Выпрямители и преобразователи

July 6, 2013 by admin Комментировать »

Несмотря на широкое применение и продолжающийся рост различных систем переменного тока, остается потребность в постоянном токе в таких областях, как электрохимия, двигатели с регулируемой скоростью вращения и тяговые двигатели средств транспорта. Хотя ещеДжордж Вестингауз (George Westinghouse) демонстрировал свои тяговые двигатели переменного тока, они работали на частоте 25 Гц, а никак не на частоте 60 Гц, преимущественно используемой в потребительских сетях. В настоящее время даже в Нью-Йоркском метрополитене, хотя частота 25 Гц и используется для передачи энергии, питание тяговых двигателей осуществляется постоянным током, получаемым с помощью роторных преобразователей. В этой главе будут рассмотрены вопросы преобразования переменного тока в постоянный. Термины выпрямитель и преобразователь часто используются как синонимы, однако в настоящее время выпрямитель чаще обозначает неуправляемую систему преобразования переменного тока в постоянный, а преобразователь — управляемую.

Выпрямители в «древности»

Роторные преобразователи использовались для получения постоянного тока из переменного с частотой 25 Гц с самых ранних лет развития электротехники. Даже в генераторных установках электростанции на Ниагарском водопаде в связи с отсутствием в те времена техники преобразования в постоянный ток переменного тока более высокой частоты (60 Гц) была выбрана частота 25 Гц. Позже, после появления соответствующего выпрямительного оборудования, роторные преобразователи были вытеснены в отдаленные районы для обеспечения питания троллейбусных сетей. А в общем неуклюжие вращающиеся преобразователи просуществовали более полувека.

Выпрямители на окиси меди использовались когда-то в маленьких блоках питания, применявшихся для зарядки аккумуляторов и в измерительных приборах. Однако их низкая эффективность и малый уровень рабочих напряжений не позволяли применять эти выпрямители в силовой электротехнике. Позже, с разработкой селеновых выпрямителей, была достигнута плотность тока 1 А/дюйм2 (155 мА/см2) при напряжении до 30 В. Эти выпрямители допускали параллельное и последовательное соединение без какого-либо подбора по току или напряжению. Хотя эти выпрямители весьма громоздки и не очень-то эффективны, они были популярны в течение многих лет и применялись повсюду — от радиои телевизионных приемников до сварочных аппаратов и других промышленных устройств. В виде высоковольтных сборок они использовались в электростатических пылеуловителях.

Совсем иными приборами были вакуумные лампы и ртутные выпрямители. И те, и другие можно было применять для выпрямления высоких напряжений. Вакуумные лампы имели довольно большое прямое падение напряжения, но вполне подходили для радиоприемников тех дней, в которых требовались напряжения и токи до нескольких сот вольт и миллиампер. В этих областях применения эффективность не играла существенной роли, но слишком большие потери не позволяли использовать вакуумные лампы в сфере больших мощностей. Наиболее широко вакуумные диоды применялись в выпрямителях анодного напряжения для электронно-лучевых трубок в телевизорах.

Ртутные выпрямители

Ртутный выпрямитель представляет собой ту же вакуумную лампу, но с наполнением парами ртути низкого давления. Для испарения ртути использовалась нить накаливания (катод). Прямое падение напряжения составляло около 15 В, а диапазон рабочих напряжений достигал нескольких десятков киловольт. Эти выпрямители широко применялись, например, в блоках питания радиопередатчиков с мощностью до 1 МВт при напряжении 5…15 кВ.

Самые большие ртутные выпрямители имели металлостеклянный корпус и были снабжены несколькими анодами и емкостью для жидкой ртути. Они использовались с трансформаторной цепью, организованной по схеме двойной звезды, что обеспечивало получение больших токов для нужд электрохимии и металлообработки. Ртутные выпрямители применялись также на алюминиевых заводах и при производстве хлора. Для испарения ртути использовался специальный электрод, а давление поддерживалось вакуумным насосом.

В более поздних конструкциях выпрямителей на большие токи использовался герметичный металлостеклянный корпус и дополнительный электрод поджига разряда, что по сути превращало этот прибор в управляемый ключ. Под торговым названием игнитрон (Ignitron®) они получили очень широкое распространение и были основой выпрямительной техники вплоть до разработки полупроводниковой технологии в середине 20-го века.

Кремниевые диоды — век полупроводников

Всем нам хорошо известные кремниевые диоды выросли из точечного германиевого транзистора, разработанного Браттейном (Brattain) и Бардиным (Bardeen) в «Белл Лабораториез» (Bell Laboratories) в 1947 г. В дальнейшем были созданы сплавные р-я-переходы, увеличена нагрузочная способность по току, а кремний заменил германий. В 1960 г. кремниевые диоды применялись уже очень широко. Хотя технология и позволяла изготавливать германиевые выпрямительные диоды, имевшие большую площадь, их применение ограничивалось плохими температурными характеристиками.

