Alimentare secundară

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 6 octombrie 2020; verificările necesită 15 modificări .

Alimentare secundară - un dispozitiv care convertește parametrii energiei electrice ai sursei principale de alimentare (de exemplu, o rețea industrială) în energie electrică cu parametrii necesari pentru funcționarea dispozitivelor auxiliare. Distingeți între sursele de alimentare secundare stabilizate și nestabilizate. [unu]

Sursa de alimentare secundară poate fi integrată în circuitul general (de obicei, în dispozitive simple; sau atunci când este necesar să se regleze (setarea, schimbarea) și stabilizarea tensiunii într-un anumit interval, inclusiv dinamic - de exemplu , plăcile de bază ale diferitelor computere au convertoare de tensiune încorporate pentru alimentarea procesorului și a diferitelor circuite integrate , module și PU , sau atunci când chiar și o scădere ușoară a tensiunii pe firele de alimentare este inacceptabilă), realizate sub forma unui modul ( sursă de alimentare , rack de alimentare și așa mai departe ), sau chiar situat într-o cameră separată ( atelier de alimentare ).

Sarcini secundare de alimentare

Asigurarea transferului de putere - sursa de alimentare trebuie să asigure transferul unei anumite puteri cu cea mai mică pierdere și respectarea caracteristicilor specificate la ieșire fără a se dăuna. De obicei, puterea sursei de alimentare este luată cu o anumită marjă.
Conversia formei de undă a tensiunii - conversia tensiunii AC în DC și viceversa, precum și conversia frecvenței , formarea impulsurilor de tensiune etc. Cel mai adesea, este necesar să se convertească tensiunea de frecvență a puterii AC în DC.
Conversia amplitudinii tensiunii - atât în sus, cât și în jos. Adesea este nevoie de un set de mai multe tensiuni de diferite dimensiuni pentru alimentarea diferitelor circuite.
Stabilizare - tensiunea, curentul și alți parametri la ieșirea sursei de alimentare trebuie să se încadreze în anumite limite, în funcție de scopul acesteia, sub influența unui număr mare de factori destabilizatori: modificări ale tensiunii de intrare, curentului de sarcină și așa mai departe. Cel mai adesea, stabilizarea tensiunii la sarcină este necesară, dar uneori (de exemplu, pentru încărcarea bateriilor) este necesară stabilizarea curentului.
Protecție - tensiunea sau curentul de sarcină în cazul unei defecțiuni (de exemplu, scurtcircuit ) a oricăror circuite poate depăși limitele admise și poate dezactiva aparatul sau sursa de alimentare în sine. De asemenea, în multe cazuri, este necesară protecția împotriva trecerii curentului pe calea greșită: de exemplu, trecerea curentului prin pământ atunci când o persoană sau un obiect străin atinge părțile sub tensiune.
Izolarea galvanică a circuitelor este una dintre măsurile de protecție împotriva fluxului de curent pe calea greșită.
Reglarea - în timpul funcționării, poate fi necesară modificarea oricăror parametri pentru a asigura funcționarea corectă a aparatului.
Control - poate include reglarea, pornirea/oprirea oricăror circuite sau sursa de alimentare în ansamblu. Poate fi atât direct (folosind comenzile de pe carcasa dispozitivului), cât și la distanță, precum și software (furnizează pornire/oprire, reglare la un moment specificat sau odată cu declanșarea oricăror evenimente).
Control - afișarea parametrilor la intrarea și ieșirea sursei de alimentare, circuite de pornire/oprire, funcționarea protecțiilor. Poate fi, de asemenea, direct sau la distanță.

Cel mai adesea, sursele secundare de energie se confruntă cu sarcina de a converti energia electrică dintr -o rețea de curent alternativ cu frecvență industrială (de exemplu, în Rusia - 240 V 50 Hz, în SUA - 120 V 60 Hz).

Cele două modele cele mai tipice sunt transformatorul și sursele de alimentare comutatoare.

