Трансформаторы и преобразование переменного тока. Преобразовательные устройства в системах электроснабжения

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии.

Чаще всего требуется:

(электрохимические и электролизные ванны, электропривод постоянного тока, электрический транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);

непромышленной частоты ( , регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим возникает необходимость а преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.

Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Классификация устройств преобразовательной техники

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей , по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:

Полупроводниковые преобразователи обладают высокими регулировочными и энергетическими показателями;

Имеют малые габариты и массу;

Просты и надежны в эксплуатации;

Обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразователи получили широкое применение: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения основных видов преобразовательных устройств .

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U~ → U=).

Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U= → U~).

Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (Uf1 → Uf2).

Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1~ → U2~).

Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники . Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства , разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, , симисторы и , работающие в ключевом режиме.

1. – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп ≤ 1А), диоды средней мощности (Iа доп = 1 - 10А) и диоды большой мощности (Iа доп ≥ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока , Iа доп, А, и наибольшее обратное напряжение , Ubmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-n – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения.

Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и .

Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного дио-да).

Рис. 1 - Условное обозначение и обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода.

– это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры , имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.

Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.

Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента тиристора.

Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, Iа доп, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, Uа max, В, допустимое обратное напряжение, Ubmax, В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.

Рис. 2 –

Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии , Iуд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.

Другие виды преобразовательных устройств

Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и n -слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора.

Работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

к.т.н. Коляда Л. И.

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжениямогут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

Инвертирующие.
Повышающие.
Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

Ключевой коммутирующий элемент.
Источник питания.
Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение иного значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:

Магнитопровод.
Первичная и вторичная обмотка.
Каркас для обмоток.
Изоляция.
Система охлаждения.
Иные элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и иные виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.

Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.

В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:

Регуляторы напряжения.
Преобразователи уровня напряжения.
Линейный стабилизатор напряжения.

Преобразователи переменного тока в постоянный:

Импульсные стабилизаторы напряжения.
Блоки питания.
Выпрямители.

Преобразователи постоянного тока в переменный:

Инверторы.

Преобразователи переменного напряжения:

Трансформаторы переменной частоты.
Преобразователи частоты и формы напряжения.
Регуляторы напряжения.
Преобразователи напряжения.
Трансформаторы разного рода.

Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:

На пьезоэлектрических трансформаторах.
Автогенераторные.
Трансформаторные с импульсным возбуждением.
Импульсные источники питания.
Импульсные преобразователи.
Мультиплексорные.
С коммутируемыми конденсаторами.
Бестрансформаторные конденсаторные.

Особенности

При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение

Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6-24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
Для питания различных цепей;

Автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

Достоинства и недостатки

К достоинствам преобразователей напряжения можно отнести:

Обеспечение контроля входного и выходного режима тока. Эти устройства трансформируют переменный ток в постоянный, служат в качестве распределителей напряжения постоянного тока и трансформаторов. Поэтому их часто можно встретить в производстве и быту.
Конструкция большинства современных преобразователей напряжения имеет возможность переключения между разным входным и выходным напряжением, в том числе предполагает выполнение подстройки выходного напряжения. Это позволяет подбирать преобразователь напряжения под конкретный прибор или подключаемую нагрузку.
Компактность и легкость бытовых преобразователей напряжения, к примеру, автомобильных преобразователей. Они миниатюрны и не занимают много места.
Экономичность. КПД преобразователей напряжения достигает 90%, благодаря чему существенно экономится энергия.
Удобство и универсальность. Преобразователи позволяют подключать быстро и легко любой электроприбор.
Возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния благодаря повышению напряжения и так далее.
Обеспечение надежной работы критических узлов: охранных систем, освещения, насосов, котлов отопления, научного и военного оборудования и так далее.

К недостаткам преобразователей напряжения можно отнести:

Восприимчивость преобразователей напряжения к повышенной влажности (кроме преобразователей, специально созданных для работы на водном транспорте).
Занимают некоторое место.
Сравнительно высокая цена.

