Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Общие сведения

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют электрические цепи переменного тока, в состав которых входят одно или несколько нелинейных элементов (НЭ). Резистивные НЭ работают как в цепи постоянного тока и в цепи переменного тока. Классификация, основные свойства и ВАХ резистивных НЭ обсуждались в разделе 1.7. Помимо резистивных НЭ в цепи переменного тока работают нелинейные индуктивный и емкостной элементы.

Нелинейный индуктивный элемент имеет нелинейную вебер – амперную характеристику ψ(i) (см. рис. 2.1,б – кривая в). Нелинейный емкостной элемент имеет нелинейную кулон - вольтную характеристику q(u) (см. рис. 2.1,в – кривая в). На этих же рисунках приведены условные обозначения этих элементов на схемах замещения.

С помощью нелинейных электрических цепей можно осуществить ряд важных преобразований:

1) Преобразовать переменный ток в постоянный. Устройства, предназначенные для этого, называются выпрямителями.

2) Преобразовать постоянный ток в переменный с помощью устройств, которые называются инверторами.

3) Стабилизировать напряжение или ток.

4) Осуществить с помощью трансформаторов усиление напряжения (или тока), а также мощности в нагрузке.

5) Осуществить деление или умножение частоты источника напряжения.

6) Осуществить степенное и логарифмическое преобразование входного напряжения (или тока) и т.д.

Рассмотрим преобразование переменного тока в постоянный с использованием резистивных НЭ: полупроводниковых диода и тиристора.

 

 

Неуправляемый выпрямитель

Полупроводниковые выпрямители служат для преобразования синусоидальных токов и напряжений. Они применяются в устройствах автоматики и обработки информации, в системах питания силового электрооборудования и т.д. Различают управляемые и неуправляемые выпрямительные устройства. В неуправляемых выпрямительных устройствах для преобразования синусоидального тока в постоянный применяются полупроводниковые диоды, а в управляемых выпрямительных устройствах - тиристоры.

Выпрямительные свойства диода определяются явлениями, возникающими на границе раздела полупроводников с различными типами электропроводности - дырочной (p) и электронной (n). Этот граничный слой называется p-n переходом. Его сопротивление зависит от величины и полярности приложенного к диоду напряжения. На рис. 4.1.приведено условное графиче ское изображение диода и его типовая ВАХ i(u). Диод имеет два вывода: А - анод, К - катод. При прямом включении диода в цепь, когда потенциал анода положительный, а катода отрицательный, через р-n переход возникает ток, обусловленный основными носителями заряда (прямой ток I _пр). Сопротивление p-n перехода в этом случае мало (равно нулю у идеального диода), падение напряжения U _пр на диоде также незначительно. Так как диод – это нелинейный элемент, обладающий активным сопротивлением, то недопустимо большой прямой ток I _пр может вызвать

0

интенсивный нагрев диода и его разрушение. При обратном включении диода, когда потенциал анода отрицательный, а катода положительный, сопротивление p-n перехода очень большое (равно бесконечности у идеального диода). Поэтому в цепи устанавливается незначительный обратный ток I _обр, обусловленный не основными носителями заряда. При обратном напряжении U _обр, превышающем некоторую критическую для данного диода величину, p-n переход пробивается, и диод выходит из строя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимально допустимый прямой ток I _доп и максимально допустимое обратное напряжение U _{обр. max}.

По типу конструкции p-n перехода различают точечные и плоскостные диоды. Из-за малой площади перехода точечные диоды относятся к маломощным и применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот. Допустимая мощность рассеяния таких диодов около 10мВт при значениях прямого тока 10 – 20 мА. Так как площади перехода у плоскостных диодов значительны (до 1000мм  в силовых выпрямительных диодах) они относятся к диодам большой мощности и выпускаются с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным). Допустимая мощность рассеяния плоскостных диодов достигает 10кВт при значениях прямого тока до 1000А и обратного напряжения до 1500В. Они в основном используются в силовых преобразователях.

По числу фаз выпрямленного переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и многофазные. Однофазные, в свою очередь, подразделяются на схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямления.

Схема рис.4.2. простейшего однополупериодного выпрямителя содержит источник синусоидальной ЭДС, на зажимах которого напряжение , полупроводниковый диод VD, нагрузочный резистор (в дальнейшем нагрузка) R _н и амперметр А.

 

 

Для упрощения расчетов будем считать диод идеальным, т.е. с сопротивлением, равным нулю в прямом направлении и бесконечно большим в обратном. ВАХ идеального диода изображена на рис.4.3. Такой диод представляет собой короткое замыкание для тока в прямом направлении и разрыв для тока в обратном.

 

В течение каждого положительного полупериода питающего напряжения U диод открыт и в нагрузочном резисторе R _н появляется ток i _н в виде полуволн синусоиды (рис.4.4.):

                              (4.1)

Действующее значение тока i_н определяется по формуле:

                                       (4.2)

и может быть измерено амперметром электромагнитной или электродинамической систем.

Постоянные составляющие выпрямительных тока I_о и напряжения U_o (средние за период значения):

                                                            (4.3)

где U – действующее значение напряжения источника питания.

Измеряются I₀ и U₀ соответственно амперметром и вольтметром магнитоэлектрической системы.

 

В течение каждого отрицательного полупериода питающего напряжения U диод закрыт и напряжение U_н и ток i_н нагрузки R_н равны нулю (рис.4.4). Так как напряжение на нагрузке определяет как , то характер его изменения подобен току. Из рис.4.4 видно, что ток и напряжение на нагрузке R_н имеют пульсирующий характер.

Когда диод открыт напряжение на нем равно нулю, т.е. . Закрывается диод отрицательной полуволной синусоиды (рис.4.4). Наибольшее обратное напряжение на диоде

Выбор диодов для схемы однополупериодного выпрямителя осуществляется по формулам:

.                                                         

Основной недостаток такого выпрямителя – высокий уровень пульсаций выпрямленных тока и напряжения. Оценить уровень пульсаций можно по коэффициенту пульсаций К_П:

                                                                      (4.4)

Используя формулы (4.2) и (4.3) можно рассчитать коэффициент пульсации, который для однополупериодного выпрямителя составляет K =1,21. Чем меньше коэффициент пульсации, тем более эффективен выпрямитель переменного тока.

Повысить эффективность выпрямителя возможно за счет использования однофазного двухполупериодного выпрямителя. Мостовая схема такого выпрямителя показана на рис.4.5. Выпрямитель содержит 4 диода VD1…VD4, установленные в плечи моста.

 

 

Диоды являются идеальными, их ВАХ изображена на рис.4.3. К одной диагонали моста подключен источник питания, на зажимах которого синусоидальное напряжение . В другую диагональ моста включена нагрузка R _н.

В этом выпрямителе используются обе полуволны входного синусоидального напряжения u. Когда идет положительная полуволна синусоидального напряжения, потенциал точки a выше потенциала точки b, диоды VD1 и VD2 противоположных плеч моста открыты и по нагрузке R _н протекает ток i _н (рис.4.6.). Два другие диода VD3 и VD4 в это время закрыты. Это график  на рис.4.6.

Когда идет отрицательная полуволна входного синусоидального напряжения потенциал точки b выше потенциала точки a, диоды VD3 и VD4 открыты, а VD1 и VD2 закрыты. Но ток в нагрузке R _н имеет тоже направление, что и при положительной полуволне входного синусоидального напряжения.

Напряжение U _н и ток i _н нагрузки R _н (рис.4.6) имеют вид положительных полусинусоид и описываются как

                  .

Действующее значение тока определяется как .

Средние за период значения выпрямленных тока I _о и напряжения U _о:

где  - действующее значение напряжения источника питания.

Когда диоды закрыты, к ним приложена, как и в схеме однополупериодного выпрямителя, отрицательная полуволна синусоиды входного напряжения. Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов

Выбор диодов для мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя производится по формулам:

.

Коэффициент пульсации K_п, рассчитанный по формуле (4.4), равен 0,482.

