Источники вторичного электропитания
Типовые структуры
Структура ИВЭП, используемых в системах автоматизации, зависит от типа первичного источника электрической энергии. Все используемые первичные источники можно разделить на две большие группы: источники переменного напряжения и источники постоянного напряжения. Источники переменного напряжения обычно вырабатывают напряжение гармонической формы с фиксированной частотой 50, 400 или 1000 Гц и фиксированным значением 110, 127, 220 или 380 В. Источниками постоянного напряжения могут быть аккумуляторы, солнечные батареи, ветрогенераторные установки. Аккумуляторные батареи обычно имеют также фиксированное напряжение из ряда: 6, 12, 24 или 48 В.
Источники вторичного электропитания, использующих электроэнергию, получаемую от сети переменного напряжения через силовой трансформатор, можно разделить на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.
Структурная схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом приведена на рисунке 2.1.Она состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсаций. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к качеству выходных напряжений невысоки: питание реле, электромагнитных клапанов, маломощных электровентиляторов, элементов подсветки и индикации. Зачастую при этом допускается питание нагрузки пульсирующим напряжением, в этом случае фильтр пульсаций не используется.
Рисунок 2.1 - Нерегулируемый ИВЭП
Если требуется изменять выходное напряжение, то применяется схема регулируемого ИВЭП. В ней используется регулируемый выпрямитель, как показано на рисунке 2.2. В качестве регулируемого выпрямителя наиболее часто используются тиристорные регулируемые выпрямители. Применяются для питания нагревательных элементов с возможностью регулирования температуры, электродвигателей постоянного тока и коллекторных электродвигателей переменного тока с регулируемой частотой вращения, осветительных элементов с регулируемой яркостью и т.п.
Рисунок 2.2 – Регулируемый ИВЭП
В том случае, когда к выходному напряжению предъявляются высокие требования, используется стабилизированный ИВЭП, схема которого приведена на рисунке 2.3. Дополнительно он содержит стабилизатор с непрерывным или импульсным регулированием выходного напряжения. Данная схема используется для питания электронных блоков систем автоматизации.
Рисунок 2.3 – Стабилизированный ИВЭП
Совершенствование ИВЭП с целью повышения их КПД, увеличения удельной мощности и улучшения качества стабилизации выходного напряжения привело к созданию импульсных ИВЭП, в состав которых входят высокочастотные инверторы напряжения.
На рисунке 2.4 приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора, работающего на повышенной частоте (обычно 20...500 кГц), высокочастотного трансформатора, выпрямителя, и фильтра. Для стабилизации выходного напряжения используется устройство управления.
Рисунок 2.4 – ИВЭП с регулируемым инвертором
В устройстве управления сравнивается выходное напряжение конвертора и напряжение источника опорного напряжения (ИОН). Разность этих напряжений, называемая сигналом ошибки, используется для регулировки частоты или скважности импульсов регулируемого инвертора, что позволяет стабилизировать значение напряжения на нагрузке.
Конвертор может быть выполнен на базе однотактного трансформаторного инвертора, в этом случае он называется трансформаторным однотактным конвертором. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором.
Для схемы, приведенной на рисунке 2.4, характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу с выпрямленным напряжением сети, которое имеет максимальное значение около 310 В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети 220/380 В. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора приводит к некоторому ухудшению фильтрации выходного напряжения. Достоинством схемы является совмещение функций преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения.
Если в качестве источника первичной энергии используются низковольтные источники постоянного тока (аккумуляторные батареи, солнечные элементы), то в схеме на рисунке 2.4 отпадает необходимость во входном выпрямителе. Подобную структуру имеют источники бесперебойного питания, автономные источники питания носимой аппаратуры.
Основные элементы источников питания
Трансформаторы
Правильный расчет и выбор электрических и конструктивных характеристик трансформатора в значительной степени определяет эффективность работы и параметры ИВЭП. В литературе приведены подробные сведения о номенклатуре серийно выпускаемых трансформаторов, даны рекомендации по их расчету, подбору и использованию.
В некоторых обоснованных случаях для расчета сетевых трансформаторов, предназначенных для работы на частоте 50/60 Гц, может быть использована описанная ниже упрощенная методика.
Исходными данными для расчета являются:
- номинальное напряжение первичной обмотки 
;
- напряжение вторичной обмотки 
;
- номинальный ток вторичной обмотки 
.
1) Рассчитываем номинальный ток первичной обмотки 
и габаритную мощность трансформатора 
без учета КПД:
= 
; = 
. (3.1)
2) Исходя из габаритной мощности приближенно определяем площадь сечения магнитопровода S трансформатора в 
по формуле
S = 
. (3.2)
Для П-образных и тороидальных сердечников площадь сечения может быть уменьшена на 10…30%.
3) Определяем число вольт на один виток 
:
= 
, (3.3)
где К – коэффициент, значение которого для Ш-образных сердечников прини-мается 50 , для П-образных 40 , для тороидальных 35…25 
4) Рассчитываем число витков первичной 
и вторичной 
обмоток:
= ; 
= . (3.4)
5) Рассчитываем диаметр провода первичной 
и вторичной 
обмоток в миллиметрах при плотности тока через обмоточный провод 5 А/ 
:
= 4 
, 
= 4 
. (3.5)
После этого уточняются размеры магнитопровода исходя из условия возможности размещения обмоток в окне сердечника.
Расчет высокочастотных трансформаторов выполняется с учетом харак-теристик материала магнитопровода по рекомендациям литературы.
Выпрямители
Выпрямитель осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное.
Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, и др.
По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами
Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3.1 а, является простейшим, он пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных нерегулируемых ИВЭП, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Однофазный однополупериодный выпрямитель используется в составевысокочастотных трансформаторных однотактных конверторов.
А б в
а) однополупериодный; б) двухфазный двухполупериодный;
В) однофазный мостовой
Рисунок 3.1 - Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3.1 б, представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки w 2.1 и w 2.2. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра.
Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок 3.1 в) является двухполу-периодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов. Однако, трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В).
Двухполупериодные выпрямители используется и в составевысоко-частотных трансформаторных двухтактных конверторов.
Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение в ИВЭП, приведены на рисунке 3.2. Первичные обмотки трансформаторов здесь могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включены по схеме звезды. На рисунке 3.2 а приведена схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки вторичных обмоток. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 25%, в то время как для однофазного двухполупериодного выпрямителя он составляет 67%, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты питающей сети. Все это значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения, а в ряде случаев позволяет вообще обойтись без фильтра.
А б