Меню

Устройство выпрямительное с тремя режимами стабилизации напряжения

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Электрическую энергию удобно транспортировать и преобразовывать по величине в виде переменного напряжения. Именно в таком виде она подается к конечному потребителю. Но для питания многих устройств нужно все-таки постоянное напряжение.

Трёхфазный выпрямитель напряжения.

Для чего нужен выпрямитель в электротехнике

Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:

  • формирование постоянного тока для силовых электроустановок (тяговые подстанции, электролизные установки, системы возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
  • источники питания для электронных приборов;
  • детектирование модулированных радиосигналов;
  • формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.

Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.

Принципы работы выпрямителей

В основу работы выпрямительных устройств положено свойство односторонней проводимости элементов. Делать это можно разными способами. Многие пути для промышленного применения отошли в прошлое – например, применение механических синхронных машин или электровакуумных приборов. Сейчас применяются вентили, проводящие ток в одну сторону. Не так давно для мощных выпрямителей применялись ртутные устройства. На сегодняшний момент они практически вытеснены полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Типовые схемы выпрямителей

Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.

Однофазные выпрямители

Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.

Схема выпрямления напряжения, с помощью одного диода.

Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.

Значение напряжения после диода.

Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:

  • высокий уровень пульсаций – для сглаживания и получения постоянного тока потребуется большой и громоздкий конденсатор;
  • неполное использование мощности понижающего (или повышающего) трансформатора, ведущее к увеличению потребных массогабаритных показателей;
  • средняя ЭДС на выходе составляет меньше половины подведенной ЭДС;
  • повышенные требования к диоду (с другой стороны – нужен всего один вентиль).

Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.

Мостовая схема выпрямления напряжения.

Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:

  • положительная полуволна по пути, обозначенному красными стрелками;
  • отрицательная полуволна по пути, обозначенному зелеными стрелками.

Выходное напряжение после выпрямления диодным мостом.

Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.

Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.

Схема выпрямителя напряжения, с обмоткой трансформатора, имеющей отвод от середины

Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.

Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.

Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление, по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.

Трёхфазные выпрямители

От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.

Схема трёхфазного выпрямителя.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.

Значение выходного напряжения после трёхфазного выпрямителя.

И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).

Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.

Трёхфазная мостовая схема выпрямителя напряжения.

Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.

Значение выходного напряжения после трёхфазной мостовой схемы.

Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».

Читайте также:  Включение светодиода при определенном напряжении

Схема трёхфазного выпрямителя с трансформатором, подключенным по схеме треугольник.

Здесь амплитуда и частота пульсаций такая же, как в предыдущей схеме. Но средняя ЭДС меньше, чем в предыдущей схеме в раз. Поэтому такое включение используется редко.

Выпрямители с умножением напряжения

Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:

Схема выпрямителя напряжения с удвоением.

Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.

В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.

Удвоитель напряжения, собранный по схеме Латура.

Удвоитель, собранный по схеме Латура, имеет большую нагрузочную способность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массогабаритным показателям этот вариант также выигрывает у предыдущего. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного – С2. Ёмкости включены последовательно, а по отношению к нагрузке – параллельно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов . Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а величина зависит от значения емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсации. И здесь надо найти разумный компромисс.

Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.

Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.

Каскадная схема учитверителя напряжения.

Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.

Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.

Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.

Использование резистора в схеме, лдя защиты диода.

Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.

В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.

Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.

Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое операционный усилитель?

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Источник



Эксплуатация электропитающих установок связи — Регулирование и стабилизация выпрямленного напряжения и тока

