С.Н. Охулков ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

Кафедра “Теоретическая и общая электротехника”

Для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения

Федеральное агентство по образованию
Нижегородский государственный технический университет
им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

школа управления и технологий Очная и заочная форма обучения
- Автомобили и

автомобильное хозяйство - Автомобиле- и тракторостроение - Технология машиностроения

в электрические.

Как правило, это:
1. Электрические машины (генераторы)
переменного тока
2.

Гальванические и аккумуляторные элементы
и батареи из них

не от основных (источников первичного электропитания), а от источников вторичного

электропитания

сети переменного тока частотой 50 Гц.
Такие ИВЭ включают в

себя выпрямитель и стабилизатор.

По назначению источники вторичного электропитания классифицируются следующим образом:

- преобразователи переменного напряжения (трансформаторы);
- преобразователи постоянного напряжения в переменное;
- преобразователи постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины;
- преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители).

напряжение неизменного значения.

Управляемые выпрямители
применяют тогда, когда необходимо изменить

значение выпрямленного тока или напряжения.

Выпрямители бывают

неуправляемыми
управляемыми

однофазными,
а выпрямители большой мощности – трехфазными.
В зависимости от

числа фаз
первичного источника питания (сети переменного тока) различают выпрямители

однофазные
многофазные (обычно трехфазные)

основных вида нагрузки: активная,
активно-индуктивная,
активно-емкостная,
с противо-ЭДС.


Выпрямители

малой мощности обычно работают
на активную и активно-емкостную нагрузку.

Выпрямители средней и большой мощностей чаще всего питают активно-индуктивную нагрузку.

Нагрузку с противо-ЭДС выпрямитель имеет в том случае, когда он питает двигатель постоянного тока или используется для зарядки аккумуляторов.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяют на

однополупериодные
двухполупериодные

к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать. Например, если

напряжение сети соответствует требуемому значению выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях – стабилизатор постоянного напряжения.

которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения u2.

Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений u2, гальванически не связанных друг с другом. После трансформатора переменное напряжение u2 вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение u01. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении u01 помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение u02 на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Cm поддерживает неизменным напряжение uн на нагрузочном устройстве Rн при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления Rн.

выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных (со средней точкой и мостовой).

Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод Д
и нагрузочный резистор Rн.

т. е. принимают следующие допущения:

у трансформатора активное сопротивление

обмоток,
а у диода прямое сопротивление равны нулю;
обратное сопротивление диода равно бесконечности;
в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния.

При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС.

еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток i2 имеет постоянную

составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а, следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод
о недостатках этого выпрямителя:
большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения.

допускающих повышенную пульсацию;
мощность не более 10-15 Вт.
Однополупериодный выпрямитель

Диод в выпрямителях является основным элементом.

Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основные показатели выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде Uпр при прямом токе Iпр должно быть минимальным. В паспорте на диод указывают среднее значение прямого тока Iпр.ср, которое численно равно среднему значению выпрямленного тока Iн.ср, и среднее значение прямого падения напряжения Uпp.cp.

Uобр mах;
максимальный прямой ток Iпр mах,

соответствующий Iвыпр.mах.

Необходимо учитывать также
максимальную частоту диодов fmax.
В случаях превышения этой частоты, диоды теряют
вентильные свойства.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий
Iпр.ср >Iн.ср
Uобр mах > 2U2m
примерно с превышением в 30%.

обмотки трансформатора.

Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так

как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям, имеют более высокий КПД. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Двухполупериодные выпрямители

к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из

диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов (Д1, Д3 и Д2, Д4) работает поочередно.
Диоды Д1, Д3 открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u2 (интервал времени 0 – Т/2), когда потенциал точки a выше потенциала точки b. При этом в нагрузочном резисторе Rн появляется ток iн. В этом интервале диоды Д2, Д4 закрыты.
В следующий полупериод на­пряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 – Т) потенциал точки b выше потенциала точки а, диоды Д2, Д4 открыты, а диоды Д1, Д3 закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 1.3, ток через нагрузочный резистор Rн имеет одно и то же направление.

