Функциональная классификация преобразователей электрической энергии и общая характеристика их основных свойств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ведение

Электроэнергия в промышленном производстве используется в электроприводе, разнообразными электротехнологическими и осветительными установками.

Соответственно, параметры электроэнергии, необходимые для ее эффективного применения в конкретных случаях, должны быть различны.

Нередко частота переменного напряжения, его величина требуют изменения непосредственно в течение технологического процесса.

В то же время источники электроэнергии - энергосистемы, трансформаторные подстанции обеспечивают потребителей стандартной электроэнергией в виде трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и рядом стандартных напряжений от 0,4 до 220 кВ.

Для удовлетворения нужд производства в электроэнергии разных видов и параметров, а также для эффективного управления ее распределением необходимы различные преобразовательные устройства.



Роль преобразовательной техники в народном хозяйстве

В настоящее время существует широко развитая отрасль народного хозяйства -- производство силовой преобразовательной техники. Задача отрасли -- создание преобразователей электроэнергии, используемых в качестве источников питания самых различных потребителей этой электроэнергии. Таким образом, эти преобразователи, называемые вторичными, служат промежуточным звеном между источником электроэнергии и ее потребителем, позволяя регулировать ток, напряжение и частоту практически в неограниченных пределах.

Научно-технический прогресс во все большей степени выявляет особую роль силовой преобразовательной техники в интенсивном развитии всех других отраслей техники и технологии. Области применений преобразовательной техники непрерывно и быстро расширяются.

У преобразовательных устройств сейчас 120 различных применений в народном хозяйстве. При этом номенклатура преобразователей (без модификаций) насчитывает более 1000 типов. Основными потребителями преобразовательных устройств (около 80%) являются электрический транспорт, металлургическая промышленность, энергетика, строительная индустрия, машиностроение, химия и нефтехимия. Однако, несмотря на высокую рентабельность силовой преобразовательной техники, потребности в ней народного хозяйства удовлетворяются далеко не полностью.

Вместе с тем назрела необходимость создания и промышленного освоения преобразовательных устройств для ряда новых направлений их использования. К ним относятся: высоковольтные преобразователи ЛЭП постоянного тока сверхвысокого напряжения, сооружаемые с целью сверхдальнего транспорта электроэнергии; инверторные устройства промышленных МГД-генераторов и других установок с непосредственным преобразованием тепловой, химической и ядерной энергии в электрическую; преобразователи переменного тока регулируемой частоты для электрошлакового переплава металлов; преобразовательные установки для перспективных видов скоростного транспорта, в том числе на магнитной подвеске; высоковольтные преобразователи для компенсации реактивной энергии ЛЭП переменного тока; устройства для ионного упрочнения деталей трущихся механизмов, инструментов и т. д.

Почти все силовые преобразовательные устройства создаются на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые служат основным функциональным элементом этих устройств. Таким образом, силовая полупроводниковая электроника служит элементной базой для вторичных преобразователей. Она превратилась сейчас в крупную подотрасль электротехнической промышленности, которая производит приборы более 160 типов (диоды, тиристоры, симисторы, опто - и фототиристоры и др.) с широким диапазоном параметров.

Огромная потребность ведущих отраслей народного хозяйства в СПП обусловила высокие темпы развития их производства, но, несмотря на это, объем производства СПП отстает от роста потребности в них. Анализ показывает, что к числу дефицитных СПП относятся как выпускаемые в настоящее время, так и новые типы приборов, необходимость в которых обусловлена появлением новых областей применения преобразовательных устройств.

Общая характеристика функциональных классов преобразовательной техники

Преобразователи электрической энергии подразделяются на:

- Выпрямители

- Инверторы

- Преобразователи частоты и числа фаз

- Преобразователи напряжения

Выпрямитель -- преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Инвертор -- устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток с изменением величины напряжения или без и частоты. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде или дискретного сигнала.

Частотный преобразователь -- электронное устройство для изменения частоты электрического тока (напряжения).