Преимущество кремниевых диодов состоит в том, что они способны работать при температуре р-и-перехода до 200°С. И хотя прямое падение напряжения в кремниевых диодах больше, чем в германиевых, их лучшие температурные характеристики позволяют им работать при больших плотностях мощности. На первых порах кремниевые диоды представляли собой кристалл, припаянный к медному основанию, которое использовалось и для монтажа, и в качестве одного из выводов. Второй вывод выполнялся проводом, припаянным с другой стороны кристалла и выходившим наружу через слой изоляции.

С увеличением мощностей и размеров кремниевых диодов появилась проблема разрушения паяного соединения кристалл-основание при термоциклах, сопровождающих включение и выключение выпрямителя. Одним из решений этой проблемы было введение промежуточного металлического слоя между кристаллом и основанием, имевшего температурный коэффициент расширения, близкий к таковому у кремния. Обычно для этого использовался вольфрам или молибден. В самых больших диодах в настоящее время кристалл просто плотно прижат пружиной к основанию.

Однофазные выпрямительные схемы

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на Рис. 9.1. Эта схема часто применяется в маломощных выпрямителях, работающих прямо от сети переменного тока. Она способна работать как с активной, так и с емкостной нагрузкой. Однополупериодный выпрямитель потребляет из сети постоянный ток и четные гармоники тока сетевой частоты, в дополнение к нечетным гармоникам, характерным для большинства нелинейных нагрузок. При питании однополупериодного выпрямителя через трансформатор постоянная составляющая потребляемого тока способна вызвать насыщение сердечника, но если использовать сердечник с зазором, то этой неприятности можно избежать.

Рис. 9.1. Однополупериодный выпрямитель и его поведение в разных условиях

Для уменьшения пульсаций напряжения при использовании однополупериодного выпрямителя часто применяют конденсаторные фильтры. При емкостной нагрузке уменьшается период, в течение которого ток поступает из сети (см. Рис. 9.1). При этом содержание высокочастотных гармоник в потребляемом токе увеличивается, а коэффициент мощности (Р^Г) уменьшается. Сам выпрямительный диод в этой схеме подвергается воздействию обратного напряжения, равного напряжению на конденсаторе плюс пиковое входное напряжение. Вследствие того что конденсатор обычно заряжается почти до пикового входного напряжения, диод следует выбирать с обратным напряжением не менее удвоенного пикового входного напряжения.

Хотя однополупериодные выпрямители и широко применяются в импульсных источниках питания, где плохая форма потребляемого тока не создает каких-либо проблем, в некоторых случаях, например в узлах обработки данных, могут возникать неприятности. Для этих выпрямителей в токе потребления характерно высокое содержание гармоник, кратных третьей — 3, 6, 9, 12, 15…. Эти токи складываются в нейтральном проводе трехфазной цепи питания, так что ток нейтрального провода может превысить ток фазного провода в 2 раза. При этом необходимо использовать нейтральный провод существенно большего сечения, чем обычно. В соответствии с IEEE 519 не допускается использование оборудования с постоянной составляющей тока из потребительской сети. Однако при использовании трансформаторов, через которые эта компонента тока не проходит, однополупериодные выпрямители находят применение.

На Рис. 9.2 приведена схема двухполупериодного выпрямителя. Во времена вакуумных ламп, когда оба диода удавалось поместить в одну лампу, эта схема широко применялась в радиоприемниках. А еще она подходит для низковольтных выпрямителей, ведь в ней последовательно с нагрузкой включен только один диод. Однако эти простейшие выпрямители все чаще заменяют импульсными преобразователями, в которых использование высокой рабочей частоты позволяет применять маленькие и легкие трансформаторы. Импульсные преобразователи будут описаны в гл. 13.

Рис. 9.2. Двухполупериодный выпрямитель и его токи и напряжения в разных точках

схемы

Каждый из диодов в этой схеме проводит ток только в течение половины периода входного напряжения, а его среднеквадратичное значение составляет 50% от полного тока. При напряжении на первичной обмотке, равном 1 BRMS, и при напряжениях на каждой половине вторичной обмотке тоже

1               BRMS, на нагрузке 1 Ом ток в каждом плече составит 0.707 ARMs. а в первичной обмотке — 1 ARMsТрансформатор должен быть рассчитан на мощность 1.0 BA по первичной цепи плюс каждая из вторичных обмоток должна быть на 0.707 BA. Таким образом, при общем расчете трансформатора следует учитывать его мощность, равную (1 + 0.707 + 0.707)/2 = 1.207 BA. Так что его размер для этой схемы выпрямителя должен быть на 20% больше, чем без выпрямителя.

На Рис. 9.3 приведена широко известная мостовая схема. В ней трансформатор используется лучше, чем в двухполупериодной схеме, так как в обеих обмотках ток имеет синусоидальную форму. В мостовой схеме последовательно с нагрузкой включено два диода, поэтому потери в диодах в

2               раза больше, чем в двухполупериодной схеме. Однако потери в трансформаторе меньше за счет меньшего возбуждения гармоник. В настоящее время широко распространены сборки из двух и четырех диодов для этих схем выпрямителей.

Рис. 9.3. Однофазныймостовой выпрямитель и его токи и напряжения в разных точках схемы

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты