Первичные источники электрической энергии

ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Марганцево-цинковые элементы (МЦЭ)

Конструкция данных элементов имеет следующий вид:

Условные обозначения:

1 – графитовый стержень,

2 – камера для отвода газов,

3 – металлический колпачок,

4 – слой компаунда (на битумной основе),

5 – картонные шайбы,

6 – пастовая диафрагма,

7 – отрицательный электрод (цинковый стакан),

8 – положительный электрод из активной массы, которая напрессовывается на графитовый стержень 1. Эта масса называется агломератом, состоит из двуокиси марганца в смеси с графитом.

9 – электролит (хлористый алюминий),

10 – изоляционно-картонная чашка

Наряду с солевыми элементами широко используются и элементы марганцево-цинковой системы с прочным электролитом. Конструктивно они почти не отличаются от вышерассмотренного. Основное их преимущество: большой срок сохраняемости и относительная экономичность в изготовлении. Начальное напряжение в МЦЭ 1,4÷1,55 В и во время разряда снижается до 0,85÷1 В. Внутреннее сопротивление таких элементов 1÷20 Ом.

Топливные элементы (ТЭ)

ТЭ относятся к числу химических источников электрической энергии. В качестве активный веществ, вступающих в химическую реакцию в ТЭ, используется твердое, жидкое или газообразное топливо (древесный уголь, нефтепродукты, спирты, водород и т.д.) схематическое устройство ТЭ рассмотрим на основе водородно-кислотного ТЭ.

Данный ТЭ состоит из положительного 1 и отрицательного 3 электродов, погруженных в щелочной электролит 2. Активным материалом положительного электрода является кислород O₂, а отрицательного – водород Н₂. Данные активные вещества хранятся отдельно от топливного элемента в особых хранилищах и поступают к электродам лишь во время отдачи им электрической энергии. Электроды ТЭ в реакциях активно не участвуют и в процессе работы не разрушаются, поэтому ТЭ обеспечивают непосредственное преобразование химической энергии в электрическую очень длительное время, пока идет активная подача веществ к его электродам. Расчеты показывают, что топливные элементы могут иметь очень высокие удельные характеристики, мощность и КПД.

Активные вещества подаются к электродам через пористые трубки. Водород вступает в соединение с ионами гидроксила электролита. В результате образуется вода и свободные электроны:

.

С водородного электрода свободные электроны перемещаются к кислородному электроду через нагрузку r. В пористом положительном электроде 1 кислород вступает в реакцию с водой электролита, образуя ионы гидроксильного остатка:

.

В результате в замкнутой цепи возникает электрический ток. Расход воды Н₂О в элементы восполняет водород, а расход гидроксила ОН^- восполняет кислород.

Рассмотренный химический процесс противоположен процессу электролитического разложения воды, где при пропускании тока через электролит вновь образуется кислород и водород. Этим объясняется высокий уровень КПД при выработке электрической энергии.

Аккумуляторы

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока, который обладает способностью накапливать (аккумулировать) электрическую энергию и отдавать ее по мере надобности. При заряде аккумуляторы подключаются к постороннему источнику постоянного тока. Потребляемая им энергия преобразуется в химическую энергию, которая может длительно сохраняться и легко переходить в электрическую энергию при разряде аккумулятора. При этом израсходованные активные вещества аккумулятора легко восстанавливаются при последующем заряде.

Типы аккумуляторов

Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO₂) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов - стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода.

Стационарные аккумуляторы используются в энергетике, на телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве аварийного источника тока и т.д. Обычно они работают в режиме непрерывного подзаряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.

Тяговые аккумуляторы предназначены для электроснабжения электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и других машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и низкую стоимость.

Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со стоимостью других портативных аккумулторов, широкий интервал рабочих температур. Недостатками кислотных аккумуляторов являются невозможность хранения в разряженном состоянии, трудность изготовления аккумуляторов малых размеров.Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd). Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН, поэтому они именуются щелочными аккумуляторами. Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но не низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону.

