировать в достаточно широких пределах среднее значение выпрямленного напряжения.

Основным элементом управляемого выпрямителя является тиристор, который включается при подаче импульса на его управляющий электрод со схемы управления. Момент включения (отпирания) тиристора зависит от сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением включающего импульса. Угол сдвига фаз называется углом регулирования . Такой способ управления называется фазовым.

Управляющие импульсы формируются электронной импульсно-фазовой системой управления (ИФСУ). Регулирование угла сдвига фаз может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Обычно управляемые выпрямители строят по тем же схемам, что и неуправляемые. Наиболее распространенные схемы регулируемых выпрямителей и их временные диаграммы приведены в таблице 17.1.

17.3. Сглаживающие фильтры

Для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

В схемах источников питания сглаживающие фильтры включают между диодной (тиристорной) группой и нагрузкой. Основными элементами сглаживающих фильтров являются катушки индуктивности, конденсаторы, транзисторы, сопротивления которых зависит от частоты и различны для постоянного и переменного токов. Так, для обеспечения фильтрации последовательно с приемником включают элементы, имеющие большее сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока и меньшее – для постоянной, а параллельно – наоборот. Элементом, включаемым параллельно нагрузке, может быть конденсатор большой емкости.

Простейшие фильтры состоят, как правило, из одного реактивного элемента – конденсатора или катушки. Сложные фильтры содержат несколько элементов (таблица 17.2). В зависимости от типа фильтрующего элемента фильтры разделяются на емкостные, индуктивные и электронные. По сложности фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Основными параметрами, характеризующими работу фильтра, являются:

 1) коэффициент сглаживания  – отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра;

 2) коэффициент фильтрации  – отношение амплитуд основных гармоник напряжения на входе и выходе фильтра;

 3) коэффициент передачи постоянной составляющей  – отношение постоянных составляющих  на входе и выходе фильтра (таблица 17.2).

Таблица 17.1

Схема управляемого выпрямителя

Форма выходного напряжения

однофазная однополупериодная

однофазная мостовая

трехфазная с нейтральной точкой

Логический элемент – это электронная схема, которая имеет один или больше входов X, реализующая на каждом выходе соответствующую логическую функцию Y от входных переменных. Логические элементы являются важнейшей составной частью устройств цифровой (дискретной) обработки информации – цифровых измерительных приборов, устройств автоматики и ЭВМ.

Электронные ключи Для выполнения различных коммутаций в устройствах автоматики и вычислительной техники, включения и выключения элементов, источников питания используют электронные ключи.

Микропроцессор (МП) – программируемое электронное устройство, которое предназначено для обработки информации, представленной в цифровом коде, и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры изготовляют по интегральной технологии. Они представляют собой одну или несколько БИС

Стабилизаторы Электронные устройства предъявляют достаточно жесткие требования к качеству электроэнергии, потребляемой от источников питания. Колебания напряжения и частоты промышленной сети переменного тока, изменение нагрузки в широких пределах, влияние температуры окружающей среды и т.д. диктуют необходимость различных стабилизирующих устройств в схемах источников питания.


Расчет электротехнических цепей. Решение задач