Павлович С.Н. 2 страница

Обмотки трехфазного трансформатора соединяют звездой или треугольником. Наиболее простым и дешевым способом является первый способ. В этом случае каждая обмотка и ее изоляция при заземлении нулевой точки рассчитываются на фазное напряжение и линейный ток; каждая обмотка требует меньшего количества витков при большем сечении провода. Такое соединение широко применяется для трансформаторов небольшой и средней мощности и наиболее желательно для обмоток высокого напряжения, так как изоляция рассчитывается лишь на фазное напряжение.

Соединение обмоток треугольником удобнее при больших токах и в тех случаях, когда нагрузки могут быть подключены без нулевого провода.

Применяется также комбинированное включение: первичные обмотки звездой, а вторичные треугольником или наоборот. Это дает возможность регулировать (в t wx:val="Cambria Math"/><w:i/><w:sz w:val="28"/><w:sz-cs w:val="28"/></w:rPr><m:t>3</m:t></m:r></m:e></m:rad></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> раз) вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением схемы соединения его обмоток.

Автотрансформаторы. В схемах электропитания РЭУ широко применяются и специальный вид трансформаторов – автотрансформаторы, особенностью которых является непосредственная электрическая связь между обмотками, а не только электромагнитная связь, как у двухобмоточных трансформаторах. Автотрансформаторы выполняются как повышающими, так и понижающими. На рис. 1.7, а приведена схема повышающего автотрансформатора. При подключении обмотки АБ к источнику переменного напряжения в магнитопроводе автотрансформатора возникает переменный магнитный поток Ф, который индуктирует в обеих частях обмотки w₁ и w₂ соответственно ЭДС Е₁ и Е₂ . На выходе трансформатора (между точками А и В) ЭДС равна сумме Е₁и Е₂ . В нагрузке возникает ток I₂, при этом трансформатор из сети потребляет ток I₁.

Токи I₁ и I₂ сдвинуты по фазе на 180^о и направлены в противоположные стороны. Поэтому в обмотке АБ протекает ток, равный I₁- I₂ .

Электромагнитная мощность автотрансформатора Р_эм= Е₂ I₂ = (U₂ - U₁ ) I₂ , где U₁и U₂ - входное и выходное напряжения автотрансформатора (рис. 1.7, а), а мощность, потребляемая нагрузкой Р₂= U₂ I₂, будет больше мощности Р_ЭМ . Следовательно, часть мощности, равная Р₂– Р_ЭМ = U₁ I₂, передается в нагрузку за счет непосредственной электрической связи между обмотками.

Рис. 1.7. Схемы повышающего (а) и понижающего (б) автотрансформаторов

На рис. 1.7, б показана схема понижающего автотрансформатора, в котором вторичная обмотка АБ является частью первичной обмотки АВ. Обмотка АБ является общей для первичной и вторичной цепей и по ней протекает ток, равный разности токов (I₂ - I₁). Так как ток I₁передается во вторичную цепь электрическим путем, то электрическая мощность, передаваемая нагрузке Р_Э= I₁U₂.

Полная мощность, потребляемая нагрузкой, Р ₂= I₂U₂. Часть мощности (Р₂- Р_Э) передается в нагрузку электромагнитным путем.

Таким образом, в автотрансформаторе передача мощности от источника электрической энергии в нагрузку происходит комбинированным путем (электрическим и электромагнитным). В этом состоит основное отличие автотрансформатора от обычного трансформатора. Поэтому габариты и масса у автотрансформатора меньше, чем у трансформатора той же мощности, меньше электрические и магнитные потери и выше КПД.

Автотрансформаторы могут быть и трехфазными; обмотки таких автотрансформаторов соединяются в звезду (рис. 1.8). В лабораторных установках для плавного регулирования напряжения от нуля до подводимого значения применяются лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы), в которых регулирование выходного напряжения осуществляется при перемещении скользящего контакта (ползунка) по виткам обмотки. Регуляторы напряжения такого типа выполняются однофазными и трехфазными.