и сопротивления Rн мостовой выпрямитель
по сравнению с однополупериодным
имеет

следующие преимущества:

средние значения выпрямленных тока Iн.ср и напряжения Uн.ср в два раза больше, а пульсации значительно меньше.


Разложив напряжение uн в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

Кп2=0,67.
В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из

закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т.е.
U2m =2U2.
Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме. В этих блоках могут быть один (КЦ402) или два электрически не соединенных моста (КЦ403).

как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот

же нагрузочный резистор Rн (см. схему на следующем слайде).

Действительно, в каждый из полупериодов напряжения uab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя.
Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки о (интервал времени 0 – Т/2), диод Д1 открыт, диод Д2 закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки о.
В этот период времени в нагрузочном резисторе Rн появляется ток iн. В следующий полупериод напряжения uab (интервал времени Т/2 – Т) потенциал точки b выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки о. Диод Д2 открыт, а диод Д1 закрыт.

направление, что и в предыдущий полупериод.
При одинаковых значениях напряжений

U2a и U2b
эти токи будут равны.
Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовой выпрямитель, за исключением напряжения Uобр.max, которое определяется напряжением uab. При Uab=2U2 и одинаковых значениях сопротивлений нагрузочных резисторов Rн

Uобр.max = Uн.ср = 3,14Uн.ср.

Все остальные соотношения для токов и напряжений определяются, полученным для мостового выпрямителя, а коэффициент пульсаций Кп2=0,67

стоимость трансформатора
значительно больше, чем в однополупериодном
и мостовом выпрямителях,

поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее
число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Отметим, что достоинства этого выпрямителя,
присущие мостовому выпрямителю,
достигаются при вдвое меньшем количестве диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей .

Сглаживающие фильтры

можно выделить постоянные
и переменные составляющие.

Коэффициенты пульсаций выпрямленных напряжений,

вычисленные по этим формулам,
имеют следующие значения для:

однополупериодного однофазного выпрямителя – 1,57;
двухполупериодного однофазного выпрямителя – 0,67;
трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом – 0,25;
трехфазного мостового выпрямителя – 0,057.

напряжения с нагрузочным устройством Rн:
Структурная схема однофазного выпрямительного устройства

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов.

катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на

два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление).
Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:
Ксгл = Кп вх/ Кп вых
Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.
В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

параллельно нагрузочному резистору Rн.
Емкостные фильтры
а)
б)
Схемы емкостных фильтров с однополупериодным

(а)
и мостовым (б) выпрямителями

или сопротивления нагрузочного резистора Rн будет изменяться значение коэффициента пульсаций

выпрямленного напряжения.
При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе iн.
Разряд конденсатора Сф определяется постоянной времени разрядки разр = СфRн.
При постоянной времени разр  10 Т
коэффициент пульсаций, определяемый по формуле

где fосн – частота основной гармоники, не превышает 10^-2.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности Рн не более нескольких десятков ватт.

резистором Rн.
Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу

однозвенных фильтров.

Индуктивные фильтры

Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем

получается сглаженным.
Действительно, вследствие того, что ток в цепи с

дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напряжения u2, зависит от постоянной времени =Lф/Rн, длительность импульса тока увеличивается с ростом .
Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением:

Анализ этого выражения позволяет сделать вывод,
что фильтр будет работать тем эффективнее,
чем больше Lф или меньше Rн.
Обычно Lф >> Rн.

мощностей,
т. е. в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с

большими токами.
В выпрямителях малой мощности использование индуктивного фильтра Lф нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагрузочные устройства.
При этом выполнение условия
оснLф >> Rн
приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

LC-типа и RС-типа.
Г-образные фильтры
Схемы Г-образных
LC-фильтра (а) и RC-фильтра

(б)

а)

б)

Эти фильтры применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания.

значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций.

Снижение пульсаций LC-фильтром объясняется совместными

действиями индуктивной катушки и конденсатора. Снижение пере­менных составляющих выпрямленного напряжения обусловлено как сглаживающим действием конденсатора Сф, так и значительным па­дением переменных составляющих напряжения на дросселе Lф. В то же время постоянная составляющая напряжения на нагрузочном резисторе не уменьшается, так как отсутствует сколько-нибудь значительное падение напряжения этой составляющей на очень малом активном сопротивления дросселя.

емкостного фильтра Сф1 и Г-образного LC-фильтра LфСф2
или RC-фильтра RфСф2.

П-образные фильтры

Схемы П-образных
LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)

а)

б)

коэффициентов составных звеньев (фильтров).
Поэтому коэффициент сглаживания П-образного фильтра
где

КсглС, КсглГ – коэффициенты сглаживания С-фильтра и Г-образного фильтра.

При сопротивлениях нагрузочного устройства в несколько килоом
применяют П-образные СRС-фильтры,
а при малых сопротивлениях (несколько ом) – CLC-фильтры.
Наибольший коэффициент сглаживания П-образного фильтра достигается при условии
СФ1 = СФ2.
П-образные фильтры целесообразно применять, если коэффициент сглаживания должен быть равен 100—1000 и более.

Большой коэффициент сглаживания П-образного фильтра по сравнению с Г-образным достигается за счет ухудшения таких параметров выпрямителя, как габариты масса и стоимость.

на нагрузке с заданной степенью точности при изменении дестабилизирующих факторов

в заданных пределах

Стабилизаторы напряжения

стабилизации напряжения
или тока электропитания:

параметрический и компенсационный.
При

параметрическом способе
режим электропитания стабилизируется за счет применения элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой, имеющей пологий участок, в пределах которого стабилизируемый параметр (напряжение или ток) изменяется незначительно при воздействии дестабилизирующего фактора.

Параметрическим стабилизатором
напряжения (тока)
называется устройство, у которого стабилизирующие свойства определяются характеристикой нелинейного элемента и отсутствует элемент, измеряющий отклонение выходного напряжения (тока) от заданного значения.

отклонения выходного напряжения (тока) от заданного значения,
сравнения его с

эталонной величиной, и воздействия полученного сигнала рассогласования на регулирующий элемент. Регулирующий элемент при этом изменяет свое сопротивление таким образом, что компенсирует происшедшее отклонение выходной величины. При компенсационном способе стабилизации имеется отрицательная обратная связь между выходом стабилизирующего устройства и регулирующим элементом.

Компенсационным стабилизатором
напряжения (тока)
называется устройство, в котором имеются элемент, измеряющий величину отклонения выходного напряжения (тока) от заданного значения, и элемент, вырабатывающий
опорное напряжение.

Полученный в результате сравнения этих напряжений сигнал рассогласования управляет работой регулирующего элемента, изменение состояния которого приводит к компенсации происшедшего отклонения. Таким образом, действием компенсационного стабилизатора управляет отклонение выходной стабилизируемой величины от заданного значения.

следующим основным признакам:
по роду напряжения (тока): постоянного; переменного.

по способу стабилизации: параметрические; компенсационные.
по роду стабилизируемой величины: напряжения; тока.

Наиболее широкое применение в настоящее время находят компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения (тока) на полупроводниковых приборах, которые, в свою очередь, можно классифицировать по следующим признакам:
по способу включения регулирующего элемента и нагрузки: с последовательным включением; с параллельным включением.
по режиму работы регулирующего элемента:
с непрерывным регулированием; с импульсным регулированием.

В последние годы интенсивное развитие получили стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием
благодаря присущим им положительным свойствам
(высокий КПД, малые массы и габариты и т. д.).

основы электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю.

Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.: Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники /под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.: Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.