Применяются никель-кадмиевые аккумуляторы для питания шахтных электровозов, подъемников, стационарного оборудования, средств связи и электронных приборов, для запуска дизелей и авиационных двигателей и т.п.

Герметичные Ni-Cd аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов и характеризуются эффектом памяти. Применялись для питания портативной аппаратуры (сотовых телефонов, магнитофонов, компьютеров и т.д.), бытовых приборов, игрушек и т.д. Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является применение токсичного кадмия.

Никель-железные аккумуляторы. Вместо кадмия в этих аккумуляторах используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда аккумуляторы производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никель-кадмиевых аккумуляторов, не содержат токсичный кадмий, имеют длинный срок службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С. Выпускаются в призматическом виде и используются в основном как тяговые источники тока в шахтных электровозах, электрокарах и промышленных подъемниках.

Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород, т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никель-металлогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никель-кадмиевых аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Изготавливаются в герметичном исполнении цилиндрической, призматической и дисковой форм. Применяются для питания портативных приборов и аппаратуры.

Никель-цинковые аккумуляторы. Это щелочные аккумуляторы, у которых отрицательный электрод - цинковый. Удельная энергия никель-цинковых аккумуляторов примерно в 2 раза выше удельной энергии Ni-Cd аккумуляторов. Они характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной мощностью и относительно невысокой начальной ценой, однако ресурс их мал, поэтому массового применения не имеют. Применяются для питания портативной аппаратуры

Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Активными материалами служат оксид серебра на положительном и цинк или кадмий - на отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи. Характеризуются высокими удельными энергиями и мощностью, низким саморазрядом, но весьма дороги. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют незначительный ресурс. Выпускаются в призматической и дисковой формах, применяются для питания портативных приборов и аппаратов, в военной технике.

Никель-водородные аккумуляторы. Отрицательным электродом служит пористый газодиффузионный электрод с платиновым катализатором, на котором обратимо реагирует газообразный водород. Характеризуются высокой удельной энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и очень дороги. Применялись в космической технике.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion). В качестве отрицательного электрода применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко увеличилось. Выпускаются в цилиндрической и призматической формах. Они применяются в сотовых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol). Анодом служит углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца. Электролитом является или раствор соли лития в неводных апротонных растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер (полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, поливинилхлорид либо другие), пластифицированный раствором соли лития в апротонном растворителе (гель-полимерный электролит). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и лучшую безопасность. Применяются для питания портативных электронных устройств.

Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока. Первичные цилиндрические марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом определенного состава, изготовленные по специальной технологии, могут электрически перезаряжаться. Они характеризуются высокой удельной энергией, малым саморазрядом и невысокой стоимостью, выпускаются в герметичном исполнении, однако имеют очень малый ресурс (до 25-50 циклов), небольшую скорость разряда и наклонную разрядную кривую. Возможность перезаряда такого марганцево-цинкового источники тока отдельно оговаривается производителем.

Для питания устройств автоматики, телемеханики и связи (АТС) на ж.д. транспорте получили распространение свинцовые и щелочные (железно-никелевые, кадмиево-никелевые) аккумуляторы. В стационарных электропитающих установках используются свинцовые аккумуляторы, имеющие высокий КПД и незначительное снижения напряжения при разряде. Но они обладают высокой механической прочностью, поэтому чаще всего применяют в качестве временных источников энергии или в мобильных системах АТС.

1.4.2. Принцип действия свинцового аккумулятора

Простейший свинцовый аккумулятор имеет вид:

Как видно, аккумулятор состоит из двух свинцовый пластин, погруженных в водный раствор серной кислоты. Положительная пластина покрывается перекисью свинца PbO₂ – вещество темно-коричневого цвета, а отрицательная пластина состоит из губчатого свинца Pb, который имеет светло-серый цвет. Перекись свинца и губчатый свинец являются активными веществами кислотного аккумулятора. Молекулы серной кислоты под действием растворителя распадаются на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка SO₄. Если к зажимам аккумулятора подсоединить нагрузку r, то аккумулятор начинает разряжаться. Положительные ионы водорода перемещаются к пластине с перекисью свинца и разряжаются на ней. Образующиеся при этом нейтральные молекулы водорода вступают в реакцию с активной массой перекиси свинца. Реакция на положительной пластине имеет вид:

.

