В однофазных ВБВ, выполненных по схеме, сетевой выпрямитель СВ всегда выполняется по однофазной мостовой схеме выпрямления, на выходе которой устанавливается сглаживающий фильтр, представляющий собой электролитический конденсатор (электролитические конденсаторы), т. е. в подобных ВБВ СВ работает на нагрузку емкостного характера. Характерной особенностью СВ является высокий уровень выходного напряжения U0 и малое значение сопротивления фазы выпрямителя, представленное дифференциальным сопротивлением открытых диодов и сопротивлением подводящих проводов. В связи с этим на этапе открытого состояния соответствующей пары диодов VD1, VD4 или VD2, VD3 напряжение на выходе выпрямителя практически совпадает с напряжением питающей сети (в пределах угла φ) а разряд конденсатора С начинается практически сразу после достижения на нем напряжения, равного амплитудному значению напряжения питающей сети (U0 max). Поскольку электролитические конденсаторы не допускают большого значения пульсации (ΔU0) и, кроме того, рассматриваемые СВ применяются на практике при относительно небольшой выходной мощности ВБВ, постоянная времени цепи разряда конденсатора С оказывается относительно большой, а длительность открытого состояния диодов (угол φ) малой.
В этом разделе показано, что все основные параметры выпрямителя зависят от длительности открытого состояния диода и что с уменьшением длительности импульса тока, потребляемого от сети, увеличивается его действующее и амплитудное значения при неизменном среднем значении выходного тока, т. е. практически при неизменном значении выходной мощности СВ. Увеличение действующего значения тока приводит к увеличению потерь в вентильном комплекте СВ и в элементах источника энергии, а также к уменьшению коэффициента мощности х ВБВ. Действительно, практика показывает, что, например, значение х для блоков питания персональных компьютеров мощностью 250...400 Вт, не превышает 0,6...0,65. Это необходимо учитывать при подключении ВБВ к инверторам и инверторным системам. Следует иметь в виду также, что для СВ нагрузка, в качестве которой выступает регулируемый ПН, носит нелинейный характер. С увеличением напряжения питающей сети среднее значение выходного тока СВ и длительность открытого состояния диодов (угол φ) уменьшаются. Кроме того, при работе подобных ВБВ создается существенный уровень помех для потребителей, питающихся от той же сети переменного тока. Особенно это заметно при ограниченной мощности сети переменного тока или большой протяженности линий распределения электрической энергии. Еще одной проблемой, возникающей при разработке ВБВ с СВ, является необходимость ограничения пусковых токов, возникающих в момент подключения ВБВ к сети переменного тока. В момент подключения ВБВ к сети переменного тока при нулевом напряжении на выходном конденсаторе сетевого выпрямителя максимальное значение пускового тока может в десятки раз превышать максимальное значение импульса тока установившегося режима работы, что без принятия специальных мер по Ограничению этого пускового тока, неминуемо приводит к выходу из строя диодов СВ. Наиболее простым решением проблемы ограничения пусковых токов до значений, определяемых перегрузочной способностью диодов СВ, является введение специальных пусковых резисторов на входе СВ. При выходной мощности до 100...300 Вт сопротивление пусковых резисторов обычно лежит в пределах 4,7...10 Ом, так что потери мощности в этих резисторах для установившегося режима работы ВБВ оказываются относительно небольшими, что и позволяет выполнять их как постоянно включенные элементы устройства. При выходной мощности ВБВ более 300Вт эти пусковые резисторы обычно вводятся только на момент включения, а затем они с целью повышения КПД устройства закорачиваются тиристором или контактами специального реле.
Принципиальная схема модели СВ показана на рисунке. В модели сеть переменного тока представлена источником синусоидального напряжения V1 с амплитудой А = 310 В и частотой F = 50 Гц. К выходу СВ подключен резистор R3 с сопротивлением 300 Ом, что соответствует выходной мощности СВ равной 300 Вт. Емкость конденсатора С1 равна 470 мкФ. Там же справа от схемы приведены результаты спектрального анализа кривой тока, потребляемого от источника V1 (от сети переменного тока). Здесь в среднем столбце
HARM(i(V1)) представлены значения амплитуд первой и высших гармоник (до десятой включительно) кривой тока сети. Анализ данных этого столбца показывает, что в кривой тока сети, кроме первой гармоники (ƒ = 50 Гц), амплитуда которой равна 1, 975 А, присутствуют все нечетные гармоники, амплитуды которых медленно убывают с увеличением порядкового номера гармоники. Например, амплитуда девятой гармоники (ƒ = 450 Гц) только менее чем в два раза отличается от амплитуды первой гармоники. В правом столбце указаны значения (в процентах) коэффициента гармоник THD(HARM(i(V1), 50)) (THD — Total Harmonics Distortion) для кривой тока сети. Большое содержание высших гармоник в кривой тока сети объясняет большое значение коэффициента гармоник и низкое значение коэффициента мощности х (Power Factor) СВ. Значение х — 0, 513 приведено на верхнем графике, для которого, как и для всех других графиков, по оси абсцисс указано время с момента подключения СВ к сети. Для удобства считывания результатов на этом графике и на всех остальных показаны положения левого (Left) и правого (Right) курсоров. Под графиками указаны значения функций и моментов времени, соответствующие положениям этих курсоров. На нижнем графике указано действующее значение тока сети RMS(i(V1)), равное 2, 669 А, тогда как среднее значение этого тока, равное среднему значению выходного тока СВ составляет 1 А. Полная мощность S, потребляемая СВ от сети в установившемся режиме его работы, равная произведению действующих значений тока и напряжения сети, для данного примера оказывается равной S=2, 669(31/√2) = 585,05 ВА, при этом активная мощность, потребляемая от сети, Рс = Sх = 300,1 Вт. Данный числовой пример приведен для того, чтобы еще раз подчеркнуть, что при выборе инверторов и источников бесперебойного питания (UPS), к которым подключаются устройства с ВБВ, необходимо учитывать значение х этих устройств.
