Содержание
Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.
Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя
В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения Ud (пульсации). Это действие часто называется "сглаживанием" выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания .
Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.
Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный
На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой ωc. За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ωc. Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя
Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный
В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке UH в два раза выше частоты сети ωc, что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.
Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя
В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.
Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.
Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя
- Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
- Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
- Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
- Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
- Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.
Вместе со статьей "Преобразование переменного тока в постоянный" читают:
Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.
Постоянный ток и его источники
У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:
Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.
Переменный ток и его параметры
У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T), а обратная ему величина – частотой (f). Буквенное обозначение переменного тока – АС, сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:
̴
После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.
Переменный ток характеризуется параметрами:
| Характеристика | Обозначение | Единица измерения | Описание |
| Число фаз | |
Однофазный | |
| |
Трехфазный | ||
| Напряжение | U | вольт | Мгновенное значение |
| Амплитудное значение | |||
| Действующее значение | |||
| Фазное | |||
| Линейное | |||
| Период | Т | секунда | Время одного полного колебания |
| Частота | f | герц | Число колебаний за 1 секунду |
Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.
Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3).
Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нулем – фазным, оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.
Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения. Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.
Характеристики трехфазного тока
Достоинства и недостатки переменного напряжения
Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?
При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:
Мощность, которую передается по линии, равна:
Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.
Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.
Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.
Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот
Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.
Затем пульсации устраняют при помощи фильтров, простейшим из них является конденсатор. Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.
Схема простейшего выпрямителя 
Графики работы выпрямителя
Для преобразования в переменный ток используются инверторы. Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.
Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.
Преобразование – переменный ток
Для преобразования переменного тока в постоянный предварительно трансформатором понижают его напряжение, а затем выпрямляют посредством селеновых вентилей. [46]
Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип действия которого состоит в следующем. Концы витка / ( рис. 133) присоединяются к двум медным полукольцам ( сегментам), называемым коллекторными пластинами. Пластины жестко укрепляют на валу машины и изолируют как друг от друга, так и от вала. На пластинах помещают неподвижные щетки 2 и 3, электрически соединенные с приемником энергии. [48]
Для преобразования переменного тока в постоянный наряду с выпрямителями применяются термоэлектрические преобразователи. Термоэлектрический преобразователь состоит из нагревателя-проводника, по которому проходит преобразуемый ( измеряемый) ток, и миниатюрной термопары. В качестве нагревателя используется тонкая проволока, изготовленная из материала, допускающего длительный нагрев, например из нихрома или константана. Электроды термопар обычно выполняют из металлов и их сплавов. [50]
Для преобразования переменного тока в постоянный применяют полупроводниковые выпрямители. [51]
Для преобразования переменного тока в постоянный до 1912 г. в основном применяли вращающиеся преобразователи ( двигатель-генераторы), пока не появились ртутные выпрямители. В 1908 г. Юиттом был изобретен низковольтный ртутный выпрямитель. С 1915 г. ртутные выпрямители получают широкое распространение. [52]
Для преобразования переменного тока в постоянный применяются двигатель-генераторы, ртутные, механические, а также полупроводниковые выпрямители. [53]
Для преобразования переменного тока в постоянный в современной промышленности используют полупроводники, которые в контакте с металлами образуют электрические вентили – приборы, обладающие способностью хорошо проводить электрический ток в одном ( прямом проводящем) направлении и плохо в обратном ( запирающем) направлении. Для изготовления достаточно мощных вентилей пригодны особым образом приготовленные полупроводники из селена, германия и кремния высокой чистоты. [54]
Для преобразования переменного тока в постоянный на электроюзах и электропоездах предусмотрены выпрямительные полупровод-гаковые установки. [55]
Для преобразования переменного тока в постоянный и обратно применяют также, вращающиеся преобразователи трех видов: двигатель-генераторы, одноякорные и каскадные преобразователи. Двигатель-генератор состоит из двух отдельных машин – двигателя и генератора, сидящих яа одном валу и соединенных муфтой. Для преобразования переменного тока в постоянный используют асинхронный или синхронный двигатель и генератор постоянного тока с независимым возбуждением или самовозбуждением. Одноятсорный преобразователь – это генератор постоянного тока, у которого кроме коллектора имеются контактные кольца. Переменный ток преобразуется в постоянный в одном якоре. В случае преобразования трехфааного тока обмотка якоря с одной стороны машины соединена с коллектором. Три точки обмотки якоря, расположенные под углом 120, присоединены к трем контактным кольцам, укрепленным на валу с другой стороны машины. Для преобразования однофазного переменного то ка в постоянный применяют преобразователи, у которых на валу кроме коллектора укреплены два контактных кольца, присоединенных к двум диаметрально противоположным точкам обмотки якоря. [56]
Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип действия которого состоит в следующем. Пластины жестко укрепляют на валу машины и изолируют как одну от другой, так и от вала. На пластинах помещают неподвижные щетки 2 и 3, электрически соединенные с приемником энергии. [58]
Для преобразования переменного тока в постоянный и обратно применяют также вращающиеся преобразователи трех видов: двигатель-генераторы, одноякорные и каскадные преобразователи. Двигатель-генератор состоит из двух отдельных машин – двигателя и генератора, сидящих на одном валу и соединенных муфтой. Для преобразования переменного тока в постоянный используют асинхронный или синхронный двигатель и генератор постоянного тока с независимым возбуждением или самовозбуждением. Одноякорный преобразователь – это генератор постоянного тока, у которого кроме коллектора имеются контактные кольца. Переменный ток преобразуется в постоянный в одном якоре. В случае преобразования трехфазного тока обмотка якоря с одной стороны машины соединена с коллектором. Три точки обмотки якоря, расположенные под углом 120, присоединены к трем контактным кольцам, укрепленным на валу с другой стороны машины. Для преобразования однофазного переменного тока в постоянный применяют преобразователи, у которых на валу кроме коллектора укреплены два контактных кольца, присоединенных к двум диаметрально противоположным точкам обмотки якоря. [59]
Для преобразования переменного тока в постоянный служат одно – и многопостовые сварочные преобразователи. Однопостовые преобразователи ( табл. 3), питающиеся от электрической сети, представляют собой машины, состоящие из электродвигателя, включаемого в электрическую цепь, и электросварочного генератора, питающего сварочную дугу постоянным током. Обычно ротор двигателя и якорь генератора помещаются на общем валу, иногда на отдельных валах, которые соединяются муфтами. Электродвигатель и генератор помещены в общий корпус. [60]