Transformator

Sursa clasică de alimentare este un transformator PSU, realizat după o schemă liniară. În cazul general, acesta constă dintr-un transformator coborâtor sau autotransformator , în care înfășurarea primară este proiectată pentru tensiunea rețelei . Un redresor este conectat la înfășurarea secundară , care transformă tensiunea alternativă în directă (pulsante unidirecțională). În cele mai multe cazuri, redresorul este format din patru diode care formează o punte de diode (redresoare cu undă completă), mai rar - dintr-o diodă (redresoare cu jumătate de undă). Alte circuite sunt uneori utilizate, cum ar fi redresoarele de dublare a tensiunii. Un filtru este instalat după redresor , netezind oscilațiile (ondulurile). În forma sa cea mai simplă, este un condensator mare .

De asemenea, în circuit pot fi instalate filtre de interferență de înaltă frecvență, rafale ( varistoare ), protecție la scurtcircuit (scurtcircuit), stabilizatori de tensiune și curent .

Dimensiuni transformator

Din a treia ecuație Maxwell, care este o înregistrare matematică a legii lui Faraday a inducției electromagnetice , rezultă că EMF indusă într-o tură a înfășurării, acoperind fluxul magnetic variabil în timp , este egală cu: $\textstyle \mathrm {putrecerea} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t)),$ $E_1$ $\Phi$

E_{1}={\frac {d\Phi {dt}}~.

Cu o schimbare sinusoidală în vedere: $\Phi$

\Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t)~,

Unde:

\Phi _{0}

- valoarea amplitudinii (maximum) ;

\Phi

\omega

este frecvența unghiulară ;

t

- timp.

Asta implică:

E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

Fluxul magnetic este legat de inducția magnetică [2] prin formula: $B$

\Phi =B\cdot S~,

unde este aria bobinei. $S$

Cu o schimbare sinusoidală practic importantă a transformatoarelor conform legii: $B(t)$

B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t)~,

unde este valoarea amplitudinii (maximum) a inducției în miezul ( circuitul magnetic ) al transformatorului. $B_{0}$

Prin urmare, EMF de o tură a înfășurării secundare în transformatoare, a cărei înfășurare primară este alimentată cu un curent sinusoidal și al cărui circuit magnetic feromagnetic nu intră în saturație magnetică , este exprimată prin formula:

E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

În practică și în calculele transformatoarelor, nu este amplitudinea, ci valoarea rădăcină pătratică (efectivă) a EMF sau a tensiunii, care, în cazul unei modificări sinusoidale, este asociată cu valoarea amplitudinii EMF prin expresia:

E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}~.

Înlocuind ultima formulă în expresia EMF pentru o tură și ținând cont de faptul că

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $f$ - frecvența , avem formula de bază pentru calcularea numărului de spire ale înfășurărilor transformatorului, deoarece EMF-ul înfășurării este direct proporțional cu numărul de spire din înfășurare:

E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\aproximativ 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f~,

unde este EMF efectivă a unei ture. $E_{eff1)$

Puterea dată de înfășurarea secundară a transformatorului: $P$

P=U\cdot I~,

Unde:

U

- tensiunea înfăşurării sub sarcină;

eu

- curent de înfăşurare.

Deoarece curentul maxim de înfășurare este limitat de densitatea de curent limită în conductorii de înfășurare pentru o secțiune transversală dată și , rezultă că pentru a crește puterea transformatorului fără a modifica dimensiunile acestuia, este necesar să creșteți și/sau . $U\sim E_{eff1}$ $B_{0}$ $f$

O creștere semnificativă este împiedicată de fenomenul de saturație magnetică a miezului. La saturație, care apare la extremele curentului înfășurării primare în timpul perioadei, din care rezultă că: în primul rând, reactanța înfășurării primare scade, ceea ce determină o creștere a curentului fără sarcină și o creștere a încălzirea înfășurării datorită rezistenței ohmice și, în al doilea rând, pierderile de histerezis datorită inversării magnetice a circuitului magnetic, pe măsură ce aria buclei de histerezis crește, ceea ce determină o creștere a pierderilor de căldură în circuitul magnetic. $B_{0}$

