методичка - РГР Выпрямитель

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Расчет

выпрямительного

устройства

вторичного линейного источника питания.

Методические указания по дисциплине «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств» для студентов очного отделения.

Шилин Александр Борисович [Выберите дату]

1

2

РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ЛИНЕЙНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

1 Задание на расчетную работу.

Рассчитать выпрямительное устройство по следующим исходным данным:

-среднее значение выпрямленного тока в нагрузке I0, А;

-среднее значение выпрямленного напряжения в нагрузке U0Н, В;

-допустимый коэффициент пульсаций напряжения в нагрузке КПН, %;

-диапазон рабочих температур Т = - 20 … 500 С;

-напряжение питающей сети Uс = 220 В; частота fс = 50 Гц.

Построить нагрузочные характеристики рассчитанного выпрямительного

устройства.

Смоделировать работу рассчитанного выпрямительного устройства в среде

Multisim 11 (или аналогичной). Привести осциллограммы напряжений на выходе выпрямительного звена и в нагрузке. Если используется многозвенный фильтр, то

привести осциллограммы напряжений на выходе каждого звена.

Вариант исходных данных выбирается из таблицы 1 согласно порядковому

номеру студента в журнале.

Таблица 1 Варианты исходных данных для расчетной работы.

3

2 Методические указания.

Для работы выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки,

включенной на выходе выпрямительного звена, то есть схема сглаживающего фильтра [1]. Принято различать следующие основные режимы работы выпрямителя:

-работа на активную нагрузку;

-работа на активно-емкостную нагрузку;

-работа на активно-индуктивную нагрузку;

-работа на смешанную нагрузку;

-работа на противо-ЭДС [2].

Выпрямители с активной нагрузкой, то есть без сглаживающего фильтра,

применяются редко и в тех случаях, когда пульсации напряжения на нагрузке не имеют существенного значения. В отдельных случаях сглаживающий фильтр отсутствует в схемах многофазных выпрямителей, имеющий малую пульсацию выпрямленного напряжения (за счет большой пульсности схемы).

Выпрямители, работающие на фильтр, начинающийся с ёмкости (с емкостной реакцией), используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей имеют большую габаритную мощность по сравнению с выпрямителями с индуктивным фильтром. К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относится большая амплитуда тока через диод.

Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт [1] и при токах свыше 1 А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра позволяет ограничить импульсы тока через диод, но приводит к перенапряжениям, возникающим на выходной емкости и на дросселе фильтра при включении, выключении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя (диодов) и его нагрузки.

4

Режим работы выпрямителя на противо-ЭДС имеет место при питании устройств, накапливающих значительных объем энергии, таких как аккумуляторы или двигатели постоянного тока.

Режим отпирания диода на емкостную цепь (нагрузку) и запирания на индуктивную часто называют жестким. И наоборот, режим отпирания диода на индуктивную цепь и запирания на емкостную называют мягким. Жесткие режимы переключения диодов сопровождаются, как правило, кратковременной перегрузкой по току для емкостной нагрузки и по напряжению – для индуктивной.

Одновременно жесткие режимы переключения диодов являются источником значительных помех [2].

Разные формы токов в фазе и их продолжительность при одной и той же величине тока нагрузки приводят к тому, что методы расчета выпрямителей с различным характером нагрузки существенно различаются.

2.1 Расчет выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку.

Выпрямители для работы на емкостную нагрузку (в этих выпрямителях сглаживающий фильтр начинается с емкости С0, рис. 1) применяются во вторичных источниках электропитания (ВИЭП) малой мощности (с токами нагрузки до 1 А).

Рисунок 1 – Мостовой выпрямитель, работающий на емкостную нагрузку.

Выбор схемы.

При работе выпрямителя с емкостным фильтром обычно используются схемы,

приведенные на рис. 2. Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов,

которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К таким факторам относят выпрямленное

5

напряжение и мощность, частота пульсаций выпрямленного напряжения, число диодов, обратное напряжение на диоде, коэффициент использования мощности трансформатора, напряжение вторичной обмотки. Повышенная частота пульсаций позволяет уменьшить размеры сглаживающего фильтра. При увеличении коэффициента использования мощности трансформатора, который равен отношению выпрямленной модности к габаритной мощности трансформатора,

габариты последнего уменьшаются, а КПД выпрямителя, как правило, возрастает.

Это следует учитывать при выборе схем для выпрямителей повышенной мощности.

Рисунок 2 – Схемы выпрямителей с емкостным фильтром.

