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

Модуль полного комплексного сопротивления реального конденсатора, исходя из схемы замещения (без учета тока утечки), на частоте f переменного напряжения (тока) [14]:

 Для примера на рис. 1.13 приведены зависимости модуля полного комплексного сопротивления от частоты f ЭК серии B41231 [17].

Схема замещения реального конденсатора представляет собой последовательный резонансный контур, для которого условие резонанса:

, при этом

и резонансная частота конденсатора:

  (1.12)

На частотах ниже резонансной полное комплексное сопротивление конденсатора носит емкостной характер, на частотах выше резонансной – индуктивный. Конденсатор работает эффективно только на частотах [8]:

  (1.13)

Для ЭК разных серий резонансная частота лежит в диапазоне от нескольких кГц до МГц. Так для примера на рис. 1.13  для ЭК серии B41231 составляет порядка 10 кГц. Зная резонансную частоту и емкость ЭК можно определить .

1_10

Рис. 1.13. Зависимости модуля полного комплексного сопротивления от частоты f ЭК серии B41231 (EPCOS AG 2008).

Угол сдвига фаз φ можно определить согласно

,

взяв tg от левой и правой части этого уравнения и учтя, что , придем к выражению:

 или .

С учетом соотношения (1.13) будем считать, что характер реактивного сопротивления чисто емкостной ( >> ) [14], тогда придем к еще одной важной формуле для определения тангенса угла потерь δ [15]:

 (1.14)

Эффективным способом увеличения резонансной частоты и уменьшения   является параллельное подключение к электролитическому конденсатору другого конденсатора – керамического или пленочного небольшой емкости, но имеющего значительно большую резонансную частоту. Пульсация на выходе такой пары конденсаторов уменьшается по сравнению с включением только одного электролитического конденсатора [8].

 Если известно действующее значение тока , протекающего через конденсатор, то мощность потерь [8, 16]:

 (1.15)

Диапазон значений  выпускаемых ЭК лежит в пределах от нескольких мОм до Ом. Исследования показывают, что в области рабочих температур от 20˚С до 85˚С величина  меняется незначительно от номинальной (в пределах 30-50%) в сторону уменьшения. При температурах от 0˚С и ниже величина   существенно возрастает, что является одной из причин повышения пульсации напряжения на выходе ФУ при пониженной температуре окружающей среды. Высокими значениями , как правило, обладают ЭК серий с повышенной перегрузочной способностью к перенапряжениям, например серии SS2 и SS3 Overvoltage Resistance фирмы Hitachi [15].

В случае сложного спектрального состава тока, протекающего через конденсатор, для каждой гармоники  принимает свое значение и для вычисления полной мощности потерь необходимо суммировать потери от каждой гармоники [16]:

 (1.16)

где  - действующее значение i-ой гармоники тока,  - величина эквивалентного сопротивления для i-ой гармоники. Допустимая мощность потерь определяется допустимой температурой нагрева конденсатора и его тепловым сопротивлением.

Ведущие зарубежные производители конденсаторов обычно указывают в технических данных на конденсатор величину  при температуре 20˚С и частоте тока 100 Гц (120 Гц). Для определения величины  при другой рабочей температуре и на другой частоте вводятся коэффициенты пересчета по температуре  и для гармоник других частот , величины которых определяются из таблиц технических данных или графиков. Примеры зависимостей коэффициентов пересчета для ЭК серии PEH 536 (Evox Rifa) приведены на рис. 1.14 [18].

1_11

Рис. 1.14. Типовые зависимости коэффициентов пересчета для ЭК

серии PEH 536 (Evox Rifa).

Если данные о коэффициентах пересчета отсутствуют, то можно приближенно пользоваться данными [16] (рис. 1.15). За базовое значение здесь также принято (100 Гц, 20º С), порядок определения  рассмотрим далее.

ris_1_14n

Рис. 1.15. Таблица коэффициентов пересчета  по температуре  и для гармоник других частот (Evox Rifa).

Допустимое действующее значение i-ой гармоники тока находится из формулы (1.16) при заданной рабочей температуре (при этом все остальные гармоники тока полагаются равными нулю) и обычно также приводится в технических условиях производителей (в англоязычной терминологии maximum ripple current). Обычно за базовое берется допустимое действующее (реже амплитудное) значение тока через ЭК с частотой 100 Гц (120 Гц)  и приводятся таблицы или графики коэффициентов пересчета по температуре  и для гармоник других частот  [15, 16].

