Расчёт цепей переменного тока

Основы электротехники Расчет электрических цепей

Выпрямители переменного тока

Основные понятия о выпрямителях

Выпрямитель – устройство , преобразующее переменный ток в постоянный, точнее, пульсирующий с той или иной частотой, но имеющей одно направление . Его принцип действия основан на односторонней проводимости некоторых электронных приборов (вентилей). В качестве последних могут использоваться электровакуумные, ионные и полупроводниковые приборы. Наиболее широко в настоящее время используются полупроводниковые вентили: неуправляемые – диоды и управляемые – тиристоры. В состав выпрямительного агрегата, как правило, входят силовой (вентильный) трансформатор, блок вентилей, сглаживающий фильтр, блоки управления, защиты и сигнализации.

Выпрямители можно классифицировать по числу фаз, мощности и возможности регулирования.

В зависимости от числа фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные. В свою очередь, однофазные бывают однополупериодными, двухполупериодными с нулевой точкой и мостовыми. Наиболее часто используются на практике в однофазных цепях двухполупериодные схемы. Широкое применение в промышленности находят трехфазные выпрямители. Основными схемами таких агрегатов являются: схема с нулевой точкой и мостовая. Причем обе эти разновидности используются как самостоятельно, так и в составе более сложных схемных решений. В последнем случае нулевая или мостовая схема включаются последовательно или параллельно, с уравнительным реактором или без такового. Усложнение схемы позволяет повысить качество выпрямленного напряжения. Включение резистора и катушки на постоянное напряжение При этом решается уравнение токов аналогично предыдущему.

По выходной мощности выпрямительные агрегаты можно условно разделить на установки малой (до единиц киловатт), средней (до десятков киловатт) и большой мощности (сотни и более киловатт).

По возможности регулирования напряжения выпрямители делятся на неуправляемые, в которых вентилями служат диоды, и управляемые, построенные полностью или частично на полупроводниковых управляемых вентилях ─ тиристорах или ионных управляемых приборах ─ тиратронах.

Во всех выпрямителях вентили выполняют функции коммутирующих устройств, подключающих нагрузку к обмоткам вентильного трансформатора таким образом, что по ней проходит ток одного направления. Процесс перехода тока с одного вентиля на другой, называется коммутацией, а моменты времени, в которые это происходит, называются моментами коммутации. У идеального выпрямителя коммутация тока происходит мгновенно. В реальных схемах, из-за наличия индуктивности сети, индуктивности обмоток вентильного трансформатора и индуктивности токоведущих шин, коммутация тока с диода на диод происходит в течение некоторого времени, называемого временем коммутации. Это время зависит от эквивалентной индуктивности цепи, по которой протекает коммутируемый ток, от величины коммутируемого тока и от рабочего напряжения выпрямителя. В преобразовательной технике принято представлять время коммутации как некоторую долю периода переменного входного напряжения выпрямителя. Тогда время коммутации можно измерять в угловых единицах (градусах), а термин “время коммутации” преобразуется в “угол коммутации”.

Теперь рассчитываем правые части системы уравнений (69): Схема фазовращения Используется для дистанционной передачи угла поворота. Сельсин-датчик связан с осью механизма, угол поворота которой необходимо передать. На оси сельсина-приемника закреплена стрелка, отсчитывающая этот угол поворота (режим индикации). Обе обмотки возбуждения подключены к источнику переменного тока.

 (71)

Подставим в (69) численные значения найденных коэффициентов и потенциала , получим:

, далее

И теперь окончательно получаем систему уравнений для определения потенциалов  и :

.

Решим эту систему уравнений при помощи определителей:

 (73)

. (74)

Таким образом:

 (75)

.


Далее определяем токи:

.

Однофазная схема выпрямления с нулевой точкой.

Напряжение на нагрузке несинусоидальное пульсирующее, состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой.

Однофазная мостовая схема выпрямления Однофазная мостовая схема (рисунок 7.3) имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором резисторы заменены диодами.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя.

Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой Схема трёхфазного выпрямителя с нулевой точкой изображена на рисунке 7.5. Для её реализации необходимо наличие трёхфазного источника питания с нейтралью.

Напряжение на нагрузке состоит из отрезков синусоид длительностью 2π/3. Разложение такой периодической кривой в ряд Фурье имеет вид:.

Трехфазная мостовая схема выпрямления Трёхфазная мостовая схема с неуправляемыми диодами приведена на рисунке 7.7.

Максимальное значение тока диода в случае активной нагрузки . (7.39).

Фильтрация выпрямленного напряжения Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим.

Из формул для сопротивления реактивных элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки индуктивности (дросселя) растёт, а конденсатора уменьшается.

Цепь с резистором, катушкой индуктивности и конденсатором.

На рис. 22, а представлена электрическая цепь переменного тока, обладающая активным сопротивлением (резистор), индуктивностью (катушка) и емкостью (конденсатор).

В такой цепи действующее значение приложенного напряжения состоит из трех составляющих: активной (/а, индуктивной U L и емкостной Не '• U = U а + U l + l/c (суммирование производится геометрически, рис. 22, б).

Отдельные составляющие действующих значений напряжения:

ия = 1г, {/i = /Xi; Uc = Ixc.

Из векторной диаграммы видно, что активное падение напряжения t/a совпадает с током, индуктивное .U V опережает ток на 90°, а емкостное Uc отстает от тока на 90°.

Изтреугольника напряжений ОАО следует, что напря

(UL— [/ с)2

или

 жение, приложенное к цепи, И =

(xl Xc)\ xcf = U/z.

2 + (Ix L Ixcf = lVr2

Отсюда ток 7 = U / /г2 + (xl —

Эта формула выражает закон Ома применительно к неразветвленной цепи переменного тока.

Сдвиг по фазе между напряжением и током определитс* выражением: ф = arctg kl~xc.

Сопротивление цепи, определяемое формулой  z =

оя%/р + (х L— х с)2 = /г2 + (ш£ — 1/0)С)2, называется полным сопротивлением цепи. Сопротивление x = xl— xc [называется реактивным.

  Возможны следующие случаи соотношений xl и Хс' £&"•• xl>xc, тогда ф,>0, в цепи преобладает индуктивность;

Sf xl < хс, тогда ф < 0, в цепи преобладает емкость; Ш xl=xc, или o>L=l/<oC, тогда ф = 0,  созф=1, цепи минимальное, ток достигает при этом i возможного значения. Напряжения на зажимах катушки и конденсатора могут превосходить напряжение на зажимах цепи в десятки раз. Поэтому резонанс зи последовательном соединении элементов называют резонансом напряжений. Резонанс напряжений может воз«снуть только при небольших активных сопротивлениях Режим резонанса напряжений в технике сильных |ков является аварийным, так как при этом изоляция Щтушек конденсаторов может быть пробита. В высоко41стотной технике (радиотехнике) резонанс напряжений Щ||р|В1?1яется нормальным режимом и используется для уси

напряжений.

При угловой частоте о> подведенного напряжения резонанс напряжений можно получить путем изменения С или индуктивности цепи L так, чтобы ю! = ;^|"*=?:.1./в»С, или при постоянных L и С цепи — путем изменения частоты подведенного напряжения. '•:•"' Угловая частота собственных колебаний в контуре в»о= 1 / ]/LC или частота / = 1/2я ]/ТС, т. е. woT. = 1 /и>»С. ц Следовательно, явление резонанса имеет место при равенстве частот колебательного контура и источника переменного тока (Оо = to. Угловая частота юо, при которой наступает резонанс, называется резонансной угловой частотой цепи и зависит только от величины индуктивности и емкости цепи.

 

При резонансе напряжений энергия магнитного поля WM = Lr/2 равна энергии электрического поля W3 — = CU2/2 и передается от катушки к конденсатору и обратно при колебаниях тока и напряжения без потребле. ния энергии от источника. Возникают незатухающие колебания. Обмен энергией между катушкой и конденсатором совершается через источник энергии, который восполняет потери энергии в активных сопротивлениях.


Выпрямители переменного тока .