Рис. 1.8. Схема трехфазного автотрансформатора

Особенности работы трансформаторов в ИВЭП. Основной особенностью работы трансформаторов в ИBЭП является включение в их вторичную обмотку диодов - устройств, обладающих односторонней проводимостью. При работе однофазного трансформатора в схеме однополупериодного выпрямления (рис.1.9, а) ток во вторичной обмотке этого трансформатора Т₂является пульсирующим (он создается только положительными полуволнами вторичного напряжения (рис. 1.9, б). Этот пульсирующий ток имеет две составляющие: постоянную I₀ и переменную i_~ = i₂- I₀.

Рис. 1.9. К работе трансформатора в схемах выпрямления: а – однофазная однополупериодная схема выпрямления; б – диаграмма напряжения и тока в цепи вторичной обмотки

Пренебрегая током холостого хода, уравнение МДС можно записать так:

i₁w₁+ i_~ w₂+ I₀w₂= 0 .

В первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока, поэтому МДС I₀w₂остается неуравновешенной и создает в магнитопроводе трансформатора постоянный магнитный поток Ф₀, называемый потоком вынужденного намагничивания. Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода. Для того, чтобы это насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить сечение магнитопровода. Это приводит к увеличению расхода стали и меди, т.е. ведет к повышению габаритов, массы и стоимости трансформатора.

В двухполупериодных схемах выпрямления, когда ток во вторичной обмотке создается в течение обоих полупериодов, условия работы трансформатора оказываются намного лучше и неуравновешенных МДС не возникает.

В ИВЭП с бестрансформаторным входом трансформаторы работают на повышенной рабочей частоте (см. рис. В.3), что позволяет значительно снизить их габариты и массу.

Раздел 2.Выпрямители с активной и реактивной нагрузкой(10 часов)

Лекция 4.Тема 2.1. Неуправляемые и управляемые полупроводниковые вентили(2 часа)

Неуправляемые полупроводниковые вентили. Для преобразования переменного тока в постоянный широко применяются полупроводниковые вентили – приборы с односторонней проводимостью, сопротивление которых для тока одного направления намного меньше сопротивления для тока обратного направления.

На рисунке 2.1 приведены условное обозначение неуправляемого вентиля – полупроводникового диода и его вольт – амперная характеристика (ВАХ), показывающая зависимость протекающего по нему тока от приложенного к его электродам (аноду А и катоду К) напряжения, т. е. i_в=f (U_в). Направление тока, при котором диод имеет малое сопротивление, называется прямым (или проводящим), противоположное направление называется обратным (или запирающим). На ВАХ диода различают две ветви: прямую с двумя характерными участками О – А и А – Б и обратную с тремя характерными участками О – В, В – Г и Г – Д. Участок О – А характеризуется относительно высоким сопротивлением, а участок А – Б, являющийся основным рабочим прямой ветви, - низким сопротивлением, участок В – Г определяет небольшой обратный ток диода. Участок Г – Д имеет резкий перелом, что объясняется увеличением обратного тока вследствие пробоя pn–перехода. Значения отношений прямых и обратных токов в современных диодах достигают 10³…10⁵, а отношения допустимого обратного напряжения к прямому падению напряжения составляют 10²…10³.

Рис. 2.1. Полупроводниковый диод: а – условное обозначение; б – вольт-амперная характеристика

Таким образом, при положительной разности потенциалов между анодом и катодом диод открывается и проводит ток в прямом направлении, а при отрицательной разности потенциалов – диод закрывается и практически не проводит тока. Это основное свойство диода лежит в основе работы всех видов выпрямителей.

Основные параметры диодов:

1. I_{пр. ср. max}, А, - максимально допустимый средний прямой ток.

2. U_{обр. и. max}, В, - максимально допустимое импульсное обратное напряжение, которое диод выдерживает, не подвергаясь пробою.