Преобразователь напряжения - устройство для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. Часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии.



Общая характеристика функциональных классов преобразовательной техники

Преобразователи переменного тока в постоянный

Преобразователем переменного тока в постоянный является выпрямитель.

Выпрямитель -- преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, апульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию -- преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток -- называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).



Классификация

Рисунок 1 - Ртутный выпрямитель

преобразователь ток постоянный техника

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

1) По виду переключателя выпрямляемого тока

- механические синхронные с щёточно-коллекторным коммутатором тока

- механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока

- с электронной управляемой коммутацией тока (тиристорные)

- электронные синхронные (транзисторные) -- как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией

- с электронной пассивной коммутацией тока (диодные)

2) По мощности

- силовые выпрямители

- выпрямители сигналов

3) По степени использования полупериодов переменного напряжения

- однополупериодные -- пропускают в нагрузку только одну полуволну

- двухполупериодные -- пропускают в нагрузку обе полуволны

- неполноволновые -- не полностью используют синусоидальные полуволны

- полноволновые -- полностью используют синусоидальные полуволны

4) По схеме выпрямления

- мостовые

- с умножением напряжения

- трансформаторные

- с гальванической развязкой

- бестрансформаторные

5) По управляемости

- неуправляемые (диодные)

- управляемые (тиристорные)

6) По количеству каналов

- одноканальные

- многоканальные

7) По величине выпрямленного напряжения

- низковольтные (до 100В)

- средневольтовые (от 100 до 1000В)

- высоковольтные (свыше 1000В)

8) По назначению

- сварочный

- для питания микроэлектронной схемы

- для питания ламповых анодных цепей, для гальваники

9) По степени полноты мостов

- полномостовые

- полумостовые

- четвертьмостовые

10) По наличию устройств стабилизации

- стабилизированные

- нестабилизированные

11) По количеству используемых фаз

- Однофазные

- Двухфазные

- Трёхфазные

- Многофазные

12) По типу электронного вентиля

- Полупроводниковые диодные

- Полупроводниковые тиристорные

- Ламповые диодные (кенотронные)

- Газотронные

- Игнитронные

- Электрохимические

13) По управлению выходными параметрами

- Регулируемые

- Нерегулируемые

14) По индикации выходных параметров

- Без индикации

- С индикацией (аналоговой, цифровой)

15) По способу соединения

- Параллельные

- Последовательные

- Параллельно-последовательные

16) По способу объединения

- Раздельные

- Объединённые звёздами

- Объединённые кольцами

17) По частоте выпрямляемого тока

- Низкочастотные

- Среднечастотные

- Высокочас

Применение

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.

Блоки питания аппаратуры

Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.

Выпрямители электросиловых установок

- Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков.

Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют большую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.

- Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах -- вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двух полупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

- железнодорожной тяги

- городского электротранспорта

- электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)

- питания приводов прокатных станов

- возбуждения генераторов электростанций

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 -- 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

- Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

- Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

- Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

- Установки очистки и обессоливания воды

- Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро)

- Для несинхронной связи энергосистем переменного тока

- Для дальней передачи электроэнергии постоянным током

Выпрямители высокочастотных колебаний

- в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.

- в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии.

Детектирование высокочастотного сигнала

В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.

Рисунок 2 - Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя



Демодулятор амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов ёмкости и сопротивления выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты, при превышении амплитуды полупериодов несущей выше напряжения на конденсаторе ёмкость заряжается, при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал.



Преобразователи переменного тока в постоянный без изменения параметров

Преобразователем переменного тока в постоянный без изменения параметров являются диодные выпрямители.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) -- основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию -- пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.



Типовые схемы

Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора -- источника переменного тока -- принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора -- должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой -- на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Однофазные выпрямители

- Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Рисунок 3 - Однополупериодный выпрямитель

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.

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:

§ 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.