Следовательно, двухполупериодный выпрямитель более эффективен: при одинаковых значениях входного напряжения и нагрузки и одинаковом использовании диодов средние значения выпрямленных тока и напряжения у него в 2 раза больше, а коэффициент пульсации значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя.

В рассмотренных выше однофазных выпрямителях ток и напряжение на нагрузке изменяются от максимального значения до нуля. С увеличением числа фаз источника питания выпрямителя кривые тока и напряжения на нагрузке получаются более сглаженными.

На рис.4.7. приведена схема трехфазного выпрямителя с тремя диодами, предложенная в 1904 году В.Ф.Миткевичем.

Диоды VD1…VD3 включены во вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Нагрузка R _н включена между узловыми точками, образованными диодами и вторичными обмотками трансформатора. На рис.4.8. показаны положительные полуволны фазных напряжений U _а, U _в, U _с вторичной обмотки трансформатора. Рассматривая идеальные диоды, легко убедиться в том, что диоды работают поочередно: когда положительное напряжение U _в превысит U _а, диод VD1 в фазе А окажется запертым и начнет работать диод VD2 в фазе В. Затем, когда положительное напряжение U _с превысит U _в, диод VD2 в фазе В запрется, откроется диод VD3 в фазе С и т.д. Огибающая положительные полуволны фазных напряжений, показанная на рис.4.8. жирной линией, является кривой напряжения U _н на нагрузке R _н. Так как , то кривая тока на нагрузке будет подобна кривой напряжения U _н.

 

C

B

A

 

Средние за период значения выпрямленных напряжения U _о и тока I _о (постоянные составляющие):

где U - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Наибольшее обратное напряжение на каждом из закрытых диодов

Выбор диодов для трехфазного выпрямителя (рис.4.7.) производится по формулам:

; .

Коэффициент пульсации может составить .

При выпрямлении переменного тока по любой из выше рассмотренных схем выпрямителей получаются пульсирующими напряжение и ток нагрузки. Для снижения пульсации могут быть использованы сглаживающие фильтры.

 

 

Для сглаживания пульсации напряжения на нагрузке R _н используется емкостной фильтр С (рис.4.9,а), который подключается параллельно нагрузке. Для сглаживания пульсации тока на нагрузке используется индуктивный фильтр L (рис.4.9,б), который подключается последовательно с нагрузкой. Смешанный индуктивно-емкостной фильтр L-C (рис.4.9,в) используется для одновременного сглаживания пульсации тока и напряжения.

Рассмотрим работу емкостного фильтра в мостовой схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя (рис.4.5.).

Сглаживающее действие емкостного фильтра объясняется тем, что через емкость проходит переменная составляющая тока, а через сопротивление нагрузки - постоянная составляющая. Процесс сглаживания основан на том, что емкость – накопитель электрической энергии. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение положительного полупериода достигнет напряжения на емкости  (точка 1 на рис.4.10,а), диоды VD1 и VD2 открываются, через них проходит ток и емкость заряжается. После того как напряжение на емкости достигнет амплитудного значения входного напряжения  (точка 2 на рис.4.10,а), диоды VD1 и VD2 запрутся, ток через них проходить не будет и емкость разряжается на сопротивление нагрузки. Напряжение на емкости будет постепенно спадать. Когда входное напряжение выпрямителя U в течение отрицательного полупериода достигнет напряжения на емкости  (точка  на рис.4.10,а), диоды VD3 и VD4 открываются, через них проходит ток и емкость вновь заряжается и т.д. На рис.4.10,а жирной линией показана кривая напряжения на нагрузке R _н после сглаживания его емкостным фильтром U_C = U_Н.

На рис.4.10,б изображены импульсы тока , которые проходят через открытые диоды в интервалах от  до .

Постоянная составляющая напряжения U _о на нагрузке:

Коэффициент пульсации К_п определяется по формуле:

и может достигать 0,3…0,2.

 

 

Управляемый выпрямитель

При создании управляемых выпрямителей широкое применение нашли тиристоры.

 

Тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор, в котором чередуются слои с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью, образуя три p-n перехода П₁, П₂ и П₃. Он имеет три вывода: А - анод, К - катод, УЭ – управляющий электрод (рис.4.11,а,б). Рассмотрим свойства тиристора при отсутствии тока управления .

