Трансформаторно-выпрямительный блок(рис1 ) 1 страница

1.

Трансформаторно-выпрямительный блок(рис1)

Состоит: трансформатор, выпрямитель, ФНЧ. Тр-р преобразует переменное U питающей сети в перемен напряжение с др. параметрами и осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки. Сх.выпр-ия обеспечивает преобразование знакопеременного U в знакопосотоянное или пульсирующее. ФНЧ это сглаживающий фильтр,он уменьшает амплитуды перемен.сост-ей выпрямленного напряж.до допустимого нагр.значения Основой ТВБ явл-ся выпр-ль. От схемы выпр-я зависит расчет параметров трансф-ра и ФНЧ. Выпр-ль может быть управляемым, что позволяет регулировать выходное U ТВБ. В общем случае ТВБ как функци-ый узел должен иметь цепь защиты, сигнализации и т.д. ТВБ питается от сети переменного тока 380\220V с частотой 50Гц. Такая частота явл-ся низкой, а все устр-во имеет относительно большие габаритные размеры.

Обл-ть применения: электропитающие уст-ва средней (>500Вт) и большой (>1кВт) мощности, маломощные блоки не силовых цепей (вспомогат).

2.

Трансформаторы, общие сведения.

Трансф-м наз-ся статический электромагнитный аппарат преобраз хар-ки электроэнергии переменного I:уровень U,величину I, число фаз, частоту и т.д. Т.о. тр-р это АС\АС (перемен ток \ перемен ток)преобразователь

Основные элементы: магнитопровод с сечением Sст и обмотки. Магнитопроводы могут быть разл конструкции: стержневые, броневые, тороидальные. Сердечник изготавл-т из электротехнических сталей(низкие частоты), ферритов (частоты 20-200кГц) и др материалов. Материал магнитопровода хар-ся: индукцией насыщения Bm, и магнитной проницаемостью .

Принцип действия основан на э\м взаимод 2х или > обмотках, которые диэлектричеки друг с другом не связаны (это гальванич развязка). Обмотка на которую подается U наз-ся первичной, все остальные- вторичные.

Когда магн поток проходит сквозь поверхность, ограниченную обмоткой с инукт L по которой протекает ток i, а число витков W в обмотке индуцируется ЭДС . Если ток измен по гармонич закону, то апмлит эдс Em и ее действующ значение E. , , где f- частота изменения тока(частота напряжения питающей сети).

4.

Режим и опыт хх

Под режимом ХХ понимают работу тр-ра с разомкнутой 2-ой обмоткой. При опыте ХХ к 1-ой обмотки подводится номин. U_1ном. На концах разомкнутой 2-ой обмотки подводится то же номин U_2ном. При этом ток ХХ I₀ определяет качество материала сердечника. Чем меньше I₀ для 2-х тр-ов одинаковой мощности, тем лучше матер. сердечника. Считается, что вся потреб. мощность ХХ тратиться на намаг-е сердечника, она обозначается как потеря в стали P_хх=P_ст=const. Во время опыта ХХ определяют коэф-т тр-ции в ур-ии ,I₂=0, поэтому U2=E2. В ур-ии

Током ХХ можно принебречь и тогда U1 приблиз-но =-E1. Коэф-м трансф-ии яв-ся отношение U перв-ой обмотки к U 2-ой обмотки, что соответствует отношению числа витков этих обмоток. n₁₂= n=E1/E2=(4,44W1fФm)(4,44W2fФm)=W1/W2, n~=U1/U2

Схема замещения тр-ра

Рис3.Обмотки тр-ра эл-ки несвязанны, поэтому при расчете и сравнении пар-ов, относящихся к разным обмоткам составляют схему замещения, а сравниваемые величины пересчитывают или приводят к какой-либо одной цепи. Мощности, потери энергии и фазовые соотношения м/у эл-ми величинами пересчету не подлежат. Если рассчитывается пар-р на вх., то втор-ая обмотка приводится к первич-й. W2^/=W1^/. Для расчетов пар-ов на вых. перв-я обмотка приводится ко втор-ой W1^//=W2. Полная мощность втор-ой обмотки реального тр-ра, S₂=E2I2 и приведенного S2^/=E2^/I2^/ должны быть равны, т.е. E2I2= E2^/I2^/. Коэф-т тр-ии равен n=W1/W2=E1/E2, след-но