- Полумост

На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура-Делона-Гренашера».

Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».

- Полный мост (Гретца)

Рисунок 4 - Полный мост

На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем. Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.

Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах --

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°

- Два четвертьмоста параллельно ("двухполупериодный со средней точкой")



Рисунок 5 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе

Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Рисунок 6 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.

Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции y=Em*(sin(w*t))І.

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно, больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора.

Частота пульсаций равна , где -- частота сети.

- Два полных моста параллельно

Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом.

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 90°

- Два четвертьмоста параллельно

- Два полумоста параллельно

- Два полумоста последовательно

- Два полных моста параллельно

На двух параллельных полных мостах.

Площадь под интегральной кривой равна:



Средняя ЭДС равна: то есть в раз больше, чем в однофазном полномостовом.

В режиме холостого хода и близких к нему ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратно смещает (закрывает) диоды моста с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно. При увеличении нагрузки (уменьшении) появляются и увеличиваются отрезки периода, на которых оба моста работают параллельно на общую нагрузку, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно. В режиме короткого замыкания оба моста работают параллельно на нагрузку на всём периоде, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

- Два полных моста последовательно

На двух последовательных полных мостах.

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом.

Трёхфазные выпрямители

- Три четвертьмоста параллельно (схема Маткевича)

Наиболее распространены трёхфазные выпрямители по схеме Миткевича В. Ф. (на трёх диодах, предложена им в 1901 г.) и по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах, предложена в 1923 г.).

Выпрямитель по схеме Миткевича является четвертьмостовым параллельным, по схеме Ларионова -- полумостовым параллельным.

Рисунок 7 - Три четвертьмоста параллельно (Миткевича В. Ф.)

Рисунок 8 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)

Площадь под интегральной кривой равна:

ЭДС равна:

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды в ветвях с меньшей на данном отрезке периода ЭДС и относительное эквивалентное активное сопротивление равно сопротивлению одной ветви При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода, на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно и относительное эквивалентное активное сопротивление на этих отрезках равно В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Частота пульсаций равна , где -- частота сети.

- Три разделённых полумоста параллельно (три «с удвоением напряжения» параллельно)

- Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником («треугольник-Ларионов»)

Рисунок 9 - Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником

Рисунок 10 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)



В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.

В выпрямителе "треугольник-Ларионов" потери в меди больше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».

Кроме этого, выпрямители Ларионова А.Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.

В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: , то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.

В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (). Малый период равен 60° (р / 3), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (р / 6), которые зеркально симметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.

На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.

В начальный момент () ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,86*Em, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,86) и одинаковыми сопротивлениями по 3*r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3*r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,86, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема является параллельным включением двух ветвей, в одной из которых большая ЭДС и её сопротивление равно 3*r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2*3*r=6*r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно

Частота пульсаций равна , где -- частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна .
Относительная амплитуда пульсаций равна .

- Три полумоста параллельно, объединённые звездой («звезда-Ларионов»)

Рисунок 11 - Три полумоста параллельно, объединённые звездой



Рисунок 12 - Вид ЭДС схемы "Звезда-Ларионов"

Выпрямитель звезда-Ларионов (шестипульсный) применяется в генераторах электроснабжения бортовой сети почти на всех средствах транспорта (автотракторных, водных, подводных, воздушных и др.). В электроприводе тепловозов и дизель-электроходов почти вся мощность проходит через выпрямитель звезда-Ларионов.

Площадь под интегральной кривой равна:

.

Средняя ЭДС равна:

,

то есть в раз больше, чем в схемах «треугольник-Ларионов» и «три параллельных полных моста» и вдвое больше, чем в схеме Миткевича.

В этом выпрямителе есть большой период равный 360° и малый период, равный 60°. В большом периоде помещаются 6 малых периодов. Малый период в 60° состоит из двух зеркально симметричных частей по 30°, поэтому для описания работы этой схемы достаточно разобрать её работу на одной части в 30° малого периода.