Содержание материала

  • Эксплуатация электропитающих установок связи
  • Выпрямительные устройства
  • Выпрямление переменного тока
  • Трансформаторы выпрямительных устройств
  • Регулирование и стабилизация выпрямленного напряжения и тока
  • Выпрямительные устройства
  • Стабилизаторы
  • Фильтрация выпрямленного напряжения
  • Выпрямительные устройства ВУ
  • Выпрямительные устройства ВУЛС
  • Выпрямительные устройства ВУК
  • Выпрямительные устройства ВУЛС-2
  • Выпрямительные устройства ВУЛС-3
  • Выпрямительные устройства ВУТ
  • Выпрямительные блоки для электропитания аппаратуры сельской связи
  • Выпрямительные устройства для электропитания телефонных станций малой емкости
  • Выпрямительные устройства для заряда и содержания аккумуляторных батарей
  • Основные положения по эксплуатации выпрямительных устройств
  • Автоматизированные устройства гарантированного электропитания аппаратуры связи
  • Автоматизированные устройства гарантированного питания УГП-24
  • Автоматизированные устройства гарантированного питания УГП-50
  • Автоматизированные устройства гарантированного питания с инерционными маховиками
  • Устройство гарантированного питания АГМ-20
  • Устройство гарантированного питания типа УГПМ-7,5
  • Устройство гарантированного питания типа АГМ-7,5
  • Устройства гарантированного питания с инверторами
  • Инверторное устройство с однофазным стабилизированным инвертором выходной мощностью 3,5 кВА
  • Унифицированные статические преобразователи для устройств гарантированного питания
  • Электростанции с автоматизированными дизель-генераторными установками
  • Профилактическое обслуживание ДЭС с агрегатами АСДА-100
  • Автоматизированные дизель-генераторные установки ДГА-М
  • Логические элементы для автоматизации работы установок ДГА-М
  • Профилактическое обслуживание дизель-генераторных установок ДГА-М
  • Малогабаритные дизель-генераторы Э16АЗ
  • Аккумуляторные установки
  • Устройство свинцовых аккумуляторов типов С и СК
  • Электрические характеристики свинцовых аккумуляторов
  • Ввод в действие и первый заряд свинцовых аккумуляторов
  • Заряд свинцовых аккумуляторов
  • Уход за свинцовыми аккумуляторами
  • Характерные неисправности стационарных аккумуляторов
  • Эксплуатация стартерных аккумуляторов
  • Оборудование регулирования, коммутации, распределения и контроля напряжения
  • Стойка автоматического регулирования напряжения САРН-П
  • Стойка полупроводниковых стабилизаторов напряжения СПСН
  • Устройство АКАБ-24/1500
  • Устройство КЗБ-24/260
  • Устройство АКАБ-60/800 и АКАБ-60/1500
  • Устройства контроля напряжения УКН и индикации тока УНТ
  • Батарейные щиты типа ЩБ и ЩБ-2
  • Щитки рядовой защиты ЩРЗ
  • Щиты переменного тока для предприятий связи
  • Системы дистанционного питания НУП кабельных магистралей и системы питания аппаратуры РРЛ
  • Техника безопасности при обслуживании электроустановок
  • Приложения
Читайте также:  Как усреднить напряжение схема

