Коэффициентом пульсаций называют отношение пикового напряжения переменной составляющей выпрямленного напряжения Em к его постоянной составляющей E0: kп=Em/E0=(e0max-e0min)/(2E0) (1.1.)
Представив выпрямленное напряжение рядом Фурье, т. е. как сумму постоянной составляющей и ряда гармоник с амплитудами Еmk, можно оценить качество выпрямления по коэффициентам пульсаций для каждой из гармоник:
kпr=Emk/E0 (1.2.)
Такая оценка удобна в том случае, когда в результате последующей
фильтрации выпрямленного напряжения большая часть гармоник сильно
ослабляется и на нагрузке оказываются отличными от нуля лишь напряжения
одной или двух гармоник.
К преимуществам электрического выпрямителя относятся: универсальность
принципа преобразования, заключающегося в том, что он пригоден для
получения как высоких, так и малых напряжений и токов; значительный КПД
преобразования; относительно небольшие габариты и масса; возможность
выпрямления переменных токов повышенной частоты; отсутствие подвижных
частей и, следовательно, быстроизнашивающихся и вибрирующих деталей, а
также переключаемых контактов и связанных с переключением искрения и
истирания контактов; малый уровень радиопомех; значительный срок службы и
высокая надежность; отсутствие при работе шума, выделения газов и дыма; не
критичность к условиям эксплуатации; относительно низкая стоимость.
Вместе с тем электрическому выпрямителю свойственны и недостатки:
чувствительность к изменению значения и формы выпрямляемого напряжения;
необходимость фильтрации выходного напряжения; относительная сложность
защитных устройств.
Рассмотрение процессов в выпрямительных схемах, проводимое далее, имеет
своей целью не всестороннее описание этих процессов, а только получение
расчетных соотношений. Поэтому сначала нужно определить цель электрического
расчета, а затем, следуя этой цели, строить расчетные формулы.
Выпрямитель в основном собирают из готовых изделий. Только трансформатор
и дроссель фильтра не являются покупными узлами, входящими в выпрямитель,
но и их выполняют на типовых сердечниках с использованием нормализованных
обмоточных проводов.
[pic]
Рис.1.5. Гармоники выпрямленного напряжения.
При проектировании выпрямителя сначала выбирают готовые изделия (вентили,
конденсаторы), а затем проверяют их режимы работы. Если электрический режим
выбранных изделий удовлетворяет паспортным данным и запасы по предельным
показателям приемлемы, то считают, что первый этап завершен успешно. После
этого определяют исходные данные для расчета трансформаторов и дросселей и,
проведя их расчет, уточняют показатели режима, полученные на первом этапе.
В заключение рассчитывают показатели выпрямительного устройства.
Если же по каким-либо причинам электрические режимы, оцененные на первом
этапе, оказываются неприемлемыми (перегрузка, большие запасы по предельным
показателям), то подбирают другие изделия с более подходящими параметрами и
снова проводят расчет выпрямителя.
Таким образом, расчетные формулы используются дважды: на первом этапе
проектирования - выборе готовых изделий - как ориентировочные, а на втором
этапе - расчете показателей - как поверочные. Ни в том, ни в другом случае
не требуется высокой точности расчета. Сначала формулы используются для
прикидки, а затем для оценки запасов по режимам. Поэтому в дальнейшем
выводить будем только те формулы, которые определяют поверяемые показатели
режимов. Они должны быть упрощенными, с точностью не ниже 10 %, что
удовлетворяет целям поверки.
Режим электрических вентилей характеризуют средним прямым выпрямленным
током, максимальными значениями прямого тока и обратного напряжения. Помимо
этих величин для последующего теплового расчета необходимо определить и
мощность, выделяющуюся в виде теплоты в вентиле, которая пропорциональна
действующему значению тока, проходящему через вентиль.
Режим работы электрических конденсаторов характеризуют максимальным
рабочим постоянным напряжением, которое должно быть (с определенным
запасом) ниже пробивного, и значением переменной составляющей напряжения,
которая должна быть меньше допустимой для данного типа конденсатора.
Для расчета трансформатора и дросселя необходимо знать напряжения на их
обмотках, действующие значения токов в обмотках и постоянный ток
подмагничивания.
1.8. Преобразователи постоянного тока.