В начале малого периода () ЭДС в одной из ветвей равна нулю, в двух других -- по 0,86*Em. Эти две ветви включены последовательно. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно Далее, одна из ЭДС. увеличивается от 0,86 до 1,0, другая уменьшается от 0,86 до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5.

Эквивалентная схема при этом представляет собой две последовательно включенные ветви, в одной из которых одна ЭДС и её сопротивление равно сопротивлению одной обмотки 3*r, в другой две параллельно включенные ЭДС с сопротивлением 3*r каждая, эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей равно 3*r/2. Эквивалентное активное внутреннее сопротивление всей цепи равно. В режимах близких к холостому ходу (при малых нагрузках) в параллельных ветвях э.д.с. в ветви с большей э.д.с. обратносмещает (закрывает) диод в ветви с меньшей э.д.с., при этом изменяется эквивалентная схема. При увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на нагрузку параллельно. В режиме короткого замыкания отрезки параллельной работы увеличиваются до длины всего периода, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Частота пульсаций равна , где -- частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна

.

Относительная амплитуда пульсаций равна .

- Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно (6 диодов)



Рисунок 13 - Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно (6 диодов)

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.

Площадь под интегральной кривой равна:

.

Средняя ЭДС равна: , то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

- Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.

- Три полных моста параллельно (12 диодов)

Рисунок 14 - Три полных моста параллельно (тип 1)

Рисунок 15 - Три полных моста параллельно (тип 2)

Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А.Н.

По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А.Н., а выпрямитель Ларионова А.Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».



Рисунок 16 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)

Площадь под интегральной кривой равна:

.

Средняя ЭДС равна: , то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно сопротивлению одного моста При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Выпрямитель «три параллельных полных моста» на холостом ходу имеет такую же среднюю ЭДС, как в выпрямителе «треугольник-Ларионов» и такие же сопротивления обмоток, но, так как у него схема с независимыми от соседних фаз диодами, то моменты переключения диодов отличаются от моментов переключения диодов в схеме «треугольник-Ларионов». Нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.

Частота пульсаций равна , где -- частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна

.

Относительная амплитуда пульсаций равна .

- Три полных моста последовательно (12 диодов)

Рисунок 17 - Три полных моста последовательно (12 диодов)

Площадь под интегральной кривой равна:



Средняя ЭДС равна: , то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».

Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть .

Частота пульсаций равна , где -- частота сети.

Этот выпрямитель имеет наибольшую среднюю ЭДС и может найти применение в высоковольтных источниках напряжения (в установках электростатической очистки промышленных и др.).

N-фазные выпрямители

Как и трёхфазные, многофазные выпрямители могут быть полномостовыми, полумостовыми и четвертьмостовыми, параллельными раздельными, параллельными объединёнными звёздами, параллельными объединёнными кольцами, последовательными, параллельно-последовательными.

Двенадцатипульсовый статический выпрямитель

Представляет собой параллельное (или иногда последовательное) включение двух выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз входных трёхфазных токов. При этом вдвое увеличивается число выпрямленных полупериодов по сравнению с обычным выпрямителем Ларионова из-за чего уменьшается относительная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения и вдвое увеличивается частота пульсаций выпрямленного напряжения, что также облегчает сглаживание выпрямленного напряжения.



Выпрямители с умножением напряжения

Выпрямители с умножением напряжения применяются в тех случаях, когда по каким-то причинам входное переменное напряжение должно быть ниже, чем выходное постоянное. К примеру, в отечественных телевизорах, начиная с некоторых моделей от последних серий УЛПЦТИ и вплоть до 4УСЦТ применялся умножитель высокого напряжения в цепи анода кинескопа.

- Выпрямитель Вилларда

Состоит из конденсатора, включенного последовательно с обмоткой, и диода, включенного параллельно нагрузке. Во время отрицательного полупериода ток течёт по цепи: «источник переменного тока -- конденсатор -- диод», конденсатор заряжается. Во время положительного полупериода заряженный конденсатор включается последовательно с трансформатором, напряжения на них складываются.