Din punct de vedere al pierderilor în circuitul magnetic, este necesar să se reducă cât mai mult inducția maximă în circuitul magnetic ( ), dar această abordare nu este fezabilă din punct de vedere economic, întrucât, cu toate acestea, crește dimensiunile. și consumul de material al transformatorului. Prin urmare, în circuitul magnetic, ele sunt alese pe baza unui compromis rezonabil, iar pentru transformatoarele de putere mică cresc, iar pentru transformatoarele puternice scad. Acest lucru se datorează faptului că miezul magnetic al unui transformator de dimensiuni mici este răcit mai eficient decât cel al transformatoarelor mari. Pentru oțelurile electrice din transformatoarele de frecvență industriale, acestea aleg între 1,1-1,35 T în transformatoarele cu o putere de până la sute de W și de la 0,7 la 1,0 T pentru transformatoarele de mare putere ale substațiilor de distribuție. $B_{m)$ $B_{m)$ $B_{m)$ $B_{m)$

Pe baza formulei practice aplicate, obținută prin înlocuirea în valoarea teoretică a EMF a bobinei a valorii și frecvenței date de 50 Hz : $B_{m)$ $B_{m)$

E_{eff1}={\frac {S}{33...70}}~.

Aici exprimat în cm 2 - în volți. Valorile numitorului mai mici sunt alese pentru transformatoarele de putere redusă, cele mari pentru cele puternice. $S$ $E_{eff1)$

O altă modalitate de a crește puterea transformatorului este creșterea frecvenței de funcționare. Aproximativ, putem presupune că pentru o dimensiune dată a transformatorului, puterea acestuia este direct proporțională cu frecvența de funcționare. Prin urmare, creșterea frecvenței cu un factor de la o putere constantă face posibilă reducerea mărimii transformatorului cu un factor (aria secțiunii transversale a circuitului magnetic scade cu un factor) sau, în consecință, masa acestuia de un factor. $k$ $\sim {\sqrt {k)}$ $\sim k$ $\sim {\sqrt[{3/2}]{k))$

În special, inclusiv din aceste motive, în rețelele de putere la bord ale aeronavelor și navelor , se utilizează de obicei o frecvență de 400 Hz cu o tensiune de 115 V.

Dar o creștere a frecvenței înrăutățește proprietățile magnetice ale circuitelor magnetice, în principal din cauza creșterii pierderilor de histerezis, prin urmare, la frecvențe de operare peste câțiva kHz, se folosesc circuite magnetice ferodielectrice ale transformatoarelor, de exemplu, ferită sau din fier carbonil.

Sursele moderne de alimentare secundară pentru diverse aparate de uz casnic, calculatoare, imprimante etc. sunt acum realizate în majoritatea cazurilor după schemele surselor de impulsuri și au înlocuit aproape complet transformatoarele clasice. În astfel de surse , separarea galvanică a circuitului de alimentare și a rețelei de alimentare, obținând un set de tensiuni secundare necesare, se realizează cu ajutorul transformatoarelor de înaltă frecvență cu miez de ferită. Sursa tensiunii de înaltă frecvență sunt circuitele cheie cu impulsuri cu chei semiconductoare, de obicei cele cu tranzistori . Utilizarea unor astfel de dispozitive, numite adesea invertoare , vă permite să reduceți greutatea și dimensiunile dispozitivului de multe ori, precum și să îmbunătățiți și mai mult calitatea și fiabilitatea sursei de alimentare, deoarece sursele de impulsuri sunt mai puțin critice pentru calitatea sursei de alimentare. în rețeaua primară - sunt mai puțin sensibili la supratensiuni și scăderi ale tensiunii de rețea și la modificarea frecvenței acesteia.

Avantaje și dezavantaje

Avantajele surselor de alimentare cu transformator.

Simplitatea designului.
Fiabilitate .
Mai puțin sensibil la supratensiuni în rețea: pentru a dezactiva o astfel de sursă de alimentare, impulsul trebuie să deterioreze izolația ture-la-turn a transformatorului de rețea.
Absența interferențelor radio [nota 1] (spre deosebire de interferența pulsului datorată componentelor armonice [3] ).