W2^/=W2n, E2^/=E2n; I2^/=I2/n; r₂^/= r₂n²; х₂^/= х₂n². Анал-но пар-ры перв-й обмотки приводятся ко 2-ой.С учетом ур-я равновесия намаг-х сил I₁W₁+I₂W₂=I₀W₁,можно записать:I1=I0+(-I2)W2/W1=I0-I2^/, где I2^/=I2*W2/W1=(I/n₁₂)I2, n₁₂=n. n-коэф-т тр-ции 1-ой обмотки ко 2-ой. Ур-я I₁=I₀+(-I2)W2/W1=I₀-I₂^/, ,

Представляют собой полную сис-у ур-я тр-ра. Для приведенного тр-ра можно изобразить схему замещения. В этой схеме ветви эл-ой схемы м/у т. А и В предств-т собой сопрот-е Z₀. Z₀=r₀=jх_0, к-е отображает цепь намаг-я сердечника. Lм-индук-ть намаг-я. r₀-эквив-ое сопрот-е тепловых потерь в сердечнике. z₀ определяется в режиме хх. После приведения к пер-ой обмотке, ур-ие примет вид: , а соп-ие нагрузки z^/_н=r^/_н+ х^/_н. Величина вых. нап-я U^/₂ зависит от тока нагрузки I₂^/ и от хар-ра нагрузки z^/_н, т.е. от угла Y2(пси). Y2=arct(х^/₂+ х^/_н)/(r^/₂+ r^/_н)

При индук. хар-ре нагрузки U2^/ меньше, чем E2^/, а при емкост. хар-ре наоборот: U2^/ больше, чем E2^/, т.е. трансфор-ая ЭДС больше, чем на вх.

3.,6

Однофазный трансформатор(Рабочий режим тр-ра)

Рис 2.К первичной обмотке тр-ра W₁ подводится номинальное переменное U и по первичной обмотке протекает ток I.Обтекая первичную обмотку, с числом витков W1, этот ток создает намагничивающую силу НС₁=I₁W₁, которая вызывает магн поток в сердечнике. Большая часть этого потока Ф₀ замыкается по сердечнику и пронизывает витки W₂ вторичной обмотки. Меньшая часть потока Ф_и замыкается внутри обмоток по воздушной среде обмотки и наз-ся потоком рассеивания первичной обмотки Ф_s1и Ф_s2.При возникновении Ф₀ в обмотке W1, возникает ЭДС смаоиндукции, к-я препятствует изм-ю тока I₁ поэтому вектор Е₁ направлен встречно вектору тока I₁. Если питающее U₁ si-ное,то эдс обмотки и поток в сердечнике тоже изменяется по sin-му з-ну. Но эдс Е₁ изменяется в противофазе с U₁, а поток Ф₀ на отстает от U₁. Для первичной обмотки ур-я эдс согласно 1-му з-ну Кирхгофа ,, где r-активное сопр, x-индуктивное сопр, Z-полное сопр перв обмотки.

Если сердечник намагничен, то в обмотке W2 наводится ЭДС взаимоиндукции E2. В рабочем режиме обмотка W2 замыкается на сопр-е нагрузки Zн и по ней протекает ток I₂. Обмотки намагничиваются так, что ток I1 намагничивает сердечник, а I2 размагничивает

Поэтому для втор-ой обмотки:

Если нагрузку увеличивать,ток I2 будет возрастать и размагничивать сердечник, но при этом будет возр-ть и потребляемый от сети ток I1, но будет в той же степени намагничивать сердечник. При умен-ии нагр. действия тока I2 и I1 будут снижаться при ХХ, когда Zн стремиться к бескон-ти и вторичная цепь разомкнута I2=0. По первичной обмотке будет протекать ток ХХ I0, он то и определяет основной маг-ый поток тран-ра Ф0.Т.о. при изменении наг-ки ZН в рабочем режиме, маг-ый поток остается пост-м в данном случае.