Отрицательные ионы кислотного остатка SO₄ перемещаются к свинцовой пластине и, отдавая ей два электрона, вступают во взаимодействие с губчатым свинцом. Химическая реакция при этом имеет вид:

.

Таким образом, при разряде аккумулятора на положительной и отрицательной пластинах образуется серно-кислый свинец PbSO₄. При образовании PbSO₄ расходуется часть находящейся в электролите кислоты. Поэтому разряд аккумулятора сопровождается уменьшением плотности электролита. При глубоком разряде PbSO₄ превращается в твердую крупно-кристаллическую соль, которая плохо восстанавливается в процессе заряда. Поэтому необходимо аккумуляторы разряжать до определенной плотности электролита. Для стационарных аккумуляторов плотность электролита при разряде должна составлять 1,17÷1,15 г/см³.

Заряд аккумуляторной батареи осуществляется постоянным током. При заряде аккумуляторной батареи постоянный ток от выпрямителя поступает на положительную пластину, и далее через электролит на отрицательную. На положительную пластину будут поступать отрицательные ионы SO^2-, а к отрицательной пластине будут стремиться положительные ионы водорода 2Н⁺. После разряда ионы нейтрализуются и вступают в химическую реакцию с активной массой. Реакция на положительной пластине описывается уравнением:

PbSO₄ + SO₄ +2H₂O → PbO₂ + 2H₂SO₄;

реакция на отрицательной пластине описывается уравнением:

PbSO₄ + H₂ → Pb + H₂SO₄.

Масса положительной и отрицательной пластин восстанавливается, а плотность электролита увеличивается. Стационарные свинцовые аккумуляторы заряжаются до плотности 1,2 – 1,21 г/см³. После этого предела зарядный ток не восстанавливает активную массу на пластинах, а разлагает воду электролита на Н₂ и О₂, который образует взрывоопасную смесь – «гремучий газ».

Типы щелочных аккумуляторов

Маркировка Н–Ж (Никель – Железо), Н–К (Никель – Кадмий), С – Ц (Серебро – Цинк). Электродвижущая сила (ЭДС) Н–Ж аккумуляторов составляет: E_З = 1,5 В; E_Р = 1,3 В. ЭДС Н–К аккумуляторов составляет: E_З = 1,4 В; E_Р = 1,27 В. Среднее напряжение заряда составляет U_З = 1,8 В; разряда U_Р = 1 В.

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Общие положения

Питание стационарной аппаратуры автоматики и связи на же­лезнодорожном транспорте осуществляется от источников посто­янного тока с номинальными напряжениями, например, 24, 60, 220 В и др. Источники с номинальным напряжением 24 В ис­пользуют для питания аппаратуры на транзисторах, цепей сигна­лизации, релейных схем автоматики и др.; источники с номи­нальным напряжением 60 В - для автоматических телефонных стан­ций, телеграфной коммутационной аппаратуры; источники с на­пряжением 220 В - для питания аппаратуры связи, двигателей стре­лочных переводов и т.д. Источники тока, имеющие определенное номинальное напряжение, обычно выполняют в виде самостоятель­ного оборудования, входящего в общий комплекс электропитающей установки дома связи, поста ЭЦ или другого объекта, где раз­мещены централизованные источники электропитания.

К основным системам электропитания относятся автономная, буферная, безаккумуляторная и комбинированная системы питания (рис. 2.1). Автономная система предназначена для питания пере­носной и стационарной аппаратуры автоматики и связи, а ос­тальные - для питания стационарной аппаратуры.