Если в качестве первичных источников питания применяются аккумуляторы,
гальванические элементы, термогенераторы, атомные и солнечные батареи, т.
е. источники, чаще всего используемые для питания нестационарной
аппаратуры, то возникает необходимость преобразования постоянного
напряжения одного номинала в постоянное или переменное напряжение другого
номинала. Эти напряжения можно получить от нескольких источников
постоянного напряжения или от одного источника через гасящие резисторы и
резисторы-делители. Неприемлемость этих способов очевидна из-за малого КПД,
больших габаритов и массы. Эти причины и вызвали появление различных
преобразователей постоянного тока электромашинных (умформеров),
вибрационных и полупроводниковых.
В настоящее время полупроводниковые преобразователи практически вытеснили
электромашинные и вибрационные из-за своих малых габаритов и массы,
большого срока службы, высокого КПД (до 85-90%), высокой надежности,
большой механической прочности и ряда других преимуществ.
К недостаткам полупроводниковых преобразователей следует отнести подверженность влиянию температуры окружающей среды.
1.9. Электрохимические источники тока
Гальванические элементы являются первичными химическими источниками, в
которых химическая энергия непосредственно преобразуется в электрическую.
Их работа основана на использовании свойства положительных ионов металлов
переходить в растворы кислот и щелочей, называемых электролитами.
Наиболее распространен электролит в пастообразном состоянии. При
погружении в него металла в результате химического взаимодействия атомы
металла переходят в электролит, теряя часть своих электронов. Поэтому на
металлическом электроде возникает избыток электронов и относительно
электролита создается разность потенциалов, которая зависит от химической
активности металла. Таким образом, если в электролит поместить две
металлические пластины с различной химической активностью, то между ними
будет создаваться ЭДС, определяемая разностью потенциалов положительного
электрода и электролита. Металл, менее активный химически, будет иметь
более высокий потенциал относительно металла более активного. Например,
если в электролит поместить медную и цинковую пластины, то положительным
электродом будет медная пластина, а отрицательным-цинковая. Величина ЭДС
зависит от материала электродов и концентрации электролита и не зависит от
размеров и конструкции электродов.
Применение находят следующие гальванические элементы: 1) марганцево-
цинковые (МЦ), малогабаритные, герметизированные; 2) воздушно-марганцево-
цинковые (ВМЦ); 3) окисно-ртутные, отличающиеся постоянством выходного
напряжения во времени; 4) медно-окисные с большим сроком службы (до двух
десятков лет); 5) ртутно-цинковые (РЦ) малых габаритов; 6) серебряно-
окисные и серебряно-цинковые.
Наибольшее применение для питания аппаратуры связи находят сухие элементы
типа МЦ и ВМЦ. Недостатком элементов типа ВМЦ являются узкий температурный
интервал их работы и большая чувствительность к перегрузкам, хотя они по
сравнению с элементами МЦ имеют меньшие габариты при одинаковой емкости.
1.10. Непосредственные преобразователи энергии.
1.10.1. Термоэлектрические генераторы.
Принцип работы таких генераторов основан на явлении термоэлектричества, сущность которого заключается в следующем. Если соединить (спаять) несколько проводников из разных металлов и поддерживать места их соединения при различных температурах T1 и T2, то на свободных концах появится термоэлектродвижущая сила, величина которой составит Е = ((T1-T2), где (. - коэффициент, зависящий от материала контактируемых проводников.
Образование термо-ЭДС можно объяснить тем, что в местах контактов
проводников с разной температурой создается различная концентрация
электронов, что приводит к перемещению электронов из зоны с повышенной
концентрацией электронов (горячий спай) в зону с более низкой концентрацией
(холодный спай). Перемещение электронов из одной зоны в другую, в свою
очередь, приводит к появлению разности потенциалов. Одновременно с
перемещением электронов происходит теплообмен между горячим и холодным
проводниками. Из-за высокой теплопроводности металлов и низкого значения
коэффициента к термо-ЭДС, получаемая при металлических проводниках, очень
мала.
Применение полупроводниковых материалов с разной проводимостью (типа р и
п) позволяет резко увеличить термо-ЭДС. Так, если у чистых металлов
коэффициент термо-ЭДС а. не превышает 100 мкВ на 1° С, то у полупроводников
он достигает 1000 мкВ/1° С. Меньшая теплопроводность полупроводников
позволяет получить большую разность T1 - T2, что также увеличивает термо-
ЭДС и КПД генератора.
