Блоки питания постоянного тока

Строение блока питания
Многие устройства питаются постоянным напряжением (током). В этом случае используются блоки питания постоянного напряжения (тока). Как правило, блок питания состоит из сетевого трансформатора, системы выпрямления и фильтра в зависимости от требуемого коэффициента пульсаций выходного напряжения.
 

Функциональная система блока питания постоянного напряжения (тока)

Трансформатор в системе питания постоянного напряжения (тока) гальванически отделяет нагрузку от сети электроснабжения и питает систему выпрямления напряжением требуемой величины. Он отличается от обычного большей габаритной мощностью и потреблением тока из сети. При аналогичной мощности такой трансформатор больше размером и потребляет ток большей величины.

Система выпрямления преобразует переменное напряжение (ток) в выпрямленное пульсирующее напряжение (ток), постоянная составляющая которого выше нуля. В составе системы использованы полупроводниковые элементы (диоды или тиристоры), характеризующиеся однонаправленной проводимостью тока.
Система выпрямления характеризуется числом пульсаций. Это число означает количество пульсаций напряжения в кривой выпрямленного напряжения, приходящихся на один период переменного напряжения питания (20мс).
Отсюда деление выпрямителей на 1; 2; 3; 6; 12; 24 –пульсные.

Задача фильтра состоит в ограничении пульсаций с целью получения на потребляющем устройстве соответствующего значения постоянного напряжения и тока. В стабилизированных блоках питания между фильтром и потребляющим устройством может дополнительно устанавливаться стабилизатор постоянного напряжения или тока.

Системы выпрямления, в зависимости от структуры и количества фаз переменного напряжения питания, подразделяются на:

• однофазные
• многофазные.

Если напряжение подлежит выпрямлению в течение одного полупериода каждой из фаз, то выпрямитель называют однополупериодным или однонаправленным. Если напряжение подлежит выпрямлению в течение двух полупериодов, то выпрямитель называют периодным, двунаправленным или мостовым. Дополнительная классификация систем выпрямления учитывает вид элементов, из которых они изготовлены:

• неуправляемые выпрямители (диодные)
• управляемые выпрямители (тиристорные или транзисторные)
• смешанные выпрямители (содержащие как диоды, так и тиристоры или транзисторы)

Основные характеристика выпрямителя:

• напряжение питания U₂
• постоянные составляющие выходного напряжения U_os и выходного тока Ios
• действующее значение выходного напряжения U_o
• допустимый выходной ток I_{os max}
• энергетический коэффициент полезного действия η_p, рассчитанный как отношение мощности постоянного тока на выходе к полной мощности переменного тока на входе выпрямителя

• коэффициент пульсаций k_t, рассчитанный как отношение амплитуды основной составляющей пульсаций на выходе U_o1m к постоянной составляющей U_os

• максимальное значение обратного напряжения U_Rm на элементе выпрямления

Характеристики выпрямителя проще всего представить в виде схемы и графиков напряжений и токов для однофазного однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой:

a)	b)
Однофазный выпрямитель с активной: a) схема; b) прохождение напряжение и токов в системе

Однополупериодный выпрямитель с омической нагрузкой характеризуется очень низким коэффициентом полезного действия (ниже 29%) и высокой пульсацией. Это означает, что 71% энергии, получаемой от источника, теряется. В этом случае мало используется сетевой трансформатор, через обмотки которого протекает постоянная составляющая Ios тока (она вызывает подмагничивание сердечника трансформатора). Это приводит к необходимости использовать трансформатор большей мощности по сравнению с мощностью выделяемой в нагрузке. На практике однополупериодная схема применяется редко, в основном, при небольших мощностях нагрузки.
Чаще используются двухполупериодные схемы выпрямления, которые характеризуются лучшими свойствами. Общий принцип действия двухполупериодных выпрямителей представлен на рисунке приведенном ниже:

a)	b)
Схема двухполупериодного выпрямителя с активной нагрузкой, осциллограммы напряжений и токов: a) с выведенной средней точкой обмотки трансформатора; b) в мостовой схемы.

W obu układach prąd płynie przez obciążenie w jednym kierunku i ma charakter pulsujący. Obydwa układy mają większość parametrów identycznych. Jednakże w układzie mostkowym napięcie wsteczne na każdej diodzie jest dwukrotnie mniejsze, co umożliwia zastosowanie diod o mniejszym dopuszczalnym napięciu wstecznym. Mostek zapewnia też lepsze wykorzystanie mocy transformatora. Wadą jego jest konieczność użycia czterech diod.
Podsumowanie podstawowych parametrów jednofazowych układów prostowniczych z obciążeniem rezystancyjnym przedstawiono w tabeli:

СХЕМА	ОДНОПОЛУПЕРИОДНАЯ	С ВЫВЕДЕННОЙ СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ	ДВУХПОЛУПЕРИОДНАЯ МОСТОВАЯ
постоянная составляющая напряжения Uos
действующее значение напряжения на нагрузке Uo
энергетический коэффициент полезного действия ηp
коэффициент пульсаций kt
максимальное значение напряжения на диоде URm

При больших токах нагрузки как правило используются трёхфазные источники питания. В этом случае применяются многофазные схемы выпрямления. Различают два основных вида таких схем:

• однонаправленные схемы выпрямления
• двусторонние схемы выпрямления (мостовые)

В первом случае схема выпрямления, получающая питание от m-фазного трансформатора, содержит по одному диоду в каждой фазе. Таким образом, получается всего (m) диодов. Все они направлены в одну сторону, а их катоды объединены и соединены с зажимом потребялющего устройства. Каждая из фаз поочередно проходит 1/m периода, в моменты времени, когда её напряжение выше, чем напряжение в остальных фазах. Вследствие этого ток в нагрузке протекает постоянно и носит пульсирующий характер.
В многофазных однонаправленных системах постоянную составляющую напряжения на нагрузке можно определить по формуле:

где:

• U_OS – значение постоянной составляющей напряжения
• U_f – действующее значение фазного напряжения (вторичной обмотки)
• U_fm = √2 U_f – максимальное значение фазного напряжения
• m – количество фаз (m≥0)

Постоянная составляющая возрастает по мере увеличения количества фаз. Зависимость отношения U_OS/U_fm от количества фаз однонаправленной схемы выпрямления представлена в таблице:

Максимальное и действующее значение фазного тока соответственно составляет:

     ,   

Коэффициент полезного действия:

Коэффициент пульсаций выражается зависимостью:

Ниже приведено несколько примеров схем однонаправленных выпрямителей, каждый из которых обладает разными выходными параметрами. Подбирая нужную схему, следует обратить внимание как на указанные выходные параметры, так и на экономические соображения (стоимость выпрямителя и трансформатора питания), после чего выбрать оптимальное решение.

Рис. 1 Схема однонаправленного трёхпульсного выпрямителя

Рис. 2 Схема однонаправленного шестипульсного выпрямителя
 

Рис. 3 Схема однонаправленного шестипульсного выпрямителя, состоящего из двух трёхпульсных выпрямителей, параллельно подключённых через дроссель.
 

В однонаправленных системах токи во вторичных обмотках трансформатора, соединённых с преобразователем, проходят только в течение определённого фрагмента периода. Поэтому типовая мощность трансформатора намного превышает мощность цепи постоянного тока. Кроме того, в однонаправленных системах из-за постоянной составляющей тока вторичных обмоток, имеет место неблагоприятное подмагничивание сердечника, которое снижает коэффициент полезного действия преобразователя и системы в целом. Наиболее удачно с точки зрения использования трансформатора выглядит шестипульсная схема с уравнительным дросселем.

В случае второго вида многофазных схем выпрямления, а именно двусторонних (мостовых) схем, каждая фаза соединена с двумя диодами: одним из катодной группы (D1, D2, D3) и одним из анодной группы (D4, D5, D6). Ток нагрузки всегда проходит через два диода и две фазы вторичной обмотки трансформатора. Напряжения на нагрузке формируется из участков синусоид линейных напряжений. Ток каждой фазы состоит из двух разнополярных импульсов, длящихся 1/m периода. Поэтому фазный ток не содержит постоянной составляющей и не вызывает подмагничивание сердечника. Благодаря этому достигается более эффективное использование трансформатора и более высокий коэффициент полезного действия выпрямителя η_p. Ниже представлены наиболее часто используемые двусторонние системы выпрямления:

Рис. 4 Схема двустороннего шестипульсного выпрямителя в составе мостовой схемы.

Рис. 5 Схема двенадцатипульсного выпрямителя, состоящего из двух последовательно подключённых шестипульсных мостовых выпрямителей. (Нижняя группа диодов изображена неправильно !!!)

Рис. 6 Схема двенадцатипульсного выпрямителя, состоящего из двух шестипульсных мостовых выпрямителей, параллельно подключённых через уравнительный дроссель.

Мостовые шестипульсные схемы относятся к наиболее популярным схемам в основном из-за оптимального соотношения стоимости и качества выходных характеристик. В данной схеме полные мощности вторичных и первичных обмоток трансформатора равны и принимают наименьшее возможное для шестипульсных систем значение.
Для получения высоких выходных напряжений применяются системы, состоящие из последовательно соединённых преобразователей. Для питания потребителей, характеризующихся потреблением больших токов, изготавливаются системы из параллельно соединённых мостовых преобразователей (Рис.6).

Блок питания ELHAND модели EZ3-50 kVA ; 400V±2x2,5%AC// 110V-427ADC; IP24

Фильтрация – улучшение выходных параметров систем выпрямления

Для улучшения свойств систем выпрямления в их составе используются элементы реактивного сопротивления L, C. Они выполняют две основных задачи: уменьшают пульсацию и накапливают энергию при большой величине переменного выпрямляемого напряжения, чтобы подать её на нагрузку, когда это напряжение упадёт. Данные элементы подключаются двумя способами:

• ёмкостные – параллельно с нагрузкой,
• индуктивные – последовательно с нагрузкой.

Такие решения применяются, прежде всего, в схемах выпрямления с неудовлетворительным коэффициентом затухания.

a)	b)
системы выпрямления с активно-ёмкостной нагрузкой. Схемы и прохождение напряжений и токов: a) однополупериодный выпрямитель, b) двухполупериодный выпрямитель

Схемы выпрямления с активно-ёмкостной нагрузкой характеризуются более высоким коэффициентом полезного действия и меньшей пульсацией по сравнению с системами с активной нагрузкой. Наилучшие свойства данных систем проявляются при высоких значениях активного сопротивления нагрузки R_O. Поэтому они применяются при не очень высоких мощностях, в составе однофазных, редко – трёхфазных систем.

Двухполупериодный выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой.

Схемы с активно-индуктивной нагрузкой – это, прежде всего двухполупериодные схемы, так как в случае однофазных однополупериодных схем трудно достичь непрерывного протекания тока через нагрузку.
Постоянная составляющая выходного напряжения не зависит от индуктивности.
По мере увеличения индуктивности уменьшается коэффициент пульсаций, то есть сокращается доля переменных составляющих в токе нагрузки:

Когда отношение ωL/R₀ возрастает, выходной ток приближается к идеальному. Фильтрующие свойства выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой с увеличением нагрузки также улучшаются (I_OS увеличивается, R_O уменьшается). Поэтому данные схемы используются при больших токах нагрузки, в основном, в трёхфазном или шестифазном варианте.