Рис. 2.1. Структурная схема систем электропитания

Автономная система питания

Систему питания от первичных элементов в основном исполь­зуют для обеспечения работы переносной аппаратуры (радиостан­ций, измерительной аппаратуры и др.). Для питания стационарной аппаратуры автономную систему питания применяют в местах, где отсутствуют сети переменного тока. Система питания от акку­муляторов по способу «заряд-разряд» (рис. 2.2) предназначена для случаев, когда энергия от сетей переменного тока подается не­регулярно. Сущность этого способа питания заключается в том, что для каждой градации напряжения имеется отдельный выпрямитель и две (или более) аккумуляторные батареи . От одной батареи питается аппаратура, а другая заряжается от выпрямителя или находится в резерве заряженной. Как только батарея разрядится до определенного состояния, ее отключают и подсоединяют к выпрямителю для заряда, а для питания аппаратуры подключают заряженную батарею. При работе по этому способу аккумуляторы чаще всего заряжаются в режиме неизменяющегося тока. Емкость аккумуляторов определяется ис­ходя из продолжительности питания аппаратуры в течение 12 -24 ч, поэтому аккумуляторные батареи очень громоздкие и для их установки требуются специально оборудованные помещения боль­ших размеров. Срок службы таких аккумуляторов 6-7 лет, так как глубокие и частые циклы заряда и разряда приводят к быстрому разрушению пластин. Необходимость постоянного наблюдения за процессами заряда и разряда приводит к большим эксплуата­ционным расходам.

Рис.2.2. Схема системы питания от аккумуляторов по способу «заряд – разряд»:

Ф – фидер; ШПТ – шина переменного тока; ЗШ – зарядные шины; РШ–рязрядные шины; 1, 2, 3 – группы аккумуляторов

Перечисленные недостатки наряду с низким к. п. д. установки (30-45%) ограничивают использование этого режима. К достоинст­вам способа относятся отсутствие пульсации напряжения на на­грузке и возможность использования для заряда различных ис­точников тока.

Буферная система питания

При такой системе питания параллельно выпрямителю UZ и нагрузке включена аккумуляторная батарея GB (рис. 2.3). В случае аварии в сети переменного тока или повреждения выпрямителя дальнейшее питание нагрузки обеспечивает батарея без перерыва в подаче энергии. Аккумуляторная батарея обеспечивает надежное резервирование источников электрической энергии, и, кроме того, она совместно с фильтром питания осуществляет необходимое сглаживание пульсации. При буферной системе питания различают три режима работы: среднего тока, импульсного и непрерывного подзаряда.

При режиме среднего тока(рис. 2.4) выпрямитель UZ, вклю­ченный параллельно с аккумуляторной батареей GВ, обеспечивает постоянный ток I_в независимо от изменения тока I_н в нагрузке R_н. Когда ток нагрузки I_н мал, выпрямитель питает нагрузку и за­ряжает аккумуляторную батарею током I₃, а когда ток нагрузки велик, выпрямитель совместно с батареей, которая разряжается током I_р, питает нагрузку. Во время заряда напряжение на каждом аккумуляторе батареи увеличивается и может достигать 2,7 В, а во время разряда уменьшается до 2 В. Для осуществления данного режима могут быть использованы простейшие выпрямители без устройств автоматической регулировки. Ток выпрямителя рассчи­тывают исходя из количества электрической энергии (ампер-часы), затрачиваемой на питание нагрузки в течение суток. Это значение должно быть увеличено на 15-25% для компенсации потерь, ко­торые всегда существуют при заряде и разряде аккумуляторов .

К недостаткам режима относятся: невозможность точно опре­делить и установить необходимый ток выпрямителя, так как дей­ствительный характер изменения тока нагрузки никогда точно неизвестен, что приводит к недозаряду или перезаряду аккуму­ляторов; небольшой срок службы аккумуляторов (8-9 лет), вызы­ваемый глубокими циклами заряда и разряда; значительные коле­бания напряжения на нагрузке, так как напряжение на каждом аккумуляторе может изменяться от 2 до 2,7 В.