Трансформатор электрический

Трансформа́тор электри́ческий

устройство, преобразующее одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. В простейшем случае состоит из магнитопровода (сердечника, набранного из листовой стали) и расположенных на нём двух обмоток: первичной и вторичной. Преобразуемый ток подаётся в первичную обмотку; возникающий при этом в сердечнике переменный магнитный поток наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу взаимоиндукции. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной (или наоборот); такие трансформаторы называются автотрансформаторами. Отношение напряжений в обмотках равно отношению числа витков в них. Основной вид электрического трансформатора – силовые трансформаторы, среди которых наиболее распространены двухобмоточные силовые трансформаторы, устанавливаемые на линиях электропередачи (ЛЭП). Такие трансформаторы повышают напряжение тока, вырабатываемого генераторами электростанций, с 10–15 до нескольких сотен киловатт, что позволяет передавать электроэнергию по воздушным ЛЭП на несколько тысяч километров. В местах потребления электроэнергии при помощи силовых трансформаторов высокое напряжение преобразуют в низкое (380 В, 220 В и др.). Помимо силовых, существуют электрические трансформаторы, предназначенные, напр., для измерения больших напряжений и токов, преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсное (пик-трансформатор), преобразования импульсов тока и напряжения (импульсный трансформатор), выделения переменной составляющей тока, разделения электрических цепей на гальванически не связанные между собой части, их согласования и др.

1 и 2 – первичная и вторичная обмотки соответственно с числом витков W1 и W2; 3 – сердечник; Ф0 – основной магнитный поток; Ф1 и Ф2 – потоки рассеяния; I1 и I2 – токи в первичной и вторичной обмотках; U1 – напряжение на первичной обмотке; U2 – напряжение на вторичной обмотке (W1/W2 = U1/U2); Rн – сопротивление нагрузки

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Смотреть что такое "трансформатор электрический" в других словарях:

ТРАНСФОРМАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ - статическое (без движущихся частей) электромагнитное устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток др. напряжения той же частоты. Принцип его действия основан на явлении взаимной индукции (см. (1)).… … Большая политехническая энциклопедия

Не имеющее подвижных частей электромагнитное устройство, служащее для передачи посредством магнитного поля электрической энергии из одной цепи переменного тока в другую без изменения частоты. Трансформатор может повышать его напряжение… … Энциклопедия Кольера

Статическое (не имеющее подвижных частей) устройство для преобразования переменного напряжения по величине. В основе действия Т. э. лежит явление индукции электромагнитной (См. Индукция электромагнитная). Т. э. состоит из одной первичной… …

Статическое (не имеющее подвижных частей) устройство, преобразующее псрем. ток одного напряжения в перем. ток другого напряжения (при неизменной частоте). В основе действия Т. э. лежит явление электромагнитной индукции. Состоит из магнитопровода … Большой энциклопедический политехнический словарь

- … Википедия

Электрический трансформатор, служащий для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем, в радиотехнических устройствах, системах автоматики и др. и работающий при постоянном действующем значении… … Большая советская энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения). Трансформатор силовой ОСМ 0,16 Однофазный сухой многоцелевого назначения мощностью 0.16 кВт … Википедия

трансформатор напряжения - измерительный электрический трансформатор для преобразования высокого напряжения в низкое в целях измерения и контроля. Трансформаторы напряжения подразделяют на трансформаторы переменного напряжения (обычно их называют… … Энциклопедический словарь по металлургии

Силовой Трансформатор электрический, допускающий изменение Трансформации коэффициента (а следовательно, амплитуды вторичного напряжения) без разрыва цепи нагрузки. Применяется преимущественно при необходимости перераспределения мощности… … Большая советская энциклопедия

Измерительный Трансформатор электрический, предназначенный для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях измерения и контроля. Применение Т. н. позволяет изолировать цепи вольтметров, частотометров, электрических счётчиков,… … Большая советская энциклопедия

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя

В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U 0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения U d (пульсации). Это действие часто называется "сглаживанием" выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания Δf f c .

Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный

На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой ω c . За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ω c . Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое U 1 = U m sinω c t , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя

Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный

В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке U H в два раза выше частоты сети ω c , что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя

В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.

Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.

Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя

Литература:

Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия производится и распределяется по электрическим промышленным и бытовым сетям, главным образом, на переменном токе. В то же время потребление электроэнергии в большом числе применений происходит на постоянном токе (электронная аппаратура, электротранспорт, гальванотехника, электросварка и т.д.). В связи с этим широкое применение в электронике и электротехнике находят выпрямители – устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Значительно реже, но применяются в качестве первичного источника энергии и источники постоянного тока (химические и солнечные элементы, генераторы постоянного тока и т.д.). При этом потребителям может требоваться электроэнергия переменного тока (электроприводы на базе двигателей переменного тока). Устройства, преобразующие электроэнергию постоянного тока в энергию переменного тока, называются инверторами .

Кроме того, напряжение первичного источника энергии обычно изменяется в некоторых пределах, и если нагрузке необходим неизменный уровень напряжения, то требуется стабилизация . С другой стороны, для реализации различных технологических процессов может возникать необходимость изменения напряжения по определённому закону. В таких случаях требуется регулирование напряжения .

Отрасль знаний, связанная с изучением преобразования параметров электрической энергии, называется преобразовательной техникой . Устройства преобразовательной техники реализуются на базе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тиристоров, транзисторов. В дисциплине «Основы преобразовательной техники» изучаются устройства, в основу построения которых положено применение неуправляемых приборов (диодов) и не полностью управляемых (тиристоров). Устройства на полностью управляемых приборах (транзисторах) изучаются в дисциплине « Энергетическая электроника».

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передаётся посредством трёхфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжений. Для большинства стран, в том числе и России, промышленная частота f = 50 Гц, значение напряжения U = 220 или 380 В. В некоторых странах (США, Япония, Чехия, Словакия и др.) стандартная частота вырабатываемой электроэнергии f = 60 Гц. Однако для большого количества потребителей в народном хозяйстве требуется для питания другой вид электроэнергии:

▪ электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппаратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев);

▪ электрическая энергия переменного тока стандартной частоты, но с другим значением напряжения;

▪ электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрева и др.);

▪ электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.).

Приведённые примеры далеко не полностью охватывают ситуации, когда необходимо преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Примерно 50 % всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии. Как видно, технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами электроники и, в частности, успехами преобразовательной техники.

Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определённой последовательности (по заданному алгоритму) . Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. В ряде случаев включение последующего вентиля преобразователя приводит к автоматическому выключению предыдущего вентиля под действием напряжения питания. Процесс перехода тока от одного вентиля к другому называется процессом коммутации . Если источником коммутирующего напряжения служит сеть переменною напряжения, питающая преобразователь, то коммутацию называю сетевой (естественной ), а такие преобразователе называют преобразователями, ведомыми сетью (зависимыми преобразователями ). Если в качестве источника коммутирующего напряжения используется вспомогательный источник питания, то такую коммутацию называют принудительной (искусственной ). В последнем случае могут быть использованы полностью управляемые вентили.

ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основные виды устройств преобразовательной техники

Все преобразователи делятся на 2 большие группы:

▪ электромашинные преобразователи – преобразователи на основе электрических машин ;

▪ с татические преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты, которые не содержат подвижных частей , состоят из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Основные виды преобразователей символически изображены на рис. 1.

Дадим определения некоторых видов устройств преобразовательной техники.

Выпрямители (AC - DC -преобразователи ) – преобразователи переменного (двухполярного) напряжения U ~ в постоянное (однополярное) напряжение U = (рис. 1, а ).

