Раздел 10 Преобразовательные устройства

Из всех видов энер­гии, наиболее широкое применение в настоящее время, имеет электрическая энергия, так как по сравнению с другими видами энергии (механической, тепловой, ядерной и др.) она обладает важными преимуществами:

- ее можно передавать на большие рас­стояния;

- достаточно просто распределять по потребителям;

- просто из­менять параметры (значение напряжения, число фаз и пр.);

- преобразовывать в механическую, тепловую и другие виды.

Преобладающая часть электрической энергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях враща­ющимися электрическими машинами, которые генерируют трех­фазное переменное напряжение частотой 50 Гц. Переменный ток находит широчайшее применение на промышленных предприя­тиях, в сельском хозяйстве и быту.

Однако в ряде важных областей техники нельзя обойтись без постоянного тока, основными потребителями которого являют­ся электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов; установки электро­химического покрытия металлом поверхности другого металла для повышения коррозионной стойкости, твердости и т.д., например никелирование и хромирование железа и пр.; устрой­ства для зарядки аккумуляторных батарей; двигатели постоян­ного тока на промышленных предприятиях и в электрифициро­ванном транспорте.

В настоящее время все более широкое применение получает переменный ток частотой 400-2500 Гц для питания электроин­струмента, высокоскоростных асинхронных двигателей и др. Применение повы­шенной частоты позволяет значительно снизить массу электро­магнитных устройств трансформаторов, электродвигателей и др.

Указанные факторы обусловливают необходимость преобразо­вания переменного тока в постоянный, изменения частоты тока, а порой приходится преобразовывать постоянный ток в перемен­ный, например, при рекуперативном торможении двигателей постоянного тока.

В настоящее время постоянный ток получают, как правило, непосредственным выпрямлением переменного тока с помощью электрических вентилей.

Источники питания

Источники питания предназначены для создания напряжений и токов, необходимых для питания электронной аппаратуры.

Источник питания иногда называют преобразователем, а процесс - преобразованием электроэнергии.

Источники питания относятся к силовой электронике - приборам, в которых электронные схемы используются для управления и преобразования электроэнергии.

Различают первичные и вторичные источники питания. Первичные – непосредственно преобразуют какой-либо вид энергии (механическую, внутреннею, химическую, тепловую, солнечную и т.д.) в электрическую. К первичным источникам относятся турбогенераторы, химические источники тока (батареи, аккумуляторы), термопары, солнечные батареи и д.р.

Вторичные источники питания осуществляют преобразование энергии первичного источника в необходимые величины питающего напряжения (тока). В стационарной аппаратуре источником чаще всего является сеть переменного тока напряжением 220 В, в переносной - химические источники тока.

Источники питания должны обеспечивать:

- допустимый уровень переменных составляющих в выходном постоянном напряжении;

- стабильность выходного напряжения (или тока) при измене­нии напряжения сети или тока нагрузки;

- заданную экономичность;

- устойчивость к перегрузкам и коротким замыканиям выход­ных зажимов;

- работоспособность в определенном диапазоне температур.

Функциональная схема источника питания классического типа показана на рис. 75.

Рисунок 75 - Функциональная схема источника питания

Трансформатор Т служит для преобразования пере­менного напряжения U₁ сети в необходимое напряжение U₂ и, кроме того, для гальванической развязки источника питания от сети.

Выпрямитель В, состоящий из выпрямительных дио­дов, преобразует переменное напряжение U₂ в постоянное пуль­сирующее напряжение U₃, а сглаживающий фильтр СФ преоб­разует его в постоянное напряжение U₄ с небольшими пульса­циями. Напряжение U₄, может быть использовано для питания каскадов аппаратуры, нормально работающих и при пульсациях (например, оконечных каскадов усилителей мощности звуковой частоты).

Стабилизатор напряжения СН предназначен для окончательного сглаживания пульсаций, а также создания на­пряжения U_Rн, которое мало зависит от напряжения U₁ сети и тока I_н нагрузки.

Для защиты выпрямителя от поврежде­ний при аварийных режимах в его схему может входить блок за­щиты и сигнализации. В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутство­вать отдельные элементы, например фильтр при работе выпря­мителя на нагрузку индуктивного характера или силовой тран­сформатор в случае бестрансформаторного включения выпря­мителя, что может иметь место в мостовых схемах выпрям­ления.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназ­наченное для преобразования электрической энергии переменно­го тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоян­ным током, а источником электрической энергии является ис­точник переменного тока, например промышленная сеть часто­той 50 Гц.

Выпрямители классифицируются:

- по числу фаз первичной обмотки трансформатора - однофазные и трехфазные;

- по числу выпрямленных полупериодов - однополупериодные и двухполупериодные;

- по принципу регулирования выпрямленного напряжения – управляемые и неуправляемые;

- по мощности – малой (до сотен ватт), средней (до 5 кВт), большой (свыше 5 кВт).

В настоящее время разра­ботано и применяется на практике много схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Выбор той или иной схемы оп­ределяется свойствами применяемых вентилей (обычно полупроводниковых диодов и тиристоров) и условиями работы выпрямителя.

Импульсный источник питания - это источник питания, в котором питание нагрузки осуществляется через компоненты с малыми потерями (конденсаторы, индуктивности и трансформаторы) и в которых используются переключатели с двумя состояниями - «включено» или «выключено». Преимущество состоит в том, что в любом из этих двух состояний переключатель рассеивает очень малую мощность, и ее преобразование может происходить с минимальными потерями, то есть с высокой эффективностью.

В импульсных источниках осуществляется повышение частоты переменного тока, что дает ряд существенных преимуществ.

Рассмотрим работу основных схем выпрямления однофазного и трехфазного тока, предполагая для простоты расчетов параметров и облегчения пони­мания физической сущности процессов в элементах схем, что выпрямитель работает на активную нагрузку и состоит из иде­альных вентилей и трансформаторов, в которых можно пренеб­речь падениями напряжения, а также обратными токами венти­лей, индуктивностями и намагничивающим током трансформа­тора.

Основными элементами, параметры которых подлежат расче­ту в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчете служат вы­прямленные напряжения U_d (напряжение в нагрузке U_н) и ток I_d (ток в нагрузке I_н), а также действующее значение напряжения питающей сети U₁.