1.4. Регулирование и стабилизация выпрямленного напряжения и тока

СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ

Напряжение и частота сети, от которой питаются выпрямительные устройства предприятий связи, не остаются постоянными. Как правило, отклонения напряжения составляют плюс 5— 10 и минус 15—20%, а отклонения частоты — до 5% номинального значения. Не остаются постоянными ток нагрузки и температура окружающей среды. Отклонения сетевого напряжения и его частоты, изменение окружающей температуры и тока нагрузки являются основными дестабилизирующими факторами и вызывают изменение величины выпрямленного напряжения и пульсации. При изменении тока нагрузки изменение величины выпрямленного напряжения происходит из-за изменения падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямительного устройства; при изменении температуры окружающей среды изменение величины выпрямленного напряжения происходит из-за изменения параметров элементов выпрямительного устройства.
Аппаратура связи, питание которой осуществляется от выпрямительных устройств, требует постоянного напряжения, величина которого колебалась бы в очень незначительных пределах. Резервная аккумуляторная батарея, работающая в буфере с выпрямительным устройством, требует чтобы ее подзаряжали (содержали) выпрямленным напряжением, отклонения которого составляли бы всего 2% от установленного значения, и заряжали бы постоянным током, величина которого также изменялась бы очень незначительно. Для обеспечения вышесказанного выпрямительные устройства предприятий связи в зависимости от назначения выполняются со стабилизацией выпрямленного напряжения
или тока и с возможностью плавного изменения этих величин (регулирования) обслуживающим персоналом до требуемого значения. Для этого выпрямительные устройства дополняются специальными элементами.
Регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе выпрямительных устройств большой мощности, питающих аппаратуру связи, осуществляется следующими способами: дросселями насыщения без обратной связи; дросселями насыщения с внутренней обратной связью; с помощью тиристоров (изменение момента включения тиристора).
Первый способ регулирования и стабилизации применен в находящихся в настоящее время в эксплуатации выпрямительных устройствах типа ВУ и ВУЛС. Второй способ применен в выпрямительных устройствах типа ВУК и ВУЛС-2. Третий способ применен в разрабатываемых в настоящее время выпрямительных устройствах типа ВУТ, которые должны прийти на смену выпрямительным устройствам типа ВУК.
В выпрямительных устройствах малой мощности, которые применяются для питания учрежденческих и домовых подстанций, а также в электропитающих установках сельской телефонной связи для стабилизации выпрямленного напряжения применяют феррорезонансные стабилизаторы (выпрямительные блоки ВБ-24/6-3, ВБ-24/3-3; ВБ-60-2, ВТ-61/5, ВБ-60/25). Эти блоки не имеют плавного регулирования выпрямленного напряжения. В настоящее время для питания сельской телефонной связи, а также учрежденческих и домовых подстанций разработаны и внедрены в серийное производство выпрямительные блоки типа ВБ-60-3 и ВТ-61/5-3, регулирование и стабилизация выпрямленного напряжения в которых осуществляются с помощью тиристоров.
Для содержания дополнительных элементов аккумуляторной батареи разработаны выпрямительные устройства малой мощности, стабилизация выпрямленного напряжения которых осуществляется с помощью полупроводникового стабилизатора с регулирующим транзистором, работающим в импульсном режиме. Такие стабилизаторы установлены в устройстве автоматической коммутации аккумуляторной батареи (АКАБ).

ДРОССЕЛИ НАСЫЩЕНИЯ

Дроссель насыщения (ДН) представляет собой устройство, индуктивное сопротивление которого изменяется в зависимости от величины подмагничивающего постоянного тока. Дроссель насыщения имеет обмотку переменного тока или рабочую об
мотку и одну или несколько обмоток подмагничивания w или обмоток постоянного тока. Магнитная цепь его состоит из стального замкнутого магнитопровода. Магнитный поток дросселя насыщения создается одновременно переменным и постоянным магнитными потоками.
Броневые трансформаторы имеют следующие преимущества: наличие одной катушки вместо двух у трансформатора стержневого типа, более высокий коэффициент заполнения окна магнитопровода обмоточными проводами, обмотка защищена ярмом от механических повреждений.

Читайте также:  Что такое опорное напряжение стабилитрона

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Питание выпрямительных устройств мощностью свыше 1 кВт осуществляется от трехфазной сети переменного тока, поэтому в таких выпрямительных устройствах применены трехфазные трансформаторы. При их применении все. три фазы питающей сети будут загружены равномерно, кроме того, в выпрямительном устройстве можно применить схему выпрямления с шестикратной и более частой пульсаций.
Трехфазный трансфокатор может быть выполнен групповым, состоящим из трех одинаковых однофазных трансформаторов, и со связанной магнитной системой. Устройство трехфазного трансформатора со связанной магнитной системой изображено на рис. 1.8б, его магнитопровод имеет три стержня и два ярма — нижнее и верхнее. Для уменьшения намагничивающих токов поперечное сечение ярма делается несколько больше поперечного сечения стержней. На стержнях трансформатора размешаются обмотки.

Рис. 1.11. Схема соединения обмоток трехфазного трансформатора:
а — при соединении в звезду; б — при соединении в треугольник

Простейший дроссель насыщения и схема его включения представлены на рис. 1.12. Для переменного тока катушка со стальным сердечником обладает реактивным (индуктивным) сопротивлением xL. Ток в нагрузке будет зависеть от суммы индуктивного xL и активного Rн сопротивлений, а падение напряжений на каждом из них будет пропорционально их величинам, т. е. UДН=I-xL, а URн=I-RB.
Индуктивное сопротивление дросселя насыщения не является постоянной величиной, а будет изменяться в зависимости от изменения магнитного состояния стали магнитопровода, а им, в свою очередь, управляет ток, текущий в обмотке.