Ур-ие равновесия намагнич-х силI₁W₁+I₂W₂=I₀W₁.

8

КПД тр-ра

Рис4. В источниках питания КПД- отношение активной мощности P₂ передаваемой в нагрузку к активной потребляемой мощности Р₁. Для тр-ра . Если обозначить коэф-т нагрузки , то КПД=1. Можно определить max КПД. Для этого нужно взять производную по β и приравнять к 0. В рез-те получим: . Это отношение исп-ют при конструирование тр-ов.

7.

Режим и опыт кз

Если во время работы тр-ра закоротить сопрот-е нагрузки Z_н=0, то возникает аварийный режим кз. Т.е U₂=0 и E₂=I₂Z₂, т.е. I2=E2/Z2.

Z₂-это сопр-е обмотки W2, оно мало, поэтому I2 значительно превышает номин. ток и может вызвать порчу тр-ра. Опыт кз производится при пониженом питающем напряжении U,к-е наз-ся напряжение кз- U к.

U к%=(U к/U1ном)100%. U к выбирают так, чтобы токи в обмотке были номин-ми I1, I2 ном. При этом Uк составляет 3-10% U_1ном

При таком малом вх. U маг-ый поток в сердечнике мал. Поэтому в схеме замещения сопротивлением z0 можно пренебреч, т.е. м/у т. А и В цепи нет. Из рис. видно, что в опыте КЗ определяют полное R тр-ра Zк. , , . Т.к. поток в сердечнике мал, что вся подкрепляемая в опыте КЗ мощность тратиться на потери в обмотках тр-ра, поэтому .

Группы соединения обмоток

На рис15 изображен тр-р перв-ой и втор-й обмотки изображены друг под другом. Значит они намотаны на 1 стержень. Стелкой указано направление ЭДС в обмотках видим, что эти направления противоположны. На рис 16 изображены 2 вектора диаграммы для первичной и втор-й обмотки. Векторы одноименных ЭДС направлены противоположно. Т.о. м/у векторами одноименных направлений <180 град. Можно на одном стержне расположить обмотки разных фаз. Можно изменить и направление намотки. Всего определено 12 групп соединения обмоток трансф-ра. Номер группы определяется n_гр=α/30град., где α-угол сдвига м/у одноименными векторами 1-ой и 2-ой обмотки. При соединении звезда-звезда получим только четные группы. При соединении звезда-треугольник получим нечетные группы.

Для рис16 Nгруппы =180/30=6.Практически исп-ся 12 или 0-ая группы (векторы совпадают), 6гр и 11гр звезда-треуг. Маркировка группы тр-ра нужна для подключения его на парал-ую работу.

Трехфазные тр-р

Рис5-11. 3-х трансф-ор имеет 1 первичную обмотку, состоящую и 3 фаз: АХ, ВY, СZ, на к-ые подается семметричные сис-мы синус-х ЭДС(напряжение).U каждой фазы имеет одинаковую частоту и амплитуду, но сдвинуты по фазе на 120 град. Поэтому векторная диаграмма 3-х фазной ЭДС имеет вид(рис). Способы соединения обмоток. Кроме первичной обмотки тр-р имеет одну или несколько вторичных, каждая из к-х 3-х фазная. На рис7 начало и концы вторичной обмотки обозначены малыми буквами, а начало обмоток обозначается точкой.

