Однофазный управляемый выпрямитель

Министерство  Образования и  науки Украины

"Киевский  политехнический  институт"

Факультет электроэнерготехники и автоматики

Кафедра “Теоретические основы электротехники" 
 
 
 
 
 
 

                                     Выполнил:

                                     Петрунь Алексей Валентинович

                                     5 мая  2009 г. 
 
 
 

Тема: Однофазный управляемый выпрямитель. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Допущен к защите:                                                    Оценка защиты:

«___»___________2009 г. 
 

                                       Руководитель:

                                       Трубицын  Константин Викторович 
 
 
 
 

Киев  2009

Министерство Образования и науки Украины

Национальный  технический университет  Украины

"Киевский  политехнический  институт" 

Кафедра: Теоретической электроники 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 
 
 

По  дисциплине: Промышленная электроника

Тема: Однофазный управляемый выпрямитель. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Петрунь Алексей Валентинович

студент 3го. курса ФЭА группа ЗЭП-61

зачётная  книжка № 6113 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Содержание: 
 

  1. Вступление. 

  2. Обзор технических решений выбор и обоснование. 

  3. Описание выбранного решения. 

  4.   Расчетная часть: 

            I .   Силовая часть. 

            II .  Система управления. . 

  5. Вывод. 

  6. Список литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Вступление. 

Выпрямитель электрического тока — механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования  входного электрического тока с напряжением в  выходной электрический ток с напряжением. 

Большинство выпрямителей создаёт  не постоянное напряжение и ток, а пульсирующее однонаправленное напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которого применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного напряжения и тока в переменное 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

Выпрямители классифицируют по следующим  признакам:

• по виду выпрямляемого тока
• механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока (применяются в коллекторных генераторах постоянного тока, в механических выпрямителях при производстве алюминия)
• механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока
• с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);
• с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);
• по мощности
• силовые выпрямители (в силовой электронике, в энергетике)
• выпрямители сигналов (в радиоэлектронике и автоматике)
• по степени использования полупериодов переменного напряжения:
• однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну. Преимущество — минимум вентильных элементов. Недостаток — нагрузка трансформатора существенно зависит от фазы, из-за чего

•   возникают дополнительные гармоники на выводах трансформатора.
• двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны.
• неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны.
• полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны.
• по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, безтрансформаторные и т. д.
• по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные
• по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и т. д.
• по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные)
• по величине выпрямленного напряжения — низкого напряжения или высокого.
• по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей и пр.
• по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые.
• по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельнопоследовательные.
• по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами.
• по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

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.

• Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые адаптеры ( AC-DC adaptor)).

• Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры траспортных средств.

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 бо́льшую 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 электомеханические или полупроводниковые выпрямители. 

  Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях (клапанах), 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 двухполупериодном 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 высокочастоных колебаний

В составе ректенн:

• в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.
• в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии.

Детектирование  высокочастотного сигнала

Выпрямители (диоды) применяют для  демодуляции амплитудно-модулированного сигнала в детекторах АМ-сигнала.

Простейший  диодный АМ детектор

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 напряжения на конденсаторе ёмкость заряжается, при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал. При демодуляции сигнала звуковых частот (20—20000 Гц) как правило, применяется кремниевый или германиевый диод и конденсатор ёмкостью порядка 10—47 нФ.  

Характеристики 

Номинальное выходное напряжение постоянного тока и допустимый диапазон его изменения;

• Номинальный ток нагрузки;
• Диапазон эффективного входного напряжения переменного тока (например 220В ± 10 %);
• Допустимая выходная пульсация, её амплитудно-частотные характеристики;
• Нагрузочная характеристика.
• Эквивалентное внутреннее комплексное (в первом приближении активное) сопротивление.
• Коэффициент использования габаритной мощности трансформатора.

     1. Обзор технических решений выбор и обоснование.

Однофазный  управляемый выпрямитель  может быть построен по следующим схемам:

Однополупериодный выпрямитель 

Простейшая  схема однополупериодного выпрямителя состоит  только из одного выпрямляющего ток элемента. 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. 

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.

Соответсвенно, 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.

В своей курсовой работе я буду использовать схему однофазного мостового выпрямителя с LC — сглаживающим фильтром.

поскольку данная схема, в отличии  от однофазной нулевой  схемы имеет ряд  преимуществ.

