Содержание
| Введение ………………………………………………..……………...….. | |||
| Цель работы ……………………………………………….…………………... | |||
| Общие теоретические сведения ……………………….……………………... | |||
| 2.1 | Источники вторичного электропитания ………………………………… | ||
| 2.2 | Расчет выпрямителей …………………………………………………….. | ||
| Порядок выполнения пректа ………………………..………………………... | |||
| Контрольные вопросы …………………………………………………………. | |||
| Список литературы ……………………………………………………………. |
Введение
Питание электрической энергией устройств измерительной техники, электроники, ЭВМ и автоматики очень редко удается осуществить непосредственно от первичного источника электроэнергии [1]. Это обусловлено тем, что стандартная электрическая сеть или автономный первичный источник электрической энергии обычно непригодны для питания электронных устройств из-за их несоответствия требованиям по величине напряжения, его стабильности, форме и частоте. Поэтому в большинстве случаев приходится применять источники вторичного электропитания (ИВЭП), т.е. преобразователи вида электрической энергии, выполняющие преобразования исходя из требований, предъявляемых к источнику питания конкретного электрического или электронного устройства.
Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. Предполагается, что вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество – от генераторов, аккумуляторов и т.д. Питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя.
Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники. Например, часто надежность того или иного устройства электроники существенно зависит от того, насколько надежен его вторичный источник питания. Общепринято вторичные источники называть источниками питания. В большинстве случаев с помощью источников вторичного электропитания преобразуется электроэнергия переменного напряжения электрической сети в постоянное требуемого уровня, которые с помощью электронных устройств стабилизации поддерживаются неизменными. Более редко встречаются источники вторичного электропитания, обеспечивающие получение требуемого значения электрического тока (неизменного или меняющегося по определенному закону).
Мощность ИВЭП, используемых в маломощных электронных устройствах и установках информационно-измерительной техники и автоматики, как правило, не превышает нескольких сотен тысяч ватт. Вследствие того, что ИВЭП являются массовым функциональным узлом, необходимым для функционирования большинства электронных устройств, разработано достаточно много способов их построения. Известны различные схемотехнические решения, эффективные в тех или иных случаях. Основной проблемой, возникающей при их проектировании, является получение заданной мощности при минимальных массогабаритных показателях и стоимости, а также высокой надежности при работе.
Расчет Источника вторичного электропитания
1 Цель работы: освоение студентами теоретических основ и получению практических навыков проектирования, расчета и основам применения электронных схем и устройств вторичных источников питания для механотронных и робототехнических систем.
В ходе выполнения расчетно-графической работы студентам предлагается рассчитать параметры источника питания.
Общие теоретические сведения
2.1 Источники вторичного электропитания. ИВЭП принято характеризовать рядом показателей и признаков: условиями эксплуатации; параметрами входной и выходной электрической энергии; выходной мощностью; коэффициентом полезного действия; удельными показателями; временем непрерывной работы; временем готовности к работе; числом каналов и пр. Электрические показатели ИВЭП можно разделить на две группы: статические, определяемые при медленном изменении во времени возмущающих факторов; динамические, определяемые при быстром появлении возмущающих факторов.
Статические электрические показатели ИВЭП в общем случае имеют следующие характеристики.
1. Номинальное значение питающего напряжения первичной электрической сети (чаще всего ~220 В или ~380 В).
2. Допускаемые отклонения напряжения первичной питающей сети от номинального значения (в процентах или абсолютных величинах).
3. Номинальная частота питающего напряжения.
4. Номинальные значения выходных напряжений.
5. Номинальные токи нагрузки.
6. Суммарная мощность, отдаваемая в нагрузку.
7. Активная и полная мощности, потребляемые ИВЭП от первичной сети.
8. Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения питания. Обычно оценивается в относительных единицах или в процентах.
Для питания электронной аппаратуры применяются маломощные выпрямители на неуправляемых вентилях, работающие от сети однофазного переменного тока. 
Однофазное выпрямительное устройство (ОВУ) обычно имеет следующую структурную схему:
Рис 
унок 1.1 – Функциональная схема ОВУ
На практике применяются ОВУ трех типов:
1) однополупериодные;
2) двухполупериодные:
а) с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора;
б) мостовые.
Простая по конструкции и относительно недорогая однополупериодная схема (рис.1.2) является однотактной, так как вследствие односторонней проводимости вентиля ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в одном направлении.
Рисунок 1.2 - Однополупериодная схема ОВУ
Поэтому временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке при синусоидальном выпрямляемом напряжении выглядят так, как показано на рис. 1.3.
Рисунок 1.3 - Временные диаграммы тока и напряжения однополупериодного ОВУ
Двухполупериодные однотактная и двухтактная схемы обеспечивают более качественные выходные параметры ОВУ.
Двухполупериодная однотактная схема (с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку (рис.1.4), причем u2' и u2'' равны и противоположны по фазе.
Из временных диаграмм видно, что в данной схеме используются оба полупериода напряжения сети, и ток в нагрузочном резисторе, создаваемый за счет поочередной работы вентилей, протекает в одном направлении (рис.1.5).
Рисунок 1.4 - Двухполупериодная однотактная схема ОВУ
Рисунок 1.5 - Временные диаграммы тока и напряжения двухполупериодного
однотактного ОВУ
Из разложения в гармонический ряд напряжения, выпрямленного двухполупериодной схемой,
вытекает, что по сравнению с однополупериодным вариантом:
а) среднее значение выпрямленного напряжения
в два раза больше,
б) а пульсации меньше:
В двухполупериодной двухтактной (мостовой) схеме (рис.1.6) ток через нагрузку в оба полупериода протекает в одном направлении, причем ток во вторичной обмотке трансформатора также протекает в течение обоих полупериодов и является синусоидальным, что исключает дополнительное намагничивание сердечника.
Данная схема выпрямления является наиболее распространенной, так как при одинаковых значениях u2 и Rн средние значения выпрямленных тока и напряжения, как и в случае однотактной схемы, в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей.
Кроме того, конструкция мостового выпрямителя проще, а габариты, масса и стоимость трансформатора, а также максимальное обратное напряжение на закрытых вентилях меньше (в два раза), чем у выпрямителей с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Недостатком мостовых выпрямителей следует считать необходимость в удвоенном количестве вентилей.
Рисунок 1.6 - Двухполупериодная двухтактная (мостовая) схема
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения до необходимой величины между выходными зажимами выпрямителя и входными зажимами нагрузочной цепи включают дополнительное звено, выполняющее функции сглаживающего фильтра.
Фильтры обычно состоят из конденсаторов и индуктивных катушек, так как их сопротивления зависят от частоты. По виду реактивных элементов различают:
1) емкостные (рис.1.7);
2) индуктивные (рис.1.8);
3) смешанные (рис.1.9):
а) Г -образные LC -фильтры;
б) Г - образные RC -фильтры;
в) П -образные LC -фильтры;
г) П -образные RC -фильтры.
Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания
,
где p вх и p вых - коэффициенты пульсаций напряжений, соответственно, на входе и выходе фильтра; причем коэффициент сглаживания многозвенного фильтра (типа "в" и "г") определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев, из которых он состоит.
Графически выраженная зависимость среднего значения выходного напряжения Uн от среднего значения выходного тока Iн представляет собой внешнюю характеристику выпрямителя. Наличие активных сопротивлений вторичной обмотки трансформатора и последовательных элементов сглаживающих фильтров, а также внутренние падения напряжения в вентилях обусловливают падение напряжения с ростом нагрузочного тока.
Рисунок 1.7 – Емкостной фильтр Рисунок 1.8 – Индуктивный фильтр
а
б
в
г
г)
Рисунок 1.9 – Смешанные фильтры
2.2 Расчет выпрямителей. В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.
Выпрямители имеют следующие основные параметры:
а) среднее значение выходного напряжения uвых
,
где Т - период напряжения сети (для промышленной сети – 20 мс);
б) среднее значение выходного тока 
;
в) коэффициент пульсаций выходного напряжения
ε 
где 
- амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения.
Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.
Обозначим его через ε%:
ε% 
.
Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.
При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:
а) действующее значение 
входного напряжения выпрямителя;
б) максимальное обратное напряжение 
на отдельном диоде или тиристоре (т.е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение 
;
в) среднее значение 
тока отдельного вентиля;
г) максимальное (амплитудное) значение 
тока отдельного вентиля.
Токи 
и 
принято выражать через 
. Значение 
используется для выбора вентиля по напряжению. Значения и используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток мал, но велик максимальный ток .
Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рис.3, а.
В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 3,б).
Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:
,
,
,
,
,
= 
,
.
Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис 3, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.
Рис.3, в
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 4,а). Диоды схемы приводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 4,б).
Рис. 4
Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому,как это делалось ранее:
,
где 
- действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки;
,
,
,
,
= 
,
.
Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.
Однофазный мостовой выпрямитель (рис.5, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды.
а
Рис. 5
Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D1 и D2, а другая - D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 5, б). Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный – разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.
Основные параметры выпрямителя следующие:
,
,
,
,
= 
,
.
Такой выпрямитель характеризуется высокими технико –экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.
Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом и его временные диаграммы работы приведены на рис. 6.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время двухполупериодного однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67.
Частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.
Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) приведена на рис. 7. Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя. Рассматриваемый выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (
), а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.