Из временной диаграммы тока сети видно, что амплитудное значение этого тока оказывается равным 9,034 А (показание правого курсора на этом рисунке), т. е. коэффициент амплитуды, равный отношению амплитудного и действующего значений, для данного СВ составляет 9,034/2,669 = 3,38. Столь большое значение коэффициента амплитуды говорит о том, что в случае применения подобных ВБВ достаточно большой мощности для других устройств, подключаемых к тому же источнику энергии, они представляют собой источник помех (особенно в случае ограниченной мощности источника энергии). Амплитудное значение пускового тока сети в 41,164 А говорит о необходимости его ограничения. Причем следует отметить, что это значение пускового тока соответствует случаю подключения СВ к сети в момент прохождения напряжения сети через нуль.
Отклонение напряжения (размах пульсации) на выходном конденсаторе СВ, определяемая как разность (Delta) показаний левого и правого курсоров, для данного примера составляет 16,976 В (при частоте ее первой гармоники 100 Гц).
Еще один неприятный момент, заключающийся в чрезмерной загрузке нейтрального провода трехфазной сети переменного тока, возникает при подключении к ней нагрузок, имеющих в своем составе ВБВ. Действительно, при подключении к трехфазной сети переменного тока линейных нагрузок (например, лампы накаливания для электрического освещения) и равномерной загрузке фаз этой системы ток в нейтральном проводе отсутствует. Поэтому раньше промышленность выпускала силовые кабели с сечением нейтрального провода, чаще всего в два раза меньшим сечения фазных проводов. В случае же нелинейных нагрузок, подобных рассматриваемым ВБВ, даже при условии равномерной загрузки фаз действующее значение тока в нейтральном проводе оказывается в √3 раз больше действующего значения тока фазы. В связи с этим сечение нейтрального провода также должно быть в √3 раз больше сечения фазного провода.
Как следует из этой временной диаграммы, ток в нейтральном проводе представляет собой сумму токов фаз. Поэтому при равных действующих значениях фазных токов Iа = Ib — Iс = Iф, действующее значение тока нейтрального провода
Естественно, что такая же картина загрузки нейтрального провода будет иметь место и при подключении к трехфазной сети.
В трехфазных ВБВ сетевой выпрямитель практически всегда выполняется по трехфазной мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова), к выходу которой подключается сглаживающий Г-образный LC фильтр. При загрузках ВБВ близких к номинальной СВ работает в режиме с безразрывными токами дросселя L, т. е. на нагрузку индуктивного характера. Временные диаграммы напряжения на выходе СВ u0 (на входе LC-фильтра) и тока фазы iфа, потребляемого от сети. На кривой u0 указана нумерация диодов, открытых на конкретном временном интервале.
Среднее значение напряжения U0 на выходе подобного СВ оказывается в 2,34 раза больше действующего значения фазного напряжения сети, а действующее значение тока фазы Iф = 0,816I0 (I0 — среднее значение выходного тока СВ). При этом коэффициент мощности х= 0,952. В реальных СВ при конечном значении индуктивности дросселя L форма кривой тока фазы отличается от идеальной прямоугольной, в результате чего действующее значение тока фаза Iф >0, 816I0, а коэффициент мощности оказывается равным примерно 0,85...0,9. Следует отметить, что в трехфазных ВБВ ток фазы носит индуктивный характер, тогда как в рассмотренных выше однофазных ВБВ он имеет емкостной характер. Следует отметить также, что при малых токах нагрузки (в режимах близких к холостому ходу) напряжение на выходе LC-фильтра, равное амплитудному значению линейного напряжения сети, может быть больше 640 В, что представляет определенные трудности при выборе электролитических конденсаторов, а также элементов ПН.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com