Схемы выпрямителей, фильтров. Расчет устройств

Схемы выпрямителей, фильтров
MATLAB приложение Simulink
Основные схемы выпрямления
Двухполупериодная схема со средней точкой
Мостовая схема схема Греца
Трехфазная нулевая (схема звезда-звезда)
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)
Выпрямительные диоды
Выбор вентилей выпрямительного устройства
Классификация сглаживающих фильтров
Коэффициенты фильтрации и сглаживания фильтра
Расчет Г-образного индуктивно-емкостного фильтра
Методики анализа и расчета выпрямителей
Примеры расчета выпрямителя с емкостным фильтром
Находим коэффициент трансформации
Расчет выпрямителей при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента
Модель выпрямителя с учетом активных сопротивлений в фазах
Моделирование электротехнических устройств в пакете MATLAB
Состав библиотеки Simulink
Измерительные блоки библиотеки Simulink
Осциллограф Scope
Создание собственных измерительных блоков в Simulink
Моделирование электротехнических устройств в SimPowerSystems
Источники электрической энергии Electrical Sources
Электротехнические элементы Elements
Особенности моделирования трансформаторных схем
Модели полупроводниковых ключевых элементов в SimPowerSystems
Примеры моделирования выпрямителя с емкостным фильтром в пакете MATLAB
Вариант модели мостового выпрямителя для параметрического анализа
Пример моделирования выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром в пакете MATLAB

Особенности применения электролитических конденсаторов в выпрямительных устройствах

При проектировании устройств электропитания схема фильтра и его параметры определяются исходя из требования сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. На практике в фильтрах выпрямительных устройств наибольшее применение нашли электролитические конденсаторы (ЭК). Электролитические конденсаторы обладают относительно высокими удельными емкостями   и удельными зарядами   [14], здесь   и  - соответственно объем конденсатора, его масса и стоимость. Чаще всего на практике в силовых устройствах применяются алюминиевые электролитические конденсаторы (АЭК). Их основными зарубежными производителями (см. список интернет-ресурсов) в настоящее время являются - Hitachi, Evox Rifa, EPCOS, Hitano и др.

По исполнению алюминиевые ЭК выпускаются в основном трех типов:

- с выводами под винт (в англоязычной терминологии – screw terminals);

- с выводами “с защелкиванием” (в англоязычной терминологии – snap-in terminals), обычно предусматривают установку ЭК на печатную плату;

- стандартные двухвыводные (single-ended).

Габаритные размеры ЭК обычно указываются в документации в виде DхL, где D (мм) - диаметр и L (мм) - длина ЭК [15].

Cтандартный ряд номинальных рабочих напряжений  (в англоязычной терминологии - working voltage, W.V.) на ЭК фирмы Hitachi [15] приведен в таблице 1.2 (до 500 В). Однако иногда у этого и других производителей встречаются серии на “промежуточные” рабочие напряжения, например – 75 В, 315 В, 420 В и т.д.

Таблица 1.2.

W.V.

6,3

10

16

25

35

50

63

80

100

160

180

200

250

350

400

450

500

S.V.

8

13

20

32

44

63

79

100

125

200

225

250

300

400

450

500

550

Также в таблице 1.2 указаны предельные напряжения (в англоязычной терминологии - surge voltage, S.V.), которые способны выдержать ЭК (с соответствующими ) в течение 30 сек согласно зарубежному стандарту JIS C5141.

Большинство выпускаемых ЭК имеют допускаемые отклонения емкости ±20% (M), реже встречаются серии с допусками: ±15% (GH), ±10% (K), ±5% (J), ±3% (H), -10 ~ +50% (T), -10 ~ +100% (W) [14, 15].

Конденсаторы в составе ФУ находятся под воздействием как постоянной составляющей , так и пульсирующей составляющей  напряжения. Известно [8, 14], что при эксплуатации конденсатора необходимо выполнять во всех режимах работы следующие условия:

- сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать номинального напряжения конденсатора

 ≥  +

- амплитуда переменного напряжения  не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности конденсатора. В большинстве отечественных технических справочниках [14] на конденсаторы приводятся номограммы для определения допустимой пульсации  при определенной частоте.

Помимо указанных требований важно обеспечить нормальный тепловой режим конденсатора ФУ, так как его несоблюдение является одной из основных причин отказов конденсаторов.

Реактивная мощность конденсатора на переменном напряжении (токе) равна произведению напряжения  определенной частоты f, приложенного к конденсатору, на силу тока , проходящего через него, и на синус угла сдвига фаз φ между ними:

  (1.9.1)

Ток, протекающий через идеальный конденсатор, определяется его емкостным сопротивлением:

,

где ω = 2πf - угловая частота. С учетом этого формула (1.9.1) может быть приведена к известному виду [14]:

  (1.9.2)

Для идеального конденсатора угол сдвига фаз φ = -90º, поэтому  = -1.

Реактивная мощность, на которую нагружается конденсатор, не должна превышать допустимого значения, которое и определяет величину допустимой пульсации  при определенной частоте f.

В схему замещения реального конденсатора входят [16] включенные последовательно: идеальный конденсатор С, эквивалентная последовательная индуктивность  (equivalent series inductance) и эквивалентное последовательное сопротивление  (equivalent series resistance). Активное сопротивление  включает сопротивление выводов, контактного узла и сопротивления обкладок и учитывает все внутренние потери в конденсаторе и его тепловой режим. Также параллельно емкости С может быть включен резистивный элемент, учитывающий ток утечки конденсатора (leakage current).

В такой схеме замещения угол сдвига фаз φ близок к 90º, а  ≈ 1 (знак минус здесь и далее опускаем). При расчетах реальных конденсаторов применяется угол δ = (90º - φ), называемый углом потерь, который дополняет до 90º угол сдвига фаз (φ + δ) = 90º [14]. Можно показать, что

 , (1.10)

Таким образом, активная мощность потерь в конденсаторе [8]:

, (1.11)

т.е. тангенс угла потерь δ (tangent of loss angle или dissipation factor) характеризует потери энергии в конденсаторе. Для каждой серии конденсаторов указывается максимальное значение tgδ, которое, если не оговаривается особо, измеряется на частоте 100 (120) Гц при 20º C.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)