В настоящее время проводятся работы по созданию термогенераторов,
использующих солнечную энергию, отработанные газы автомобилей, тракторов,
котельных, атомных реакторов и т. д. Промышленностью выпускаются
термоэлектрогенераторы типа УГМ80М с выходной мощностью до 100 Вт, типа
УГМ200К и УГМ200Тмощностью до 200 Вт. Последовательно-параллельное
включение термогенераторов УГМ80 позволяет обеспечивать мощность
потребителя до 200 Вт, а включение УГМ200 - до 3 кВт. Указанные
термоэлектрогенераторы снабжены устройством токовой и тепловой защиты.
2. Устройство выпрямительное типа ВУТ70/600
Устройcтво выпрямительное тиристорное (в дальнейшем именуемое ВУТ) с автоматической стабилизацией выпрямленных напряжения и тока предназначается для питания аппаратуры связи одновременно с автоматическим зарядом и подзарядом кислотных аккумуляторных батарей, а также для питания аппаратуры связи без аккумуляторных батарей в статическом режиме работы.
Примечание. При статическом режиме работы не допускается, скачкообразное изменение нагрузки на ЭПУ более чем на 10% от установленного значения, включение и отключение параллельно работающих ВУТ, а также работа на импульсную нагрузку и нагрузку, имеющую отрицательное входное сопротивление.
Устройства разработаны следующих типов: ВУТ 31/60 и ВУТ 90/25 - с
условной мощностью 2 кВт, ВУТ 31/125 и ВУТ 67/60 - с условной мощностью 4
кВт, ВУТ 31/250, ВУТ 67/125, ВУТ 152/50 и ВУТ 280/25 - с условной мощностью
9 кВт, ВУТ 31/500 и ВУТ 67/250 - с условной мощностью 16 кВт, ВУТ 70/600 -
с условной мощностью 40 кВт.
ВУТ с номинальным напряжением 24В применяются для питания аппаратуры
линейно-аппаратных цехов (ЛАЦ) междугородных телефонных станций (МТС) и
обслуживаемых усилительных пунктов (ОУП) линий междугородной телефонно-
телеграфной связи, для питания аппаратуры телеграфов и районных узлов связи
(РУС). ВУТ с номинальным напряжением 60В применяются для питания аппаратуры
автоматических телефонных станций (АТС) городской телефонной сети,
аппаратуры, междугородной автоматики, питания, аппаратуры телеграфов и РУС.
ВУТ 152/50 применяются для питания моторных цепей. ВУТ 280/25. применяются
для питания резервных цепей РРЛ станций.
ВУТ предназначаются для эксплуатации в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях с температурой окружающего воздуха от +5 до +40°С и относительной влажностью его до 80% (при +25°С) при отсутствии в окружающем воздухе вредных примесей, вызывающих коррозию.
2.1. Технические данные.
Основные электрические параметры ВУТ приведены в табл. 1.
Таблица 1 Основные технические параметры ВУТ.
|Тип |Выходная |Выпрямленное напряжение, |Выпрямленный ток, А |
|ВУТ |мощность, кВт |В | |
| |Услов-|Макси-м|Мини-ма|Номи-на|Макси-м|Номи-нал|Мини-мальн|
| |ная |альная |льное |льное |альное |ьный |ый |
|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |
|ВУТ |2 |1,86 |22 |24 |31 |60 |6 |
|31/60 | | | | | | | |
|ВУТ |2 |2,25 |56 |60 |90 |.25 |1,25 |
|90/25 | | | | | | | |
|ВУТ |4 |3,88 |22 |24 |31 |125 |12,5 |
|31/125| | | | | | | |
|ВУТ |4 |4,2 |56 |60 |70 |60 |3,0 |
|67/60 | | | | | | | |
|ВУТ |9 |7,75 |22 |24 |31 |250 |25 - |
|31/250| | | | | | | |
|ВУТ |9 |8,75 |56 |60 |70 |125 |6,25 |
|67/125| | | | | | | |
|ВУТ |16 |15,5 |22 |24 |31 |500 |50 |
|31/500| | | | | | | |
|ВУТ |16 |17,5 |56 |60 |70 |250 |12,5 |
|67/250| | | | | | | |
|ВУТ |40 |42,0 |56 |60 |70 |600 |30 |
|70/600| | | | | | | |
|ВУТ |9 |7,6 |126 |- |152 |50 |2,5 |
|152/50| | | | | | | |
|ВУТ |9 |7,0 |226 |- |280 |25 |2,5 |
|280/25| | | | | | | |
Питание ВУТ осуществляется от трехфазной сети переменного тока
номинальной частоты 50 Гц и номинального напряжения 380 или 220 В для ВУТ с
условной мощностью 2, 4, 9 кВт и, только - 380В для ВУТ с условной
мощностью 16 и 40 кВт. При включении в сеть с номинальным напряжением 380 В
к устройству подключается «нулевой» провод сети.