3. U_{пр. ср}, В, - среднее прямое напряжение (падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода в открытом состоянии) при токе I _{пр. ср}.

4. r_диф., Ом, - дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении (отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока в нем).

5. Интервал температур окружающей среды и др. (влажность, давление и т.п.).

Выбор типа диодапроизводиться по справочнику, при этом определяющими являются первые два параметра: I_{пр. ср. max}и U_{обр. и. max}, которые должны превышать соответствующие параметры выбранной схемы выпрямления.

У подобранных диодов по указанным параметрам предпочтение следует отдать тем, у которых U_{пр. ср} наименьшее.

В ИВЭП с высокочастотным преобразованием энергии следует использовать импульсные или высокочастотные диоды.

Управляемые полупроводниковые вентили. К ним относятся тиристоры (триодные), не проводящие в обратном направлении. Тиристор – это четырехслойный p-n-p-n полупроводниковый прибор (рисунок 2.2), который используется в качестве электронного ключа. Он включается при подаче на управляющий электрод УЭ короткого положительного импульса при положительном напряжении на аноде А по отношению к катоду К. В открытом состоянии прямой ток через тиристор ограничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор изменением полярности анодного напряжения или уменьшением тока через него до значения меньше тока удержания I_уд.т.

Рис. 2.2. Структура и вольт-амперная характеристика тиристора

Для тиристора различают параметры, относящиеся к цепи основного тока и к цепи управления. Основная цепь тиристора характеризуется прямым током I_{пр. т}, напряжением включения U_вкл..т, током включения I_вкл.ти током удержания I_уд.т. Цепь управления (как pn-переход) характеризуется напряжениями в прямом и обратных направлениях.

Номинальное рабочее напряжение тиристора должно выбираться с запасом

U_ном.т=(0,6…0,7)U_вкл.т, а номинальное обратное напряжение на тиристоре не должно превышать (0,6…0,7)U_обр._max.т.

Тиристоры выпускаются на токи от сотен мА до сотен ампер, с обратными допустимыми напряжениями до 1000 В и более. Тиристоры широко применяются в управляемых выпрямителях.

Основным недостатком тиристоров является зависимость их параметров от температуры. Поэтому для стабилизации их параметров при изменении температуры применяют радиаторы и другие способы охлаждения (как и для охлаждения диодов и транзисторов).

Для обеспечения больших токов нагрузки диодов применяют параллельное их соединение, при этом для выравнивания токов (из-за несовпадения их ВАХ) последовательно с ними (в маломощных выпрямителях) устанавливаются резисторы с одинаковыми сопротивлениями (рисунок 2.3). Однако эти резисторы уменьшают КПД схемы. Для включения диодов параллельно без уравнительных резисторов применяют заведомо увеличенное их число (для исключения их перегрузки).

В мощных выпрямителях вместо резисторов последовательно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы (дроссели с сердечниками L1, L2). На них при протекании тока создается противо-ЭДС, пропорциональная току, что и приводит к выравниванию токов дросселей, а значит и диодов.

Для увеличения обратного допустимого напряжения диоды соединяют последовательно, а для выравнивания обратных напряжений на диодах их шунтируют высокоомными резисторами (рисунок 2.3, г).

Если диоды включаются последовательно без шунтирующих резисторов, то увеличивают их число. В выпрямителях большой мощности применяются шунтирующие RC-цепочки (рисунок 2.3, д), иногда только конденсаторы.

Рис. 2.3. Параллельное и последовательное соединение диодов

Лекция 5. Тема 2.2. Выпрямители с активной нагрузкой(2 часа)

Главное применение полупроводниковых диодов – это выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение еще содержит переменные составляющие, называемые пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Коэффициентом пульсаций К_пназывается отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения выпрямителя используется стабилизатор напряжения.

Основными схемами выпрямления переменного тока являются:

* однополупериодная,

* двухполупериодная,

* мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителя изображена на рис. 2.4, где Т - трансформатор, VD - полупроводниковый диод, R - нагрузка.