В настоящее время зарубежные компании выпускают улучшенные серии (в англоязычной документации - high ripple current capability) алюминиевых электролитических конденсаторов со сниженными значениями , например серии PS2 и US2 фирмы Hitachi, специально созданные для использования в силовых фильтрах выпрямителей и инверторов [15].

Таким образом, при выборе конденсатора целесообразно оценивать допустимое действующее значение тока, протекающего через него, а не только допустимую амплитуду пульсаций напряжения, как это обычно принято в отечественных технических условиях.

При тепловом расчете ЭК необходимо определить температуру в наиболее нагретой точке ЭК - точка перегрева (в англоязычной документации hot-spot temperature [16])

 (1.17)

где  - температура окружающей среды (в англоязычной документации - ambient temperature),  - тепловое сопротивление “точка перегрева - окружающая среда”,  - мощность потерь в ЭК,  - разность температур “точка перегрева - окружающая среда”. Обычно точка перегрева расположена в геометрическом центре ЭК, поэтому в англоязычной документации также часто пользуются понятием “core temperature” [15], т.е. температура центра ЭК.

 Тепловое сопротивление , для случая охлаждения без установки ЭК на радиатор, в свою очередь определяется как

,

где  - тепловое сопротивление “точка перегрева - корпус” (зависит от конструкции ЭК),  - тепловое сопротивление “корпус - окружающая среда” (зависит от режима охлаждения ЭК). Поскольку расчету подлежит статический режим работы ЭК, то в данном случае тепловой инерцией, связанной с наличием тепловой емкости  ЭК, пренебрегаем.

 К сожалению, в каталогах большинства фирм-производителей не приводятся данные тепловых характеристик. Такие данные имеются только для ЭК ряда типоразмеров фирмы Evox Rifa (рис. 1.16). Данные [16] приведены для скоростей потока воздуха V = 0,5 м/сек и 2,0 м/сек, с увеличением скорости потока величины  и  снижаются. Как видно из данных (рис. 1.16) для ЭК с одинаковыми габаритами их тепловые сопротивления  (при одинаковых скоростях V) также имеют сходные величины. Таким образом, эти данные подходят для приближенного расчета теплового режима других ЭК со сходными габаритами.

ris_1_13

 а) б)

Рис. 1.16. Таблицы тепловых сопротивлений  для ЭК серий

а) PEH 506 и б) PEH 169 (Evox Rifa).

Недостатком электролитических конденсаторов является то, что в течение срока службы (operational life - ) они теряют со временем свои рабочие характеристики, так как подвержены эффекту высыхания. Два основных параметра, влияющих на срок службы ЭК – это рабочие напряжение  и температура  [15, 16].

Под сроком службы понимается время, в течение которого параметры ЭК находятся в пределах определенных допусков, которые в свою очередь устанавливаются фирмой производителем. Так Evox Rifa определяет предельное состояние ЭК [16]:

- изменение емкости более 15%;

- увеличение  более чем в 2 раза;

- увеличение tgδ более чем в 1,3 раза;

 Со временем  увеличивается, что приводит к росту температуры ЭК и сокращению его срока службы. Однако одновременное снижение емкости приводит к увеличению емкостного сопротивления и уменьшению тока через конденсатор, что несколько компенсирует эффект от увеличения .

  • На блоке развертка поставить ступенчатый переключатель время/дел. в положение 2ms/дел (возможно, что для получения наилучшей развертки в процессе проведения опыта нужно будет переключить в позицию 1ms/дел)
  • Для колебательного режима по данным опытов определить угловую частоту собственных колебаний контура wсв
  • Исследование полупроводниковых выпрямителей Изучить свойства маломощных полупроводниковых выпрямителей при одно- и двухполупериодном выпрямлении, путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего амплитудного значений выпрямленного напряжения.
  • Выпрямитель состоит из четырех основных элементов: силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы вентилей, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети или сопротивления нагрузки
  • Здесь к одной диагонали моста, образованного вентилями В1-В4, подведено переменное напряжение, а к другой подключен нагрузочный резистор Rн
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)