Инверторы (DC - AC -преобразователи ) – преобразователи постоянного напряжения U = в переменное (двухполярное) напряжение U ~ (рис. 1, б ).

Преобразователи частоты (ПЧ) – это преобразователи переменного напряжения одной частоты U f 1 в переменное напряжение другой частоты (постоянной или регулируемой) U f 2 (рис. 1, в ).

Преобразователи числа фаз – это преобразователь фазного переменного входного напряжения U m 1 с числом фаз т 1 в переменное напряжение U m 2 с другим числом фаз т 2 (рис. 1, г ).

Регуляторы (трансформаторы ) постоянного напряжения (DC - DC -преобразователи ) – это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U =1 в постоянное напряжение другого значения U =2 (рис. 1, д ).

Регуляторы переменного напряжения – это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного значения U ~1 в переменное напряжение другого значения U ~2 (рис.1,е ).

Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др.

Используя названные типы преобразователей, можно решать различные задачи и создавать преобразовательные установки для питания конкретных потребителей.

Элементная база, используемая в преобразователях

Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме . В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность , что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжениям на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых перечислены ниже и представлены на рис 2 (для каждого прибора даны его символическое изображение и типовая вольт-амперная характеристика).

Диоды (рис. 2, а ). Проводимость диода зависит от полярности приложенного к нему напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток I а.доп < 1 А), средней мощности (I а.доп = 1…10 А) и большой мощности (I а.доп > 10 А).

По назначению диоды делятся на низкочастотные (f доп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (f доп > 500 Гц). Высокочастотные диоды Шоттки имеют время восстановления доли микросекунд.

Однооперационные тиристоры (рис. 2, б ). Прибор переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения. Промышленность выпускает тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимыенапряжения единицы киловольт с временем восстановления управляющих свойств от сотен микросекунд до долей микросекунды.

Двухоперационные (запираемые) тиристоры [GTO (Gate Turn - Off ) thyristor ](на рис. 2, в ). Эти приборы имеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно закрыть (запереть) по цепи управления.

Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления. Однако существующие двухоперационные тиристоры выпускаются промышленностью на значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные тиристоры (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Кроме того, они имеют меньший коэффициент усиления, т.е. для того чтобы выключить двухоперационный тиристор, по цепи управления необходимо пропустить импульс тока, соизмеримый по значению со значением выключаемого тока.

Аналогичные вольт-амперные характеристики имеют фототиристоры и оптронные тиристоры , в которых сигнал управления передаётся световым лучом.

Симисторы (рис. 2, г ). Эти приборы могут проводить ток в обе стороны, т.е. симистор – это не что иное, как два тиристора, включенных антипараллельно .

Обозначение на схемах

Фото современных симисторов

Симистop (симметричный триодный тиристор ) или триак (от англ. TRIAC – triode for alternating current ) – полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний – выводом 2 или условным анодом, вывод справа – управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания . Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Симистор был изобретен в г. Саранске на заводе «Электровыпрямитель» в 1962-1963 г. начальником конструкторского бюро Василенко Валентиной Стефановной. Запатентован в СССР с приоритетом от 22 июня 1963 года, на полгода ранее, чем в США.

Структура

Симистор имеет пятислоевую структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Эквивалентная схема симистора

Управление

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток (а именно, больший управляющий ток требуется в четвёртом квадранте, т. е. когда напряжение на условном аноде имеет отрицательную полярность, а на управляющем электроде – положительную).

Ограничения

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора. Существуют и другие параметры, на которые накладываются ограничения в соответствии с предельно-допустимыми режимами эксплуатации. К таким параметрам относятся ток и напряжение управляющего электрода, температура корпуса, рассеиваемая прибором мощность и пр.

Опасность превышения по скорости нарастания тока заключается в следующем. Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины. Это сопровождается выделением тепловой энергии, которая не успевает рассеяться и может привести к перегреву и повреждению кристалла.

Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является включение варистора параллельно основным выводам симистора. Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют так называемую снабберную цепочку (RC-цепь), подключаемую аналогично.