Рис. 2.4. Схема однополупериодного выпрямителя

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки трансформатора подан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, диод пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. В результате через нагрузку протекает пульсирующий переменный ток (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Форма тока через нагрузку от однополупериодного выпрямителя

Среднее за период значение тока, выпрямительного однополупериодным выпрямителем,

I₀= I_m / p ,

где I_m – амплитуда тока.

Среднее постоянное напряжение на нагрузке

U₀= I₀R = U_m / p - I₀R_d ,

где R_d –прямое сопротивление диода.

Без нагрузки (I₀ =0) напряжение на зажимах выпрямителя будет равно среднему за период значению положительной полуволны синусоида:

U₀= U_m / p = 0,318 U_m = 0,45 U ,

где U – действующее значение переменного напряжения. При увеличении тока нагрузки напряжение на ней уменьшается на величину падения напряжения на диоде (I₀R_d ).

Во время отрицательного полупериода, когда диод закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора. Поэтому наибольшее обратное напряжение на диоде

U_обр = U_m = U₀ .

Отсюда видно, что обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает среднее выпрямленное напряжение U₀.

Однополупериодная схема выпрямления используется редко, так как вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода. Из–за этого повышается габаритная мощность трансформатора (примерно в 3 раза по сравнению с мощностью выпрямленного тока). Кроме этого, выпрямленное напряжение имеет очень большой коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

Двухполупериодная схема выпрямления изображена на рис. 2.6., в которой используется трансформатор (Т) с отводом от середины вторичной обмотки. Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD₁ и VD₂ открываются в разные полупериоды переменного напряжения. Поэтому ток через нагрузку протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 2.7).

Каждый диод работает здесь как в однополупериодной схеме выпрямления. Токи диодов складываются на нагрузке. Поэтому постоянные значения выпрямленного тока и напряжения

I₀ = ; U₀ = I₀R = – I₀ R_d .

Рис. 2.6. Схема двухполупериодного

выпрямителя

При отсутствии нагрузки (I₀ =0) выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Максимальное обратное напряжение в двухполупериодном выпрямителе, которое действует на каждый диод в закрытых состояниях, равно сумме амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки трансформатора:

U_обр = 2U_m =2πU₀/2 = πU₀ .

Ток, протекающий через каждый диод,

I_d = I₀/2 = I_m/π .

Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме выпрямления значительно ниже, чем в однополупериодной схеме. Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Ее недостатками являются: необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме (рис. 2.8). Диагональ АВ моста подключается к вторичной обмотке трансформатора Т, а диагональ СD - к нагрузке R.

Рис. 2.8. Мостовая схема выпрямителя

Рис. 2.7. Форма тока на нагрузке от двухполупериодного выпрямителя

Полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменяется каждую половину периода. В результате при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток проходит в течение полупериода по цепи: А®VD₁® C®R ®D®VD₃® В ®А.

Таким образом, выпрямительный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой трансформатора. Поэтому

I₀ = и U₀ = I₀R = – I₀R_d .

Без нагрузки (I₀=0) напряжение на зажимах выпрямителя

U₀ = .

В мостовой схеме для получения такого же значения выпрямленного напряжения, как в схеме с трансформатором со средней точкой, требуется трансформатор с вдвое меньшим числом витков во вторичной обмотке. Поэтому обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки трансформатора:

U _обр= U_m = 1,57 U_{0 .}

Действующее значение тока, протекающего через вторичную обмотку трансформатора в мостовой схеме,

I = = 1,11·I₀,

а через диод I_d = I/2 = 0,555 I₀ , так как ток через каждый диод протекает только в течение одного полупериода.

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такие же, как в схеме с отводом от середины вторичной обмотки трансформатора.