Особенность данного выпрямителя в том, что в качестве сглаживающего фильтра обязательно должен использоваться дроссель, так как конденсатор во время отрицательного полупериода будет разряжаться.

- Выпрямитель Грейнахера

Этот выпрямитель содержит 2 диода. Принцип действия тот же, что и у выпрямителя Вилларда, но в качестве сглаживающего фильтра можно использовать конденсатор. Такая схема часто используется в качестве амплитудного детектора в радиоприёмниках.

- Мостовой удвоитель напряжения

Мостовой удвоитель напряжения напоминает мост Гретца, но в отличие от него в одном из плеч моста вместо диодов установлены конденсаторы. За счёт этого во время каждой полуволны во входную цепь подключается то один, то другой конденсатор, а напряжение на выходе выпрямителя складывается из напряжений на двух конденсаторах.



Преобразователи переменного тока в постоянный с изменения параметров

Преобразователем переменного тока в постоянный с изменением параметров являются тиристорные выпрямители.

Тиристорные выпрямители охватывают средний и верхний диапазоны мощностей. Именно при высоких выходных напряжениях и больших токах тиристор -- наиболее удачный полупроводник в электротехнике. Управление осуществляется комбинированным транзисторно-тиристорным силовым элементом. Как правило, в выпрямителях применяются мостовые коммутируемые схемы выпрямления. Тиристорные выпрямители применяются как для непосредственного питания потребителей, так и, одновременно, для подзаряда аккумуляторных батарей в устройствах бесперебойного электропитания.



Типовые схемы

Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах

На первых двух рисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 в (Рисунок 18) и от 0,5 до 15 в (Рисунок 19).

В течение одного полупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катода напряжение.

Рисунок 18 - Принципиальная схема выпрямителя №1

Пока на управляющий электрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска, тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольный угол задержки б между напряжениями на управляющем электроде и катоде прикладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание тока через тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярности напряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величины управляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинает работать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению к приложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания тока и приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленного тока (напряжения) нагрузки от максимума (б = 0) до нуля (б = р). Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. Диоды Д3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время, когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широких пределов регулировки б (0 -- р) применены RC - цепи.

В выпрямителе (Рисунок 19) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и в отрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, что приводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, к уменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этого явления включен диод Д3.



Рисунок 19 - Принципиальная схема выпрямителя №2

Тиристоры для выпрямителя (Рисунок 18) желательно выбирать с близким значением сопротивления участка управляющий электрод -- катод. Если не удается подобрать одинаковые тиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительного сопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величины сопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток. Поочередно отключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя. Переменное сопротивление величиной 10 кОм подключается параллельно управляющему электроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток. Изменяя величину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.

Учитывая разброс параметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 и R2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется как остаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение не приводит к увеличению тока нагрузки. Максимальная величина R1 ограничивается сопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю. Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см (Рисунок 18), 250 кв.см - (Рисунок 19). Во всех вариантах использован трансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят провод марки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм. Данные вторичных обмоток: для варианта на Рисунок 18 - число витков 2х60 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на Рисунок 19 - число витков 2х64 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.



Преобразователи постоянного тока в переменный

Преобразователями постоянного тока в переменный являются инверторы.

Инвертор -- устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток[1] с изменением величины напряжения или без и частоты. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде или дискретного сигнала.

Различают управляемы и неуправляемые инверторы. Управляемые инверторы выполняются на базе тиристоров(однофазные инверторы), неуправляемые выполняются на базе диодов(трехфазные, n-фазные инверторы).

Преобразователи постоянного тока в постоянный без изменением параметров

Преобразователями постоянного тока в постоянный без изменением параметров явряются однофазные инверторы.

Однофазный инвертор

Инвертор автомобильный. Преобразует постоянное напряжение бортовой сети (12В) в переменное напряжение бытовой электросети (220В).