При режиме импульсного подзаряда(рис. 2.5) ток выпрямителя изменяется скачкообразно в зависимости от напряжения на акку­муляторной батарее GВ. При этом выпрямитель UZ обеспечивает питание нагрузки R_н совместно с батареей GВ или питает нагрузку

Рисунок 2.3 – Схема буферной системы питания

Рисунок 2.4 – Режим среднего тока:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени; I_З и I_Р – соответственно токи заряда и разряда аккумуляторной батареи

Рисунок 2.5 – Режим импульсного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов и напряжений; в, г – зависимости токов и напряжений от времени

и подзаряжает батарею. Максимальный ток выпрямителя устанавливают несколько больше тока, имеющего место в час наибольшей нагрузки, а минимальный ток нагрузки I_В max - меньше минимального тока нагрузки I_н.

Предположим, что в исходном положении выпрямитель отдает минимальный ток. Батарея аккумуляторов разряжается, и напря­жение на ней падает до 2,1 В на элемент. Реле Р отпускает якорь и контактами шунтирует резисторR. Ток на выходе выпрямителя возрастает скачкообразно до максимального. С этого момента вы­прямитель питает нагрузку и заряжает батарею. В процессе заряда напряжение на аккумуляторной батарее увеличивается и достигает 2,3 В на элемент. Вновь срабатывает реле Р, и ток выпрямителя падает до минимального; батарея начинает разряжаться. Далее циклы повторяются. Длительность интервалов времени максималь­ного и минимального тока выпрямителя изменяется в соответствии с изменением тока в нагрузке.

К достоинствам режима относятся: простота системы регули­рования тока на выходе выпрямителя; небольшие пределы изме­нения напряжения на аккумуляторной батарее и на нагрузке (от 2,1 до 2,3 В на элемент); увеличение срока службы аккумуляторов до 10-12 лет в связи с менее глубокими циклами заряда и разряда. Этот режим используют для питания устройств автоматики.

При режиме непрерывного подзаряда(рис. 2.6) нагрузка R_н пи­тается полностью от выпрямителя UZ. Заряженная аккумуляторная батарея GБ получает от выпрямителя небольшой постоянный ток подзаряда, компенсирующий саморазряд. Для осуществления ука­занного режима необходимо на выходе выпрямителя установить напряжение из расчета (2,2 ± 0,05) В на каждый аккумулятор и поддерживать его с погрешностью не более ±2%. При этом ток подзаряда для кислотных аккумуляторов I_п = (0,001-0,002) С_н и для щелочных аккумуляторов I_п = 0,01С_Н. Следовательно, для вы-

Рисунок 2.6 – Режим непрерывного подзаряда:

а – схема; б – диаграмма токов; в – зависимости токов и напряжений от времени

полнения этого режима выпрямители должны иметь точные и надежные устройства стабилизации напряжения. Невыполнение этого требования приводит к перезаряду аккумуляторов или к их глубокому разряду и сульфатации.

К достоинствам режима относится: достаточно высокий к. п. д. установки, определяемый только выпрямителем (η = 0,7÷0,8); большой срок службы аккумуляторов, достигающий 18-20 лет благодаря отсутствию циклов заряда и разряда; высокая стабиль­ность напряжения на выходе выпрямительного устройства; умень­шение эксплуатационных расходов благодаря возможности автома­тизации и упрощению обслуживания аккумуляторов.

Нормально аккумуляторы находятся в заряженном состоянии и не требуют непрерывного наблюдения. Отсутствие циклов заряда и разряда и правильно выбранный ток подзаряда уменьшают сульфатацию и позволяют увеличить периоды между перезарядами и контрольными разрядами.

Недостатком режима является необходимость усложнения пи­тающих устройств за счет элементов стабилизации и автомати­зации. Режим используют в устройствах для питания аппаратуры связи.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие системы электропитания существуют?

2. Охарактеризуйте автономную систему электропитания.

3. Как работает ЭПУ в режиме импульсного подзаряда?

4. Как работает ЭПУ в режиме непрерывного подзаряда?

5. В чем заключается двухлучевая система электропитания?

6. Охарактеризуйте принцип построения и работу ЭПУ при комбинированнойсистеме электропитания.

3. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие положения

Выпрямительным устройством, или выпрямителем, называют статический преобразователь переменного тока в постоянный. Вы­прямитель (рис. 3.1) состоит из трансформатора Т, схемы вы­прямления UZ. и сглаживающего фильтра ZQ. Помимо преобра­зования входного напряжения переменного тока, трансформатор устраняет гальваническую связь между источником переменного тока и питаемой аппаратурой. В отдельных случаях он преобразует число фаз исходного напряжения. Схема выпрямления, состоящая из вентиля или группы вентилей, преобразует переменный ток в постоянный. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию вы­прямленного напряжения до допустимого значения.

Рисунок 3.1 – Схема выпрямительного устройства

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Из каких основных элементов состоит выпрямитель и каково назначение этих элементов?

2. Какими основными параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

3. Когда диоды включают в схемы параллельно и когда последовательно?

4. По каким признакам классифицируются выпрямители?

5. Какие параметры необходимы для проектирования выпрямителей?

6. Каков принцип работы и основные параметры схем выпрямления?

7. Как сказывается емкостный и индуктивный характер нагрузки на работу схем выпрямления?

8. В чем заключаются особенности работы выпрямителя на встречную э.д. с.?

9. Как влияет индуктивность рассеяния обмоток трансформатора на работу выпрямителя?

10. В чем заключается принцип работы выпрямителя с умножением напря­жения?

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Общие положения

На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до до­пустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то вы­прямленное напряжение может быть представлено в виде сле­дующего ряда Фурье

,

где U_m - максимальное значение выпрямленного напряжения;

m - число фаз выпрямления

f - частота входного напряжения.

Таблица 4.1

Схемы выпрямления	Гармоники пульсирующего напряжения
Первая	Вторая	Третья	Четвертая
Частота Гц	Амплитуда, В	Частота Гц	Амплитуда, В	Частота Гц	Амплитуда, В	Частота Гц	Амплитуда, В
Однофазная, двухполупериодная и мостовая Трехфазная, однополупериодная Трехфазная, мостовая		0,667 0,250 0,057		0,133 0,057 0,014		0,057 0,025 0,066		0,057 0,014 0,003

Выражение перед квадратными скобками характеризует по­стоянную составляющую выпрямленного напряжения. Члены вида представляют собой амплитуды гармоник, отнесенные к одному вольту выпрямленного напряжения. Выраже­ния mf, 2mf,... определяют частоты этих гармоник. В таблице 4.1 приведены амплитуды напряжений и частот первых четырех гармо­ник для четырех основных схем выпрямления, причем постоянная составляющая выпрямленного напряжения принята равной 1В.

С увеличением номера гармоники амплитуды напряжения гармоник уменьшаются.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими составляющими можно представить пульсирующее напряжение на выходе выпрямителя?

2. Как рассчитывают и измеряют эффективное и псофометрическое напряжение помех?

3. Какие гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения оказывают большее мешающее действие?

4. Какие факторы определяют величину напряжения пульсации на выходе выпрямителя?

5. Как классифицируют сглаживающие фильтры?

6. Что такое коэффициент фильтрации и как его рассчитывают?

7. Какие функции выполняет буферная аккумуляторная батарея?

8. Каковы схемы подключения буферной аккумуляторной батареи?

5.РЕГУЛИРОВАНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуются стабилизаторы напряжения и тока?

2. Почему аккумуляторы в буферном режиме подразделяют на основную и дополнительную группы?

3. Что такое угол запаздывания? Как регулируется напряжение в тиристорных выпрямителях?

4. Как регулируется напряжение дросселями насыщения?

5. Как с помощью вольтодобавочного трансформатора осуществляется стаби­лизация напряжения?

6. За счет чего стабилизируется напряжение в феррорезонансных стабилизаторах напряжения?

7. В чем состоит преимущество компенсационных стабилизаторов напряжения перед параметрическими?

8. Для чего в регулирующем элементе компенсационного стабилизатора на­пряжения применяют составной транзистор?

9. Для чего в компенсационном стабилизаторе напряжения применяют диффе­ренциальный усилитель постоянного тока?

10. Как регулируется напряжение в понижающем, повышающем и полярно-инвертирующем импульсном стабилизаторе напряжения?