Dezavantajele surselor de alimentare cu transformatoare.

Greutate și dimensiuni mari, proporțional cu puterea.
Comerț între eficiență redusă și stabilitatea tensiunii de ieșire: pentru a asigura o tensiune stabilă, este necesar un regulator care introduce pierderi suplimentare.

Aplicație

Sursele de alimentare liniare sunt utilizate pe scară largă în diverse aparate electrice de joasă tensiune. În mod colocvial, ele sunt adesea denumite adaptoare de alimentare sau pur și simplu adaptoare. Încărcătoarele au un design similar și pot fi folosite și ca surse de alimentare.

Alimentare comutată

Sursele de comutare sunt un sistem invertor . La comutarea surselor de alimentare, tensiunea de intrare AC este mai întâi rectificată. Tensiunea DC rezultată este convertită în impulsuri dreptunghiulare de frecvență crescută și un anumit ciclu de lucru , fie furnizate transformatorului (în cazul surselor de alimentare cu impulsuri cu izolație galvanică de la rețea), fie direct la filtrul trece-jos de ieșire (în impulsuri ). surse de alimentare fără izolare galvanică). În sursele de alimentare cu impulsuri, pot fi utilizate transformatoare de dimensiuni mici - acest lucru se datorează faptului că, odată cu creșterea frecvenței, eficiența transformatorului crește și cerințele pentru dimensiunile (secțiunea) miezului necesare pentru transferul puterii echivalente scad. În cele mai multe cazuri, un astfel de miez poate fi realizat din materiale feromagnetice, spre deosebire de miezurile transformatoarelor de joasă frecvență, care folosesc oțel electric.

La comutarea surselor de alimentare, stabilizarea tensiunii este asigurată prin feedback negativ . Feedback-ul vă permite să mențineți tensiunea de ieșire la un nivel relativ constant, indiferent de fluctuațiile tensiunii de intrare și ale sarcinii. Feedback-ul poate fi organizat într-o varietate de moduri. În cazul surselor de impuls cu izolație galvanică de la rețea, cele mai comune metode sunt utilizarea comunicației printr-una dintre înfășurările de ieșire ale transformatorului sau utilizarea unui optocupler . În funcție de mărimea semnalului de feedback (în funcție de tensiunea de ieșire), ciclul de lucru al impulsurilor la ieșirea controlerului PWM se modifică . Dacă decuplarea nu este necesară, atunci se utilizează în general un simplu divizor de tensiune rezistiv . Astfel, sursa de alimentare menține o tensiune de ieșire stabilă.

Avantaje și dezavantaje

Avantajele comutării surselor de alimentare

Comparabil ca putere de ieșire cu stabilizatorii liniari, regulatoarele de comutare corespunzătoare au următoarele avantaje principale:

greutate mai mica datorita faptului ca odata cu cresterea frecventei se pot folosi transformatoare mai mici cu aceeasi putere transmisa. Masa stabilizatorilor liniari constă în principal din transformatoare puternice de putere de joasă frecvență și radiatoare puternice ale elementelor de putere care funcționează într-un mod liniar. În plus, datorită frecvenței de conversie crescute, dimensiunile filtrului de tensiune de ieșire sunt reduse semnificativ (pot fi utilizați condensatori de capacitate mult mai mică decât pentru redresoarele care funcționează la frecvență industrială). Redresorul în sine poate fi realizat după cel mai simplu circuit semiundă , fără riscul de a crește ondulația tensiunii de ieșire;
eficiență semnificativ mai mare (până la 90-98%) datorită faptului că principalele pierderi în regulatoarele de comutare sunt asociate cu tranzitorii în momentele comutării elementului cheie. Deoarece de cele mai multe ori elementele cheie sunt într-una din stările stabile (adică fie pornit, fie oprit), pierderile de energie sunt minime [4] ;
- de aici rezultă direct că, cu aceeași bază de circuite și elemente, eficiența crește odată cu scăderea frecvenței de conversie, deoarece procesele tranzitorii iau o parte proporțional mai mică a timpului. În același timp, însă, dimensiunile elementelor de înfășurare cresc - dar acest lucru dă și un câștig, datorită scăderii pierderilor ohmice.
costuri mai mici datorită producției în masă a unei baze de elemente unificate și dezvoltării tranzistoarelor cheie de mare putere. În plus, trebuie remarcat costul semnificativ mai mic al transformatoarelor de impulsuri cu o putere transmisă comparabilă și posibilitatea de a utiliza elemente de putere mai puțin puternice, deoarece modul lor de funcționare este esențial;
fiabilitate comparabilă cu stabilizatorii liniari .
Sursele de alimentare pentru echipamentele computerizate, echipamentele de birou și majoritatea electronicelor de larg consum sunt aproape exclusiv pulsate („negru”, electronicele de consum, cum ar fi televizoarele și playerele, de regulă, au o alimentare cu impulsuri cu izolare galvanică completă și un optocupler). BP liniare au supraviețuit în principal numai în următoarele zone:
- pentru alimentarea plăcilor de control cu curent scăzut pentru aparatele de uz casnic, cum ar fi mașini de spălat, cuptoare cu microunde și cazane de încălzire și difuzoare. În același timp, alimentatorul plăcii de control cu curent scăzut pentru spălătorie și mașini de spălat vase Electrolux / Zanussi / AEG (aceste trei articole sunt un exemplu de rebranding, din punct de vedere tehnic produsele sunt aceleași și au unități de reparații și piese de schimb interschimbabile) eșantion în jurul anului 2010 - în impulsuri, precum și alimentatorul de alimentare al aparatelor de cafea cu curent scăzut Philips Saeco. Aceste surse de alimentare cu impulsuri nu au izolare galvanică („zero”, iar uneori chiar „faza” cablului de 220V care intră din priză este „masa circuitului” a circuitului de curent scăzut, combinația „fazei” cu „împământare cu curent scăzut” se realizează pentru a simplifica circuitele de comandă releului/triac și evitând alimentarea unei „faze” necomutate la componentele mecanice ale produsului, ceea ce reduce siguranța electrică - doar „zero” și „fază după releu/ triac" sunt furnizate componentelor mecanice, când releul / triacul este închis, un șoc electric care pune viața în pericol este imposibil) pentru a economisi optocupler și ocupă o zonă pe placă comparabilă cu dimensiunea unei brichete. Alimentator pentru partea de curent redus a cazanelor de incalzire Buderus Logamax (cu placa UBA H3) - liniar clasic, cu un transformator mare si izolare galvanica completa a laturii 220V cu curent redus prin 3 optocuple (controlul motorului de evacuare a fumului, control al motorul pompei de circulație și luarea de citiri de la electrodul de control al flăcării de ionizare - circuitul asociat cu acest electrod este pe partea de 220 V, în plus, economisirea detaliilor și simplificarea acestui circuit anume duce la o „dependență de fază” a cazanului - face NU contează de ce parte ștecherul său de 220V este conectat la priza, deoarece cel mai simplu circuit cu un singur tranzistor al IEKP este necesar ca electrodului să fie furnizat exact 220V, și nu „zero”, în raport cu „pământul galben-verde”. ").
- pentru dispozitive de control de putere redusă, de înaltă și ultra-înalta fiabilitate, concepute pentru mulți ani de funcționare continuă, fără întreținere sau întreținere dificilă, cum ar fi voltmetrele digitale din panourile electrice sau automatizarea proceselor de producție;
- pentru a alimenta amplificatoare de joasă frecvență (ULF) de înaltă calitate.
o gamă largă de tensiune și frecvență de alimentare, de neatins la un preț liniar comparabil. În practică, aceasta înseamnă posibilitatea de a utiliza aceeași sursă de alimentare comutată pentru electronice digitale purtabile în diferite țări ale lumii - Rusia / SUA / Anglia, care sunt foarte diferite ca tensiune și frecvență în prizele standard.
prezența în majoritatea PSU-urilor moderne a circuitelor de protecție încorporate din diverse situații neprevăzute, de exemplu, de la un scurtcircuit și de la lipsa sarcinii la ieșire.