Устойчивость симистора к разрушению при превышении допустимой скорости нарастания тока (dI/dt) зависит от внутреннего сопротивления и индуктивности источника питания и нагрузки. При работе на емкостную нагрузку необходимо внести в цепь небольшую индуктивность.

Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, показаны на рис. 1.2, д. В отличие от двухоперационных тиристоров в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всём этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

Полевые транзисторы (рис. 1.2, е ). Преимущество полевого транзистора перед биполярным транзистором заключается в том, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т.е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя.

IGBT -транзистор (Insolated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (рис. 2, ж ). Это наиболее перспективный тип ключевых управляемых приборов. Он представляет собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления.

Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию электронных ключей, уменьшение их установленной мощности, снижение потерь и уменьшение мощности управления. В настоящее время выпускаются интегральные блоки, в состав которых входят не только элементы силового ключа, но и формирователи сигналов управления этими ключами (драйверы ), или, как их иначе называют, формирователи сигналов управления (ФСУ).

На рис. 3 представлены принципиальные схемы таких ключей с двухсторонней проводимостью в интегральном исполнении. На рис. 3, а показан одиночный ключ с обратным диодом и формирователем сигнала управления ФСУ. На рис. 3, б изображена схема полумоста, состоящая из двух аналогичных ключей со своими ФСУ. Такой блок является составной частью большинства устройств преобразовательной техники. Интегральная схема, содержащая три полумоста с драйверами, является основной составной частью преобразователей электрической энергии.

Структурная схема интегрального интеллектуального модуля приведена на рис. 4. В состав интегральной схемы помимо модуля силового блока и драйвера входит диагностический блок , который контролирует токи и напряжения на силовых элементах, температуру структуры и вырабатывает сигналы, блокирующие драйвер при возникновении аварийных режимов. Кроме того, интеллектуальный модуль имеет диагностические выводы, по сигналам которых можно судить о причине блокировки сигналов управления силовыми транзисторами.

Рис. 4

МАЛОМОЩНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Основные блоки выпрямительных установок

Бытовая электронная аппаратура, а также аппаратура, используемая в измерительной технике, системах управления и ряде других устройств, питается от сети переменного напряжения, тогда как отдельные узлы аппаратуры должны питаться постоянным напряжением (питание усилителей, устройств вычислительной техники и др.).

Рис. 1. Структурная схема маломощного источника питания

На рис. 1 приведена структурная схема маломощного источника питания, имеющая следующие элементы:

T – согласующий трансформатор (понижающий или повышающий ), который служит для согласования действующего значения напряжения U c и требуемого среднего значения напряжения на нагрузке U н;

В – вентильный комплект , служащий для преобразования переменного напряжения в напряжение, имеющее постоянную составляющую;

Ф – фильтр , предназначенный для уменьшения пульсации напряжения на нагрузке до требуемого уровня;

С – стабилизатор напряжения , служащий для стабилизации среднего значения напряжения на нагрузке при колебаниях значения питающего напряжения или при изменении тока нагрузки;

На практике некоторые блоки (кроме вентильного комплекта) могут отсутствовать в зависимости от значения постоянного напряжения на нагрузке и требований к его качеству.

Маломощные выпрямители, как правило, питаются от однофазной сети переменного напряжения 220 В. В качестве выпрямителей используются две основные схемы двухполупериодного выпрямления :

а) двухполупериодный выпрямитель по схеме с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора ;

б) однофазная мостовая схема выпрямления .

Проведём анализ работы каждой из названных схем при их работе на активную нагрузку и с различными типами фильтров. При анализе схем сделаем следующие допущения :

▪ вентили идеальные, т.е. прямое падение напряжения и обратный ток вентилей равны нулю;

▪ трансформатор идеальный, т.е. ток намагничивания, активное сопротивление обмоток трансформатора и индуктивность рассеяния трансформатора равны нулю;

▪ сопротивление подводящих проводов равно нулю.