При подведении к тиристору напряжения в прямом направлении (на аноде – плюс, на катоде - минус) (рис.4.11,в) переходы П₁ и П₃ открыты, а переход П₂ закрыт.

Сопротивление закрытого перехода велико, поэтому ток в тиристоре мал (участок 0 – а на ВАХ рис.4.12.), и тиристор остается в закрытом состоянии. Участок 0 – а ВАХ представляет собой обратную ветвь ВАХ закрытого p-n перехода П₂.

 

 

При напряжении U_пр = U_пер (точка б на рис.4.12) происходит переключение тиристора, т.е. переход тиристора из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее) состояние.

На участке б-в ВАХ происходит скачкообразное уменьшение прямого напряжения на тиристоре от напряжения переключения U_пер до значений 0,5…2В, так как все три p-n перехода открыты и их сопротивления малы. При дальнейшем увеличении напряжения U источника или уменьшении сопротивления R _н (рис.4.11,в) ток в тиристоре возрастает в соответствии с участком в-г ВАХ.

При уменьшении прямого тока до величины тока удержания I_уд происходит выключение тиристора, т.е. переход из открытого состояния в закрытое. При этом восстанавливается высокое сопротивление перехода П₂.

Влияние тока управления I_у на величину напряжения переключения тиристора показывает семейство кривых на рис.4.12. При достаточно большом токе управления I_у.спр ВАХ тиристора приближается к ВАХ диода с одним p-n переходом.

При подаче на тиристор обратного напряжения (на аноде – минус, на катоде - плюс) переходы П₁ и П₃ закрыты, а П₂ открыт. Тиристор закрыт. Обратная ветвь ВАХ тиристора аналогична обратной ветви ВАХ полупроводникового диода. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше .

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: закрытое и открытое. Переход тиристора из закрытого состояния в открытое с помощью тока управления, называется включением тиристора. На практике чаще всего применяется импульсный способ включения тиристора. При этом в цепь управления подается кратковременный импульс тока необходимой амплитуды и длительности.

В цепи переменного тока тиристор можно включить в любой момент положительной полуволны прямого напряжения путем подачи импульса на управляющий электрод. Выключение тиристора здесь происходит при прохождении тока через нуль. Прямой ток можно прервать размыканием анодно-катодной цепи, либо кратковременным замыканием накоротко анода и катода.

Рассмотрим процессы в цепи управляемого однополупериодного тиристорного выпрямителя, диодный аналог которого приведен на рис.4.2. В управляемых выпрямителях используются, как правило, тиристоры с фазным управлением. Принципиальная схема такого выпрямителя приведена на рис.4.13,а.

S

t

 

На входе выпрямителя напряжение изменяется по закону  (рис.4.13,б). В интервале 0 -  положительной полуволны напряжения источника питания, пока не подан управляющий сигнал U _уп с блока управления БУ тиристор VD закрыт, ток в нагрузке R _н отсутствует и напряжение U _н на нем равно нулю. В момент времени t₁ (рис.4.13,б), определяемый углом управления , от блока БУ поступает импульс напряжения U _уп на управляющий электрод тиристора, он включается, и появляются ток и напряжение в нагрузке R _н. Кривая напряжения U _н на нагрузке в интервале  повторяет кривую напряжения источника питания. При переходе напряжения источника через нуль( )ток в тиристоре становится равным нулю и он выключается. Период Т повторения управляющих импульсов напряжения U _уп, отпирающих тиристор, равняется периоду входного напряжения .

В интервале  к тиристору приложено обратное напряжение и он закрыт. В момент времени Т+t₁, соответствующий углу , вновь подается управляющий импульс, тиристор включается, появляются ток и напряжение на нагрузочном резисторе и т.д.

Среднее за период значение выпрямленного напряжения:

Изменяя величину угла  от 0  до 180  можно осуществить регулирование среднего значения выпрямленного напряжения от максимального значения, равного , до нуля.

Принципы построения управляемых многофазных выпрямителей аналогичны рассмотренному для однофазного выпрямителя.