При выборе схемы для высоковольтных выпрямителей необходимо учитывать, что снижение напряжения вторичной обмотки трансформатора позволяет уменьшить межслойную изоляцию и, следовательно, размеры

6

трансформатора. Сравнительные данные параметров различных схем выпрямления приведены в таблицах 2, 3. Частота пульсаций выпрямленного напряжения f~ = mfc,

значения m указаны в таблице 2.

Однополупериодную схему (рис. 2, а) обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризуется плохим коэффициентом использования мощности трансформатора.

Двухполупериодную схему со средним выводом вторичной обмотки (рис. 2, б)

применяют в низковольтных выпрямителях. По сравнению с однофазной мостовой схемой она позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери.

Однофазная мостовая схема (рис. 2, в) характеризуется высоким коэффициентом использования мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт.

Симметричная схема удвоения напряжения (рис. 2, г) представляет собой последовательное соединение двух однополупериодных схем и применяется при повышенных выпрямленных напряжениях (до 1 – 2 кВ) в устройствах различной мощности при небольших токах.

Несимметричные схемы с умножением напряжения применяются при очень малых токах нагрузки, то есть в режиме, близком к холостому ходу. Одна из таких схем показана на рис. 2, д. В этой схеме выпрямленное напряжение почти в 5 раз больше амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора, так как коэффициент умножения kумн, равный число диодов или конденсаторов, в данном случае равен 5. Увеличение или уменьшение выпрямленного напряжения достигается соответственно добавлением или исключением нужного числа каскадов,

каждый из которых состоит из одного диода и одного конденсатора. В схемах умножения частота пульсаций f~ = fc; обратное напряжение на диоде и напряжение на всех конденсаторах (кроме С1) равно удвоенному амплитудному значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. При нечетном числе каскадов по вторичной обмотке протекает постоянный ток, вызывающий вынужденное намагничивание трансформатора.

7

Выбор вентилей.

Определение электрических параметров диодов выпрямителя и трансформатора производится по формулам, приведенным в таблице 2.

Таблица 2 Формулы для расчета выпрямителя с емкостной нагрузкой.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!!!

При использовании LC-фильтра напряжение на выходе схемы выпрямления

U0 определяется (с учетом падения напряжения на дросселе фильтра) по формуле:

(1)

8

Рисунок 3 - Графики для определения падения напряжения на дросселе фильтра.

Если в выпрямительном устройстве используется многозвенный LC-фильтр,

Расчет основных параметров для выбора диодов

1. В соответствии с выбранной схемой выпрямления определяются основные параметры для выбора диодов:

Iпр.ср. – среднее значение прямого тока диода, А;

Uобр.и.п. – повторяющееся импульсное обратное напряжение на диоде, В;

Iпр.и.п. – повторяющийся импульсный прямой ток через диод, А, который затем уточняется с помощью формул таблицы 2;

fmax – максимальная частота выпрямленного напряжения (параметр важен при расчете выпрямительного устройства импульсного источника питания).

2. По приложению 1 выбирается тип диода с параметрами Iпр.ср.мах, Uобр.и.мах и Iпр.и.мах, которые превышают соответствующие значения, определенные в п. 1.

9

Необходимо учитывать, что при повышении окружающей температуры прямое падение напряжения на кремниевых диодах уменьшается, обратный ток увеличивается, а допустимое значение выпрямленного тока снижается. Поэтому важно следить за соответствием выбранного типа диодов температурным условиям,

при которых будет эксплуатироваться разрабатываемое выпрямительное устройство. Также требуется учитывать температурный режим работы выпрямителя. Если это нужно, то использовать вместо естественного принудительное охлаждение, либо выбирать вентильные элементы, рабочая температура которых выше внутрисистемной.

При отсутствии диодов с требуемыми параметрами Iпр.ср.мах, Uобр.и.мах и Iпр.и.мах можно использовать имеющиеся, соединив их параллельно или последовательно,

при этом их число при параллельном соединении Nпар и последовательном Nпосл

определяется по соотношениям:

(2а)

Полученный по формулам (2а) результат округляется до ЦЕЛОГО

значения в БОЛЬШУЮ сторону.

Общее число диодов в схеме выпрямления:

(2б)

где Kв – число вентильных элементов в выбранной схеме выпрямления (в

однополупериодной Kв = 1, в двухполупериодной Kв = 2, в мостовой Kв = 4).

Таким образом, для увеличения среднего прямого тока (Iпр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами (рис. 4).

Рисунок 4 – Параллельное включение диодов.

10