На рис8 показан сердечник, состоящий из 3-х стержней. На каждый намотана первичная и одноименная 2-ая обмотка. Концы 1-ой и 2-ой соеденены в общую точку, к-ю обозначают О и сюда же присоединяют нулевой провод-нейтраль. Такое соединение наз-ся звезда. Свободные концы 2-ой обмотки подключают к нагрузке. Обходя любой из контуров, Образуемых звездой(7), напрмер по обмотке А от ее начала к концу Х и по обмотке В от Y к В, получим:U_АВ=U_A-U_B, U_ВС=U_В-U_С, U_СА=U_С-U_А. Поэтому линейное U больше фазного в корень из 3. U_л=√3U_Ф Это видно из рис9. При соединении звездой < U_AU_АВ=30 град. Полная мощность 3-х фазной сис-ы , активная составляющая реактивная составляющая , где - угол между приложенными напряжениями и потребляемым током. Для соединения звездой . Соединение треугольником. При соединение треугольником рис(10-11)

конец первой обмотки соединятся с началом второй, конец второй обмотки соединен с началом третьей, конец третьей с началом первой. Т.о. обмотки соединены последовательнои эдс фазы и эдс линейное – одно и тоже Еф=Ел. Линейные же токи

iав, iвc,icв состоят из алгебраических токов 2-х фаз. Линейный ток , , , Геометрическая сумма эдс в замкнутом треугольнике равна 0, поэтому если к зажимам a,b,c вторичной обмотки не присоединена нагрузка рис(13), по обмоткам тр-ра ток протекать не будет. . Соединение зигзаг рис(14)

Соединение обеих частей обмоток производит ток, чтобы их эдс геометрически вычитались. Для этого конец каждой одной половины фазной обмотки соединяют с концом второй половины той же обмотки. Если при этом фазные обмотки разделены пологом, то регулирующая эдс одной обмотки в 1,7 раза > эдс каждой ее половины.

Параллельная работа тр-ра

На трансф-ой подстанции U=6-10 кВ преобразуется в U=380 В понижающими силовыми трансф-рами. Если даже для потребляемой мощности хватает одного трансф-ра на подстанции еще 1 такой же резервный, обеспечивает надежность. Но чаще всего нес-ко тр-ов работают парал-но на общую нагрузку. При их работе должы выполняться след. условия:1)равенство коэфф трансформации, те номинальных первичных и вторичных напряжений 2)принадлежность тр-ов к одинак. группам 3)равенство U кз Рисунок в тетради. В случае невыполнения 1-го условия межу точками присоединения фаз 2-х тр-ов к шинам нагрузки возникает разность потенциалов ∆U.

Она приложена к малому R обмоток трансф-ра. Поэтому по обмоткам могут протекать значительные уравнительные токи . Если не выполнить условие 2, то м/у одноименными векторами 2-х трансф-в на шинах нагрузки так же возникает ∆U. При невыполнении 3-го условия тр-ры обладают разными собственными R. При их параллельн. работе трансф-р с меньшим сопрот.будет перегружен, а с большим недогружен.

12

Выпрямители

Выпр-ль-это преобразователь энергии переменного тока в эл-ую энергию постоянного тока AC\DC преоб-ль. Выпр-ль может явл-ся функциональным узлом ТВБ, входить в состав безтрансформаторного источника питания импульсного типа, использоваться в различных несиловых вспомогательных цепях электропитания. Основной прибор в выпрямители диод или тиристр. Выпр-ли на диодах нерегулируемые, а на тиристорах- позволяет стабилизировать выходное напряжение.

Характеристика выпр-ей.

1)фазность схемы выпр-ия m1 определяется числом фаз питающего U 2)периодичность (тактность) m2 определяется числом импульсов тока, поступающего от выпрямителя к нагрузке за 1 период питающего U 3) U₀ (I₀)- среднее(выпрямленное)значение выходного напряжения (тока). Определяется как среднее значение периодической ф-ии f(wt) на интервале повторяемости этой ф-ии [a,b]. 4)частота пульсации основной 1-ой гармоники выпр-го напряжения или частота пульсаций fп величина кратная частоте сети f_с=50Гц 5)амплитуда пульсации k-ой гармоники выпр-го напряжения Umk 6)коэфф пульсаций по k-ой гармонике-это отношение амплитуды k-ой гармоники выпр-го напряжения к его срднему значению k=Umk/U₀ измеряется в относительных единицах или %, обычно определятся по 1-й гармонике, т.к. она имеет max амплитуду и min частоту.