Dezavantajele comutării surselor de alimentare

Funcționarea părții principale a circuitului fără izolarea galvanică de rețea, ceea ce, în special, face oarecum dificilă repararea unor astfel de surse de alimentare.
Fără excepție, toate sursele de alimentare comutatoare sunt o sursă de interferențe de înaltă frecvență , deoarece acest lucru se datorează însuși principiului funcționării lor. Prin urmare, este necesar să se ia măsuri suplimentare de suprimare a interferențelor, care adesea nu elimină complet interferența. În acest sens, utilizarea surselor de alimentare cu impulsuri pentru anumite tipuri de echipamente este adesea inacceptabilă [3] .
De regulă, sursele de alimentare comutatoare au o limită a puterii minime de sarcină. Dacă puterea de sarcină este sub minimul, sursa de alimentare fie nu pornește, fie este posibil ca parametrii tensiunii de ieșire (valoare, stabilitate) să nu se încadreze în abaterile admise.
În sistemele de putere distribuită: efectul multiplilor de trei armonici . În prezența corectoarelor efective a factorului de putere și a filtrelor în circuitele de intrare, acest dezavantaj nu este de obicei relevant.

Vezi și

Literatură

Veresov GP Alimentarea echipamentelor radio-electronice de uz casnic . - M . : Radio şi comunicare, 1983. - S. 5. - 128 p. — 60.000 de exemplare. Arhivat pe 27 iulie 2009 la Wayback Machine
Kitaev VV et al. Alimentarea cu energie a dispozitivelor de comunicație . - M . : Comunicare, 1975. - 328 p. — 24.000 de exemplare. Arhivat pe 17 martie 2013 la Wayback Machine
Bitiukov V.K. Simachkov D.S. Surse de alimentare secundară. M. . - Infra-Inginerie, 2017. - 326 p. - ISBN 978-5-9729-0171-5 .
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Surse de alimentare pentru dispozitive electronice. Circuiterie și design: manual pentru licee. - 2. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 de exemplare. — ISBN 5-93517-052-3 .

Link -uri

Veresov G.P. Alimentarea echipamentelor radio-electronice de uz casnic - M. Radio și comunicații, 1983
Kitaev V. E., Bokunyaev A. A. Alimentarea cu energie a dispozitivelor de comunicație - M., Svyaz, 1975
ALIMENTARE: comutată sau liniară? Argumente pro şi contra
Gurevich V. I. Surse secundare de energie: anatomie și experiență de aplicare - „Piața electrotehnică”, 2009, nr. 1 (25), p. 50-54

Note

Comentarii

↑ Cu toate acestea, în sursele de alimentare puternice pentru transformatoare, zgomotul de impuls apare datorită faptului că curentul care trece prin diodele redresoare (și înfășurarea secundară a transformatorului) are forma unor impulsuri scurte, deoarece dioda nu este deschisă pentru întreaga jumătate. -ciclu, dar pentru scurt timp aproape de maximul sinusoidei, când valoarea instantanee a tensiunii AC pe înfășurarea secundară depășește tensiunea DC pe rezervorul filtrului).

Surse

↑ Sursa de alimentare secundară // Electronica de putere: un scurt dicționar enciclopedic de termeni și definiții - M .: Editura MPEI, 2008
↑ Aici ne referim la inducția medie în circuitul care înconjoară bobina. Într-un câmp magnetic uniform, al cărui vector de inducție este perpendicular pe planul bobinei - doar mărimea inducției.
↑ 1 2 Comutarea surselor de alimentare . Consultat la 17 iunie 2015. Arhivat din original pe 17 iunie 2015. (nedefinit)
↑ Comparație între sursele de alimentare liniare și comutabile . Consultat la 17 iunie 2015. Arhivat din original pe 9 mai 2015. (nedefinit)