ВУТ выполняют предъявляемые к ним требования при отклонениях частоты от
105 до 95 % номинального значения и напряжения сети переменного тока от
112,5 до 85% номинального значения.
ВУТ работают в двух режимах:
- в режиме стабилизации напряжения;
- в режиме стабилизации тока.
РУТ обеспечивают стабилизацию выпрямленного напряжения с точностью ±1 % от установленного значения при одновременном изменении: напряжения и частоты питающей сети в пределах тока нагрузки в пределах от номинального до минимального значений выпрямленного тока, указанных в табл. 1.
Стабилизированное напряжение на выходе ВУТ устанавливается в пределах от
минимального до максимального значений, указанных в табл. 1, а для ВУТ
90/25 в пределах от 56 до 76 В.
ВУТ обеспечивают стабилизацию выпрямленного тока с точностью 20% от номинального выпрямленного тока при установке тока в пределах от 30 до 100% номинального значения. Указанная точность стабилизации сохраняется при изменениях выпрямленного напряжения в пределах от минимального до максимального значений, указанных в табл. 1, отклонениях напряжения и частоты питающей сети переменного тока в пределах.
При заряде аккумуляторной батареи вручную для устройств с номинальным
напряжением 60В (кроме ВУТ 90/25) выпрямленное напряжение может быть
повышено до 74 В, для устройств с номинальным напряжением 24В - до 36В, для
ВУТ 152/50 - до 170-В, для ВУТ 28Е1/25- до 320В, при этом выпрямленный ток,
установленный на номинальное значение, может снижаться до половины величины
номинального тока.
Величина пульсации выпрямленного напряжения, измеренная на выходных
клеммах ВУТ в любом режиме работы. (при работе на активную нагрузку), для
ВУТ с номинальным напряжением 24В не превышает 10х10 в полосе частот от 300
Гц и выше и 0,1 В для частот до 300 Гц, а для ВУТ с номинальным напряжением
60В не превышает 2х 10 псофометрических, 0,015В для частот от 300 Гц и выше
и 0,25В для частот до 300Гц, для ВУТ 152/50 не превышает 3 В, для ВУТ
280/25 не превышает 0,25 В для частот до 300Гц и 15 мВ для частот от 300 Гц
и выше.
При номинальном напряжении питающей сети и максимальной выходной
мощности коэффициенты полезного действия и коэффициенты мощности не менее
величин, указанных в табл. 2.
Таблица 2 Таблица коэффициентов ВУТ.
|Тип устройства |Коэффициент полезного |Коэффициент мощности |
| |действия | |
|ВУТ 31/60 |0,79 |0,65 |
|ВУТ 90/25 |0,84 |0,68 |
|ВУТ 31/125 |0,8 |0,66 |
|ВУТ 67/60 |0,85 |0,69 |
|ВУТ 31/250 |0,8 |0,67 |
|ВУТ 67/125 |0,85 |0,7 |
|ВУТ 31/500 |0,8 |0,67 |
|ВУТ 67/250 |0,87 |0,7 |
|ВУТ 70/600 |0,87 |0,7 |
|ВУТ 152/50 |0,87 |0,65 |
|ВУТ 280/25 |0,87 |0,65 |
При сбросах и набросах тока нагрузки, равных 10% от установленного
значения тока ВУТ, выпрямленное напряжение должно оставаться в пределах
±6%, а для ВУТ 70/600 в пределах 4±6%, установленной величины выпрямленного
напряжения.