Рассмотрим теперьтрехфазные схемы выпрямления. Простейшая трехфазная схема выпрямления с нейтральной точкой(или нулевая схема) представлена на рис. 2.9, а. В такой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора могут соединяться звездой или треугольником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом случае в каждый момент выпрямительный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с зажимом обмотки, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению к нейтральной (или нулевой) точке трансформатора. Поэтому выпрямленное напряжение изменяется по кривой, являющейся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 2.9, б). Переключение диодов происходят в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжения. На нагрузке R токи, проходящие через три диода, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме U₀ =1,17 U_ф, а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый диод, I_d = I₀ / 3.

Обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, та как диоды подключены анодами к каждой из фаз, а катодами к другой фазе через открытый диод:

U_обр = 3 2U_ф = 2,09 U₀.

Рис. 2.9. Трехфазная нулевая схема выпрямителя

Рис. 2.10. Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока

Существенным недостатком рассматриваемой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмотки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный поток. Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора. Поэтому рассмотренную схему выпрямления применяют только в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока изображена на рис. 2.10. В ней сочетаются принципы рассмотренной выше однофазной мостовой схемы и схемы многофазного выпрямления. В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления тока не нужна. Поэтому первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться как звездой, так и треугольником.

Шесть диодов образуют две группы – нечетную VD₁, VD₃ и VD₅ и четную VD₂, VD₄и VD₆. У нечетной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у четной группы – аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вторичных обмоток трансформатора. Поэтому пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются. В схеме рис. 2.10 в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у которого анод в этот момент имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал. Выпрямленное напряжение изменяется по огибающей с двойкой частотой пульсаций (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Форма выпрямленного напряжения на нагрузке от выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме выпрямления

Среднее значение выпрямленного напряжения в мостовой схеме

U₀= 1,35 U_л=2,34 U_{ф .}

Средний ток через диод I_д =I₀/3, причем этот ток проходит через два последовательно включенные диода. Обратное напряжение на каждом диоде равно амплитудному значению линейного напряжения:

U_обр= U_л= U_ф =1,045 I₀ .

В мощных выпрямителях в основном используется мостовая трехфазная схема. Она получила также широкое применение в управляемых выпрямителях, в которых путем регулирования моментов открывания и закрывания диодов (тиристоров) в широких пределах регулируют среднее значение выпрямленного тока.

Лекция 6. Тема 2.3.Выпрямители с емкостной нагрузкой(2 часа)

Работа выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией - это такой режим, при котором параллельно нагрузке включен конденсатор, что имеет место, когда первым элементом в сглаживающем фильтре является конденсатор. Рассмотрим работу выпрямителя на нагрузку емкостного характера, выполненного по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис. 2.12). Пусть процесс заряда и разряда конденсатора С является установившемся и напряжение на конденсаторе в момент t₀ имеет значение U_C₀. На интервале t₀ – t₁ диод VD закрыт, так как катод диода (точка К на схеме) имеет более высокий потенциал, чем его анод, и конденсатор С разряжается через нагрузку R_н с током i0 и постоянной времени τ_р=CR_н.

В момент t₁диод открывается, через него протекает ток i_VD в нагрузку, одновременно заряжается конденсатор: i_VD= i₀+i_з. Напряжение на конденсаторе увеличивается до момента t₂.

Затем при t₂ диод закрывается, конденсатор С разряжается до момента t₃ через нагрузку R_н, в которой ток i₀ имеет прежнее направление.

Из графика i_VD видно, что в схеме проявляется отсекающее действие конденсатора С по отношению к току диода, при этом время работы диода t_и увеличивается при уменьшении постоянной разряда конденсатора τ_р и при увеличении постоянной заряда конденсатора.

Из графика U₀(U_С) видно, что пульсации напряжения на нагрузке будут меньше при возможно большей постоянной времени разряда τ_р=CR_н.

Обратное напряжение на вентиле U_обр.(рис. 2.12, б, нижний график) складывается из напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U₂ и напряжения на конденсаторе, т. е. U_обр.н.п=2U₂_m.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