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Инверторы

В инверторах коммутация тока осуществляется электронными приборами, работающими в ключевом режиме. При работе в этом режиме электронный прибор может находиться в одном из двух состояний: открытом или закрытом. В обоих состояниях мощность, рассеиваемая на электродах, очень мала. Инвертор переходит из закрытого состояния в открытое и обратно очень быстро, так что и за время коммутации потери незначительны. Поэтому при работе в ключевом режиме к. п. д. инверторов может достигать 80-90%.

Инверторы классифицируют по ряду признаков. В зависимости от типа применяемых электронных приборов различают ламповые, транзисторные, тиратронные и тиристорные инверторы. В зависимости от системы управления их подразделяют на инверторы с внешним возбуждением и самовозбуждением. В инверторах с внешним возбуждением в состав системы управления входит авто­номный генератор, создающий управляющие сигналы в виде им­пульсов или гармонических колебаний. В инверторах с самовозбуж­дением коммутация осуществляется за счет положительной об­ратной связи в самом инверторе. Инверторы классифицируют также по числу фаз выходного напряжения (одно- и трехфазные); по форме выходного напряжения (синусоидальная, прямоугольная).

В устройствах автоматики и связи на транспорте наиболее широко распространены транзисторные и тиристорные инверторы.

Транзисторные инверторы. Инверторы выполняют по одно- и двухтактным схемам.

Однотактная схема инвертора с внешним возбуждением (рисунок 6.2, а) состоит из транзистора VTи дросселя L. Коллекторный ток транзистора VТ определяется управляющим напряжением u_эб, приложенным между базой и эмиттером, и имеющим форму прямоугольных импульсов (рисунок 6.2, б).

При положительной полярности управляющего напряжения транзистор VТ открыт, и все напряжение источника постоянного тока U₀ приложено к нагрузке. Ток дросселя i_Lвозрастает почти линейно. Ток, отдаваемый источником i_H, равен сумме токов, протекающих через дроссель и нагрузку.

Рис. 6.2. Схема однотактного инвертора с внешним возбуждением (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б)

Рис. 6.3. Схема однотактного транзисторного инвертора с самовозбуждением (а) и выходные характеристики транзистора (б)

После поступления управляющего импульса отрицательной полярности транзистор закрывается, но ток в нагрузке I_н будет существовать за счет энергии, запасенной в дросселе. Направление тока изменяется, а его значение будет уменьшаться по экспоненци­альному закону. Так как среднее значение напряжения на дросселе и нагрузке равно нулю, то среднее значение напряжения на нагрузке при закрытом транзисторе равно U₀. Следовательно, максимальное напряжение на нагрузке U_Hmax превышает среднее значение на DU. Изменение напряжения U_эк зависит от индуктивности дросселя. Чем больше индуктивность, тем меньше DUи форма кривой напряже­ния на нагрузке ближе к прямоугольной. Напряжение на закрытом транзисторе U_эк больше чем в 2 раза превышает напряжение источника тока U₀. Достоинством рассматриваемой схемы инвер­тора является ее простота, а к недостаткам относятся: несиммет­ричность формы кривой выходного напряжения и зависимость ее от нагрузки; небольшая мощность в нагрузке - доли или единицы ватт.

Однотактная схема инвертора с самовозбуждением (рисунок 6.3, а) состоит из транзистора VТ и трансформатора Т с тремя обмотками, первичной I, вторичной II и обмоткой обратной связи III. В схеме возникают колебания при выполнении двух условий: баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса фаз заключается в том, что напряжение, подаваемое на базу, должно быть в противофазе с напряжением на коллекторе транзистора. При выполнении этого условия обеспечивается положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд заключается в том, что напряжение обратной связи должно быть не менее определенного значения, необходимого для поддержания генерации. Оба условия достигаются подключе­нием обмотки обратной связи с определенным числом витков.

При подключении источника тока с напряжением U₀в цепях базы и коллектора протекают токи I_к и I_эк. За счет индуктивности Lпервичной обмотки ток I_эк будет возрастать по