7)для оценки помех поникающих непосредственно из цепей питания, например в телефонные низкочастотные каналы, используют понятие псофометрической величины пульсаций. Она измеряется псфометром и учитывает не только величину напряжения каждой гармоники, но и ее частоту, к которой чувствительны микротелефонные цепи. , - псофометрические коэфф помех, их величины определяются экспериментально с учетом свойств микротелефона и органов слуха человека. Условно за 1–цу при норме 5кВ принят соот-ий частоте 800Гц. 8)среднеквадратичная величина эффективного значения пульсации, она учитывает суммарное влияние всех гармонических сост-х выпр-го напряжения в общем случае эта величина определяется как действующее значение функции .

Классификация схем выпрямления

На рис 18 приведена классификация схем выпрямителей по числу фаз вып-ля. Рас-м только простейшие схемы. При m=1 сеть однофазная. Простейшей явл-ся схема 1 рис 19 состоит из 1-го диода(вентиля). Диод обладает односторонней проводимостью, поэтому отриц-я полуволна питающего U на вых. выпрямителя не передается. Ср. значение U₀ определяется интегралом за период выпрямительного U, т.е. площадью полож-й полуволны U2. От π до 2π ток в нагрузку не поступает и U на вых выпр-я отсутствует. Потребители питать выпрям-м схема 1 без фильтра нельзя. Обычно схема 1 исп-ся в маломощных вспомогательных цепях и имеет на вых сглаживающий конденсатор. Рис 19(2)-схема №2 ис-ся наиболее часто.

Одна пара диодов пропускает положительную полуволну U2, а другая пара-отриц-ю. При этом ток протекает в одном направлении, а вых U наз-ют пульсирующим. В схеме №3, нужны только 2 вентиля, поэтому потери мощности в таком выпр-ле меньше, но здесь требуется трансф-р с выводом средней точки вторичной обмотки. Рис 19(3),(4). Схема №4 ис-ся в тех случаях, когда на вых вып-ля необходимо иметь напряж. U0 в 2 раза выше, чем в схемах 2и 3. Здесь к нагрузке прикладывается сумма U конденсаторов C1+C2, каждый из к-х может заряжаться до амплитудного значения U2. Если конден-р стоит в цепи открытого диода, то в данный момент времени он заряжается от сети. Одновременно другой конден-р разряжается на нагрузку отдавая запасенную им энергию. Можно составить сх. в к-й нес-ко выходных кон-ров вкл-ся послед-но и тогда вых U можно увеличить более, чем в 2 раза.

Работа выпр-ля на индуктивную нагрузку

Используется в схемах средней и большой мощности. К вых выпр-ля подключается ФНЧ - фильтр, начинающийся с L. (рис 28). Индуктивная нагрузка: , , .Для постоянной составляющей,когда w=0 это сопротивл.равно 0.Пост.составл-ая проходит через дроссель без изменений(т.е через индуктивность) Для всех высших гармоник w>0, т.е. дроссель представляет определенное R. Рас-м схему №6-схема Ларионова рис29. В идеальном случае , сопр обмоток и вентилей пренебрегаем. При наличии дросселя в цепи фазы при протекании тока через фазу в дросселе возникает эдс самоиндукции препятствующее изменению тока. Если , то ток фазы через нагрузку и дроссель не может изменяться во времени. На рис 26 форма тока через фазы ia,ib,ic имеет прямоугольную форму, он переменный и имеет постоянную составляющую=0. Амплитудное значение тока через фазу:Im=I0, а суммарный ток от всех фаз не имеет переменной составляющей. Он определяется как: .Ток первичной обмотки i_1А повторяет форму тока 2-ой обмотки и определяется через коэф-т тр-ции n: . Форма U на вых выпрям-я U0(wt) определяется огибающей ЭДС вторичных обмоток, но в схеме Ларионова, каждая фаза работает 2 раза за период. Поэтому в выпрямленном U учитываются и отриц-е полуволны напряжения фаз. В рез-те пульсации U0 имеет в 2 раза >частоту и меньшую амплитуду. Рис30 изображены диаграммы, когда обмотки тр-ра обладают существенной собственной индуктивностью L_S. В этом случае I0 макс весь период открытого диода, поэтому в индук-м R тр-ра при работе фазы создается запас энергии. На рис30 в тоске 0 первая фаза должна прекратить работу, но ток i₁ продолжает протекать на интервале угла перекрытия гамма-γ до тех пор, пока есть запас энергии в фазе1. В сою очередь в точке о открывается вентиль второй фазы и ее ток нарастает на интервале гамма т.о., что i₁+i₂