Система автоматики ВУТ обеспечивает:
- включение в работу при появлении напряжения питающей сети, если ВУТ
выключилось в результате пропадания этого напряжения;
- ограничение выходного тока в режиме стабилизации напряжения до (105+10) %
номинального значения при перегрузке ВУТ током ограничения и выше;
- изменение установки выпрямленного напряжения с (2,3-2,35) В на элемент
аккумуляторной батареи до 2,2 В на элемент;
- включение резервного ВУТ (в случае необходимости) для заряда
аккумуляторной батареи;
- включение резервного ВУТ взамен любого рабочего, если ВУТ выключилось, в
результате неисправности.
Система защиты ВУТ обеспечивает автоматическое выключение ВУТ в случаях:
- перегорания сигнальных предохранителей;
- повышения выпрямленного напряжения до (115±5) % номинального значения, а
для ВУТ 90/25 до-(115±5) % от 76В; для ' ВУТ 152/50 и ВУТ 280/25 до (115±5)
% максимального значения;
- короткого замыкания на выходе ВУТ иди повышения выпрямленного тока до
300 % и выше номинального значения без замедления;
- в режиме стабилизации напряжения повышения выпрямленного тока до (220±10)
% номинального значения с замедлением более 10Омс;
- в режиме стабилизации тока повышения выпрямленного тока (120 ±5) %
номинального значения без замедления;
- пропадания выпрямленного напряжения;
- при неравномерном распределении тока между двумя блоками тиристоров от
40 до 60 А только для ВУТ 70/600.
ВУТ рассчитаны на параллельную работу на общую нагрузку в количестве
четырех устройств.
В режиме стабилизации тока допускается работа пяти устройств.
При этом выполняются следующие требования:
- стабилизация выпрямленного напряжения сохраняется с точностью ±1 %, при
параллельной работе свыше двух ВУТ точность стабилизации может ухудшаться
до ±2 %;
- ток нагрузки между параллельно работающими ВУТ в пределах изменения
нагрузки от 100 до (30—35) % номинального значения тока одного ВУТ
распределяется равномерно с точностью 20 % номинального значения тока
одного ВУТ; при номинальном токе нагрузки, ток нагрузки между параллельно
работающими ВУТ устанавливается с точностью 10% номинального значения;
- при повышении выпрямленного напряжения осуществляется селективное
отключение только неисправного ВУТ;
- ВУТ с номинальным напряжением 60В, ВУТ 152/50 и ВУТ 280/25 , включаются и
выключаются на параллельную работу автоматически в зависимости от величины
станционной нагрузки;
- ВУТ с номинальным напряжением 24В включаются на параллельную работу
вручную.
Допускается параллельная работа в режиме стабилизации напряжения более
четырех устройств без равномерного распределения нагрузок между ними при
ухудшении КПД комплекта выпрямительных устройств.
В ВУТ предусмотрена местная и дистанционная сигнализация. В зависимости
от выполняемых функций ВУТ можно разделить на три основные части:
- собственно выпрямитель или силовую часть ВУТ;
- систему управления тиристорами;
- систему автоматики, защиты, сигнализации и параллельной работы.
Рис.2.1. Устройство выпрямительное типа ВУТ.
Устройство выпрямительное ВУТ 70600 (и дальнейшем именуемое ВУТ)
выполнено по принципиальной электрической схеме, основное отличие данного
ВУТ от выпрямительных устройств с условной мощностью 2, 4, 9 и 16кВт -
большая выходная мощность - 42 кВт (условная - 40 кВт). Поэтому для
уменьшения искажении питающей сети, вносимых ВУТ с такой выходной
мощностью, его силовая часть выполнена по 12-фазной схеме (у выпрямительных
устройств меньшей мощности - схема выпрямления - 6-фазная). Кроме того,
введена схема выравнивания токов нагрузки между двумя параллельно
включенными 6-и фазными схемами выпрямления с точностью 10-15А
предусмотрено защитное отключение ВУТ при неравномерном – 40-60 А -
распределение тока между этими схемами. По спектральному составу пульсации
ВУТ соответствует требованиям аппаратуры МТ 20, 25. В разделах настоящего
технического описания излагаются только те особенности схемы ВУТ, которые
свойственны данному ВУТ, а также приводится описание конструкции ВУТ,
поскольку она имеет существенные отличия.