О д н о ф а  з н а я   н у л е в  а я   с х  е м а:

1. Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мостовой схеме.

2.  Потери мощности  в выпряителе будут  меньше, так как  в нуевой схеме  ток проходит через  один вентиль а  в мостовой последовательно  через два.

О д н о ф а  з н а я   м о с т о  в а я   с  х е м а:

1. Обратное напряжение  на вентилях в  2 раза меньше, чем в нулевой схеме.

2. Вдвое меньше напряжение (число  витков) вторичной  обмотки при одинаковом                                значении Ud0

2. Трансформатор имеет обычное исполнение , так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.
3. Расчетная мощность трансфрматора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуеться медии железа, меньше будут размеры и масса.
4. Данная схема выпрямителя может работать и без трансформатора, если напряжение сети U1 подходит по величине для получения необходимого значения Ud0  и не требуеться изоляция цепи выпрямительного тока от сети.

     3. Описание выбранного решения.

Однофазная  мостовая схема состоит  из трансформатора Тр с двумя обмотками.Аноды тиристоров присоединены к вторичной обмотке, а управляющие электроды связаны с ситемой управления СУ которая формирует синхронно с напряжением сети управляющие импульсы напряжения и позволяет изменить их фазу относительно фазных напряжений источника питания.Двух диодов VD1 VD2, двух тиристров VS1 VS2, соединенных по схеме моста.

Вентили в данной схеме  раблтают по очереди. В положительный  полупериод напряжения U2, проводят ток вентили VS1 и VD2. Вентиль VD2 неуправляемый, диод, условием отпирания диода являеться положительное напряжение на катоде. Вентиль VS1 управляемый, и отпираеться при наличии полодительного напряжения на аноде, и открывающего импульса на управляющем контате.

Вентиль VD2 отпираеться сразу, поскольку на него подано положительное напряжение, а вентиль VS1 в это время заперт, поскольку для его отпирания нужен отправляющий импульс на управляющем контакте, который подаеться с определенной задержкой, равной углу управления  α. После того как подан отпирающий импульс на теристор  VS1, оба вентили пропускают ток.

В отрицательный полупериод напряжения  U2, на вентили VS1 и VD2 подаеться обратное напряжение, и они запираються. Положительное положительное напряжение подаеться на вентили  VS2 и VD1, которые работаю по тому же принцыпу что и вентили  VS1 и VD2.

Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении, от катодов вентилей VS1 и VS2 к анодам вентилей VD1 и VD2.Ток во вторичной обмотке трансформатора меняет свое направление каждые пол периода и будет синусоидальным.

4.   Расчетная часть.

Для увеличения коэфициента  мощности и экономии материалов силовую  часть выполняем  по мостовой схеме  с 4 тиртсторами. Для  уменьшения пульсаций нв выходе выпрямителя используем Г образный LC фильтр, использование которого обеспечивает хосткую внешнюю характеристику выпрямителя, а также способствующий режим работы вентилей и трансформатора. 

     Выходные  данные. 

Расчет диапазона регулирования

Поскольку при данном на входе выпрямителя напряжении в 110 В. Угол управления α.min=125°, что плохо влияет на на регулировочные характеристики выпрямителя, в случае его использования в качестве регуляторов (стабилизаторов) на входе выпрямителя установим силовой понижающий трансформатор, что бы добиться угла управления в α.min приближонному к 30° и соответственно напряжения на входе выпрямителя в 25 В . что обеспечивает работу выпрямителя на крутом участке регулировочной характеристики.

1)  Определяем максимальное выпрямленое напряжение.

Uвыпр.max=Ud.max+ΔUвент+ΔUдр+ΔUтр=17,84 В

ΔUвент=3

ΔUдр=0,02*Ud=0,02*12=0,24

ΔUтр=0,04*Ud=0,04*12=0,48

2) Минимальная нагрузка сети

Uм.min=Uм*(1-в)=25*(1-0,15)=21,25 В.

3)  Определяем минимальное значение угла управления

cosα.min=(Uвыпр.max*π)/(Uм.min*1,4142)-1=(17,84*П)/(21,25х1,14142)-1=0,864 

α.min = 30,23°

4) Минимальное среднее значение выпрямленого ныпряжения

Uвыпр.min=Ud.min+ΔUвент+ΔUдр+ΔUтр=13,72 В