Однофазный выпрямитель по схеме с нулевым выводом, работающий на активную нагрузку

Схема выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие её работу, приведены на рис. 2 и 3.

Трансформатор Т , имеющий одну первичную обмотку и две вторичные обмотки, соединённые последовательно, предназначен в этой схеме как для согласования значения питающего напряжения и напряжения на нагрузке, так и для создания средней точки, служащей одним из полюсов напряжения на нагрузке. Очевидно, что ЭДС на вторичных обмотках е 2а и е 2 b относительно нулевой точки будут в противофазе (рис. 3, б ). В каждый момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого положителен. Так, для момента времени t 1 (рис. 3, б ), потенциал фазы а положителен. Значит, ток будет проводить диод VD 1 (полярность напряжения на вторичных обмотках трансформатора для момента времени t 1 показана на рис. 2). Поскольку падение напряжения на диоде в проводящем состоянии близко к нулю, все напряжение фазы приложено к нагрузке (е 2 а = U d ).

Рис. 2

Рис. 3

Через половину периода питающего напряжения фаза b становится положительной, начинает проводить ток диод VD 2 и к нагрузке прикладывается напряжение фазы е 2 в с той же полярностью, что и в предыдущем полупериоде (рис. 3, б ). Далее процесс повторяется.

Форма тока нагрузки (рис. 3, в ) будет повторять форму напряжения (так как нагрузка чисто активная). Диоды VD 1 и VD 2 проводят ток нагрузки поочерёдно, когда потенциал соответствующего диода становится положительным. Поэтому ток диода повторяет форму тока нагрузки на этапе проводимости, но протекать он будет только в течение полупериода питающего напряжения (рис. 3, г ).

Форма и значение тока в первичной обмотке трансформатора определяются током во вторичной обмотке трансформатора i 2 и коэффициентом трансформации трансформатора K т (так как i 1 = i 2 /K т). На принципиальной схеме выпрямителя хорошо видно, что токи вторичных обмоток трансформатора фаз а и b протекают в разные стороны. Значит, индуцируемый в первичную обмотку трансформатора ток также будет разнополярным и имеющим синусоидальную форму (рис. 3, а ). Изменение напряжения на диоде во времени показано на рис. 3, д. Падение напряжения на диоде близко к нулю на интервале проводимости тока. На интервале закрытого состояния диода (например, VD 1 на интервале π–2π) к диоду VD 1 прикладывается суммарное напряжение двух обмоток трансформатора (u а.к = –е 2 а – е 2 b = – 2е 2) через открытый диод VD 2.

Учитывая вышеизложенное, можно приступить к расчёту рассматриваемой схемы. Рассчитать выпрямитель – это значит определить предельные значения токов и напряжений в различных ветвях и точках схемы и по расчётным значениям выбрать элементы и параметры схемы: диоды, коэффициент трансформации трансформатора, сечение проводов обмоток и мощность трансформатора, от которой зависит сечение магнитопровода. Для выбора диодов необходимо определить среднее значение тока, протекающего через диод, и максимальное значение напряжения, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии. Диод перегревается и сгорает при превышении током, протекающим через диод, среднего допустимого значения. Диод пробивается при превышении напряжением, прикладываемым к нему, допустимого напряжения.

Для выбора трансформатора необходимо определить коэффициент трансформации

K т = w 1 /w 2 = U 1 /U 2 = I 2 /I 1 = .

По действующим значениям токов, протекающих через обмотки трансформатора, рассчитывается диаметр провода обмоток трансформатора (с учётом, что допустимая плотность тока J = 3–5 А/мм 2).

Типовая мощность трансформатора Р т определяется как полусумма мощностей всех обмоток трансформатора:

где P i – мощность каждой обмотки трансформатора.

Значением типовой мощности трансформатора определяется сечение магнитопровода трансформатора. Ориентировочно сечение магнитопровода можно найти по формуле