Рисунок 20 - Синусоида, снятая в сети 220

Верхушки срезаны из-за большого числа импульсных преобразователей

Рисунок 21 - Модифицированный синус, снятый с ИБП

Модифицированный синус, снятый с ИБП, работающего от аккумулятора

Существуют несколько групп инверторов, которые различаются по стоимости примерно в 15 раз:

§ Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синусоидальное выходное напряжение.

§ Вторая группа обеспечивает выходное напряжение упрощённой формы, заменяющей синусоиду. Чаще всего используется сигнал в виде трапецеидального синуса

Для подавляющего большинства бытовых приборов допустимо использовать переменное напряжение с упрощённой формой сигнала. Синусоида важна только для некоторых телекоммуникационных, измерительных, лабораторных приборов, медицинской аппаратуры, а также профессиональной аудио аппаратуры. Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц.

Существуют три режима работы инвертора:

§ Режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.

§ Режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.

§ Режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок.

В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 1,5-2 раза превышающую номинальную. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника. Как правило, мощность инвертора примерно равна либо выше расчётной мощности ветроустановки.

Преобразователи постоянного тока в постоянный с изменением параметров

Преобразователями постоянного тока в постоянный с изменением параметров являются трехфазные инверторы и N-фазные инверторы.

Трёхфазные инверторы

Рисунок 22 - Тиристорный (GTO) тяговый преобразователь по схеме «Ларионов-звезда»

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора.

Высокомощные трёхфазные инверторы применяются в тяговых преобразователях в электроприводе локомотивов, теплоходов, троллейбусов (например, АКСМ-321), трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева[2]).

На рисунке приведена схема тиристорного тягового преобразователя по схеме «Ларионов-звезда». Теоретически возможна и другая разновидность схемы Ларионова «Ларионов-треугольник», но она имеет другие характеристики (эквивалентное внутреннее активное сопротивление, потери в меди и др.).

N-фазные инверторы

Однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные инверторы строят по таким же схемам, как и однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные выпрямители, только вместо диодов ставят ключи, тиристорные (GTO), транзисторные (IGBT, БСИТ) или др.

Конденционеры электроэнергии

Кондиционер электроэнергии - стабилизатор напряжения или тока.

Стабилизатор напряжения -- преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.



Стабилизаторы постоянного тока

Рисунок 23 - Микросхема линейного стабилизатора КР1170ЕН8

Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin -- Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора -- простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

§ Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

§ Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

§ Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.

§ Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

§

- Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Рисунок 24 - Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.

- Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе



Рисунок 25 - Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Основными моментами, необходимыми для понимания работы этого стабилизатора, являются:

1) Напряжение Ube практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. В расчётах схем на биполярных транзисторах чаще всего используют именно такое значение, реже 0,7В. Это напряжение, необходимое для преодоления так называемого потенциального барьера p-n перехода, существующего между областями эмиттера и базы;

2) Напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон и равно напряжению стабилизации стабилитрона.

Но выходное напряжение Uout = Uz -- Ube. То есть выходное напряжение Uout постоянно и не зависит от тока, протекающего по нагрузке. Можно сказать, что выходное напряжение не зависит от величины нагрузки RL.

Изменения входного напряжения Uin (если оно несколько больше ожидаемого выходного напряжения) также не приводят к изменениям выходного напряжения Uout. Вариант объяснения работы этого стабилизатора, начинающийся с предположения об изменении выходного напряжения Uout с последующей компенсацией за счёт изменения тока, не даёт понимания откуда берётся первоначальное изменение Uout. На самом деле незначительные изменения Uout вызваны незначительными изменениями напряжений Ube=0,6 В и Uz, вызванными изменениями протекающих через них токов. А причиной изменения токов является изменение величины нагрузки RL + изменение входного напряжения Uin.

- Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Рисунок 26 - Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения Uout снимаемая с потенциометра R2 сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1, разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними -- широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

§ Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.