Рис. 1.12. Простейший дроссель . насыщения и схема его включения
Рис. 1.13. Дроссели насыщения: а — однофазный; б — трехфазный
Следовательно, изменением величины тока в обмотке w можно в широких пределах изменять магнитную проницаемость μ и зависящее от нее индуктивное сопротивление обмоток переменного тока дросселя насыщения и падение напряжения UДН. При увеличении тока подмагничивания индуктивное сопротивление xL дросселя насыщения уменьшается, а при уменьшении тока подмагничивания — увеличивается. Величина постоянного магнитного потока зависит от числа витков обмотки w и от тока, протекающего по этой обмотке.

Дроссель насыщения, показанный на рис. 1.12, представляет собой обычный трансформатор, он, как и трансформатор, имеет две обмотки (обмотку переменного тока и обмотку подмагничивания), размещенные на общем магнитопроводе. Обмотка переменного тока, по которой протекает ток нагрузки, выполнена из провода, рассчитанного на заданный ток нагрузки и, как правило, имеет небольшое число витков. Обмотка подмагничивания наоборот, в целях упрощения, имеет большое число витков из тонкого провода. Переменное напряжение обмотки индуктирует в обмотке переменную ЭДС, которая по закону трансформирования во столько раз будет больше переменного напряжения обмотки w, во сколько раз число витков обмотки будет больше числа витков обмотки w. Так как обычно w=>w, то и переменная ЭДС, наводимая в обмотке w, может достигать очень больших значений, опасных как для самой обмотки (может не выдержать изоляции проводов этой обмотки), так и для элементов источника постоянного тока, питающего обмотки подмагничивания. Поэтому конструкцию дросселей насыщения выполняют так, чтобы сохранить управляющее действие обмотки и исключить трансформаторное действие рабочей обмотки на обмотку подмагничивания. В выпрямительных устройствах типа ВУ, ВУЛС и ВУК применены следующие конструкции дросселей насыщения: однофазный дроссель насыщения (рис. 1.13а) и трехфазный дроссель насыщения (рис. 1.13б).
Магнитная цепь однофазного дросселя состоит из двух, расположенных рядом, стержневых магнитопроводов (рис. 1.13а). Обмотки подмагничивания расположены на средних стержнях магнитопровода, а обмотки переменного тока (w’

) —на крайних. Обмотки переменного тока могут быть соединены параллельно или последовательно. Чтобы переменный магнитный поток, создаваемый обмоткой переменного тока, не наводил бы переменного напряжения в обмотке подмагничивания, рабочая обмотка разбита на две обмотки w’

. Эти обмотки располагаются, наматываются и соединяются при их параллельном и последовательном соединении так, чтобы магнитные потоки Ф’__ и Ф»_., создаваемые этими обмотками, имели бы направление, указанное на рис. 1.13а, при котором в среднем стержне эти магнитные потоки будут иметь противоположные направления и будут взаимно компенсировать один другого, так как число витков w’

= w» . Таким образом, в среднем стержне переменный поток будет отсутствовать, т. е. в обмотке переменного напряжения наводиться не будет.
Магнитная цепь трехфазного дросселя насыщения состоит из шести стержневых магнитопроводов—двух для каждой фазы переменного тока (рис. 1.13б). Обмотки переменного тока каждой из трех фаз А, В, С разбиты на две части (w’—для фазы A; w’

B, w»— для фазы В; w‘

c, -для фазы С)
и помещены на крайних стержнях магнитопровода, обмотки постоянного тока — на средних стержнях и охватывают одновременно средние стержни всех магнитопроводов. При таком расположении, намотке и соединении этих обмоток в обмотке подмагничивания также не наводится переменного напряжения.

Источник