Глава VII
СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 33. Общие сведения
Электрическая энергия от электростанций всегда поступает в форме переменного тока, а для питания устройств связи, как правило, требуется постоянный ток, поэтому во всех электропитающих установках очень широко используются преобразователи переменного тока в постоянный — выпрямительные устройства или выпрямители.
Выпрямительное устройство состоит из трех основных частей (рис. 70): трансформатора Тр для преобразования напряжения переменного тока в напряжение, необходимое для питания устройств связи, а также для отделения заземленной схемы электропитающей установки от питающей сети переменного тока; выпрямительной схемы В, состоящей из вентилей, пропускающих электрический ток только в одном направлении; сглаживающего фильтра Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
Напряжение питающей сети переменного тока подводится к первичной обмотке I трансформатора Тр, который в маломощных выпрямителях делается однофазным, а в более мощных — трехфазным. Во вторичной обмотке II трансформатора индуктируется такое переменное напряжение U2, которое необходимо для получения требуемого выпрямленного напряжения uq на нагрузке г.
Благодаря односторонней проводимости вентилей выпрямительной схемы В на ее выходе возникает выпрямительное пульсирующее напряжение u0. Сглаживающий фильтр Ф значительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Часто для поддержания постоянства выпрямленного напряжения в схему включают дополнительно стабилизатор напряжения переменного тока (перед трансформатором) или постоянного тока (перед нагрузкой) или оба стабилизатора одновременно.
В современных электропитающих установках связи применяются следующие схемы выпрямления переменного тока: однофазная однополупериодная, однофазная двухполупериодная (схема Миткевича); однофазная мостовая, трехфазная однополупериодная (или трехфазная нулевая), трехфазная мостовая (схема Ларионова).
Выбор той или иной схемы определяется свойствами вентилей и условиями работы выпрямителя. Схемы выпрямления однофазного тока используются при небольших мощностях выпрямительных устройств (примерно до 1 кВт). Они дают неравномерную нагрузку на сеть трехфазного переменного тока и требуют дорогостоящих фильтров.
При мощностях более 1 кВт обычно применяются трехфазные схемы. Выпрямительные устройства в этом случае равномерно нагружают трехфазную сеть, имеют меньшую величину пульсации выпрямленного напряжения.
Чтобы рассчитать выпрямительное устройство, необходимо знать параметры всех его элементов. Заданными всегда являются параметры нагрузки: среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая) U; среднее значение выпрямленного тока I0; величина допустимой пульсации выпрямленного напряжения, которая определяется допустимым коэффициентом пульсации Кп.
Выпрямленное пульсирующее напряжение можно представить как сумму постоянной составляющей U0 и ряда переменных напряжений (гармоник) с разными амплитудами, частотами и начальными фазами. Из переменных составляющих наибольшую амплитуду имеет составляющая наименьшей (основной) частоты. Отношение амплитуды U1m основной гармоники к постоянной составляющей U0 выпрямленного напряжения называют коэффициентом пульсации, т. е. Кп =
. Чем меньше коэффициент пульсации, тем больше форма выпрямленного напряжения приближается к прямой линии.
По известным параметрам нагрузки, а также по напряжению U1 и частоте сети f для каждой схемы можно определить параметры вентилей и трансформатора.
Параметрами вентиля являются максимальные значения прямого тока I1m, обратного напряжения Uoбр и рабочей температуры. По этим параметрам подбирается подходящий тип вентиля. Промышленность выпускает селеновые, германиевые и кремниевые силовые вентили, а также управляемые кремниевые вентили — тиристоры.
Селеновые вентили на алюминиевой основе выпускаются в виде выпрямительных столбиков, собранных из элементов квадратной формы по определенной схеме выпрямления. На одной изолированной шпильке с помощью выводов и перемычек могут быть получены как отдельные плечи выпрямителя, так и законченные выпрямительные схемы.
В зависимости от значения допустимого обратного напряжения (20—45 В) селеновые вентили делятся на шесть классов. Максимальный прямой ток зависит от активной площади выпрямительного элемента и в среднем равен 25 мА/см2.
Рис. 70. Функциональная схема выпрямительного устройства
Германиевые вентили по сравнению с селеновыми имеют меньшие габариты и массу, большой срок службы (десятки тысяч часов), допускают обратные напряжения до нескольких сотен вольт, обладают высоким к. п. д. (до 0,98). Недостатком германиевых вентилей является их чувствительность к перегрузкам, повышенной температуре и обратным напряжениям.
Германиевые диоды серии Д 300, состоящей из шести типов вентилей, характеризуются максимальным прямым током от 1 до 10 А, максимальным обратным напряжением от 50 до 200 В. Мощные германиевые вентили типов ВГВ-200, ВГВ-500 и ВГВ-1000 с водяным охлаждением допускают прямые токи 200, 500 и 1000 А и имеют допустимые обратные напряжения от 50 до 150 В.
Кремниевые вентили (диоды) работоспособны в широком диапазоне температур (от —40 до +140 °C), по допустимому обратному напряжению делятся на 14 классов. Кремниевые вентили типов Д203 и Д226 допускают токи от 0,1 до 10 А при предельных обратных напряжениях до 600 В. Кремниевые вентили с воздушным охлаждением серий В и ВЛ допускают прямой ток до 800 А, а с водяным охлаждением серий ВВ и ВЛВ — до 1250 А. Допустимое обратное напряжение этих вентилей ограничено пределами 100—1500 В.
Кремниевые управляемые вентили (тиристоры) выпускаются на предельный ток от 10 до 1000 А. К числу наиболее распространенных относятся: тиристоры серии Т, тиристоры с лавинной характеристикой.
Конструктивный расчет трансформатора (определение размеров сердечника, сечения и числа витков обмоток) производят по его параметрам. К ним относятся действующие значения напряжения вторичной обмотки U2 и токов первичной и вторичной обмоток I1 и I2, а также расчетная типовая мощность ST трансформатора.
Рассмотрим работу основных схем выпрямления переменного тока, предполагая вначале, что выпрямитель работает на активную нагрузку и состоит из идеальных вентилей и трансформатора, в которых можно пренебречь падениями напряжения, а также обратными токами вентилей.