=const. Отриц-м здесь яв-ся искажение формы U. На интервале γ U₀=0,5(U₁+U₂). В рез-те U0 нес-ко снижается и появляется широкий спектр высших гармоник в выпрямленном U. Внешняя хар-ка выпрям-я –это зависимость выпрямительного U от выпрямительного I0. Эта хар-ка линейная и чем >m, тем больше наклон к оси абцисс.

14

Нагрузка в виде активного сопротивления

Это простейший случай, когда в ТВБ отсутствует сглаживающий фильтр(ФНЧ). От таких выпр-ей питаются вспомогательные цепи или неответственные потребители.Рассмотрим сх.5.Примем следующие допущения: реактивное сопр обмоток трансф-ра малы, активное сопр фазы трансф-ра , - сопр вентиля. , , . Расс-м рис25. Отриц-м полюсом яв-ся нулевая точка 2-ой обмотки трансф-ра(точка1). Каждая фаза работает 1 раз за период на интервале 2π/mГде m стремиться к m2. На рис 26 начало корд.помещено в точку t₀ , где вторичное напряжение фазы а(U_a) имеет макс значение U_2m. Тогда напряжение и ток каждой фазы вторичной обмотки тр-ра определяется через ф-ию cos. U_а(wt)=U_amcoswt,тогда ток фазы . На рис 26 в момент времени t1 Uв становиться>0, но диод этой фазы не открывается, т.к. Uв в обмотке <, чем потенциал в т. 1. Рис 25, к-й определяется e_а. Такая ситуация продолжается до т. t2, при t>t2 Uв>Uа и открывается вентиль Вb(рис25).На рис 25(б) выпр-е U имеет форму огибающей ЭДС ворич-х обмоток фаз, такую же форму имеет и выпрямительный ток.

Ср.значение U₀ определяется . Интервал повторяемости пульсации от - до . В этом выражение m=m₂ периодность схемы выпр-ия =3. пульсации выходного напряжения имеют период повторения от - до . После преобразования . Аналогично определяется ток. Коэфф пульсаций по k-ой гармоники в общем случае , . Обычно определяют по 1-й гармонике , k=1, если m=1, то , ТО на выходе выпрямителя однозначно определяется схемой выпр-ия, он >1 только для схем 1. для схем 2 и 3 – 0,67, 5 – 0,25, 6 – 0,057,а для 4 определяется емкостью конденсаторов На рис 26в ток через фазу вторичн.обмотки протекает в одном направлении и имеет постоян.составляющую,к-ая дополнительно намагничивает сердечник и увелич-ет потери в трансформаторе,ток первичн.обмотки рис 26г потребляется от сети и не может иметь пост.составл-ую. На рис 26д показано напряжение,к-ое прикладывается к к закр.вентилю,оно определяется как разность мгновен.зн-ий 2-ух др.фаз: Uобр =U_2m[cos(wt+π/m)-cos(wt-π/m)]=-2sin(π/m)sinwt

Uобр max=2πUо/m

16

Явление перекрытия фаз

На рис 30 изобоажены диаграммы для случая, когда обмотки обладают существенной собственной индуктивностью Ls, которое тоже вызывает эдс самоиндукции. Ток I₀ через фазу max весь период открытого диода поэтому в индуктивном сопр тр-ра при работе фазы создается запас энергии. На рис30 в т. 0 первая фаза должна прекратить работу, но ток i1 продолжает протекать на интервале угла перекрытия до

Дата добавления: 2015-08-28