Sekundär strömförsörjning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 6 oktober 2020; kontroller kräver 15 redigeringar .

Sekundär strömförsörjning - en enhet som omvandlar parametrarna för elektriciteten från huvudströmkällan (till exempel ett industriellt nätverk) till elektricitet med de parametrar som är nödvändiga för driften av hjälpanordningar. Skilj mellan stabiliserade och ostabiliserade sekundära nätaggregat. [ett]

Den sekundära strömförsörjningen kan integreras i den övergripande kretsen (vanligtvis i enkla enheter; eller när det är nödvändigt att reglera (ställa in, ändra) och stabilisera spänningen inom ett visst område, inklusive dynamiskt - till exempel har moderkorten på olika datorer inbyggda spänningsomvandlare för att driva CPU och andra olika IC :er , moduler och PU:er , eller när till och med ett litet spänningsfall på matningsledningarna är oacceptabelt), gjorda i form av en modul ( strömförsörjning , strömställ, och så vidare ), eller till och med placerad i ett separat rum ( verkstad för strömförsörjning ).

Sekundära strömförsörjningsuppgifter

Säkerställande av kraftöverföring - strömförsörjningen måste säkerställa överföringen av en given effekt med minsta förlust och överensstämmelse med de specificerade egenskaperna vid utgången utan att skada sig själv. Vanligtvis tas kraften från strömkällan med viss marginal.
Omvandling av spänningsvågform - omvandling av växelspänning till likström , och vice versa, såväl som frekvensomvandling , bildandet av spänningspulser, etc. Oftast är det nödvändigt att konvertera växelströmsfrekvensspänning till likström.
Omvandling av spänningsstorlek - både upp och ner. Ofta behövs en uppsättning av flera spänningar av olika storlekar för att driva olika kretsar.
Stabilisering - spänning, ström och andra parametrar vid strömkällans utgång måste ligga inom vissa gränser, beroende på dess syfte, under påverkan av ett stort antal destabiliserande faktorer: förändringar i inspänning, belastningsström och så vidare. Oftast är spänningsstabilisering vid belastningen nödvändig, men ibland (till exempel för att ladda batterier) är strömstabilisering nödvändig.
Skydd - spänning eller belastningsström i händelse av ett fel (till exempel kortslutning ) av någon krets kan överskrida de tillåtna gränserna och inaktivera apparaten, eller själva strömkällan. I många fall krävs också skydd mot strömpassage längs fel väg: till exempel passage av ström genom marken när en person eller ett främmande föremål vidrör de strömförande delarna.
Galvanisk isolering av kretsar är en av åtgärderna för att skydda mot strömflödet längs fel väg.
Justering - under drift kan det vara nödvändigt att ändra alla parametrar för att säkerställa att apparaten fungerar korrekt.
Kontroll - kan inkludera justering, på-/avaktivering av alla kretsar eller strömkällan som helhet. Det kan vara både direkt (med hjälp av kontrollerna på enhetens hölje) och fjärrkontroll, såväl som programvara (som ger på/av, justering vid en angiven tidpunkt eller med början av eventuella händelser).
Kontroll - visning av parametrar vid ingången och utgången av strömkällan, på-/av-kretsar, drift av skydd. Det kan också vara direkt eller fjärrstyrt.

Oftast står sekundära kraftkällor inför uppgiften att konvertera el från ett industriellt frekvensväxelströmsnät (till exempel i Ryssland - 240 V 50 Hz, i USA - 120 V 60 Hz).

De två mest typiska designerna är transformatorer och strömförsörjning.

Transformator

Den klassiska strömförsörjningen är en transformator PSU, gjord enligt ett linjärt schema. I det allmänna fallet består den av en nedtrappningstransformator eller autotransformator , där primärlindningen är konstruerad för nätspänning . En likriktare är ansluten till sekundärlindningen , som omvandlar växelspänning till direkt (pulserande enkelriktad). I de flesta fall består likriktaren av fyra dioder som bildar en diodbrygga (helvågslikriktare), mer sällan - från en diod (halvvågslikriktare). Andra kretsar används ibland, till exempel i spänningsfördubblingslikriktare. Ett filter installeras efter likriktaren som jämnar ut svängningar (krusningar). I sin enklaste form är det en stor kondensator .

Dessutom kan högfrekventa störningsfilter, skurar ( varistorer ), kortslutningsskydd (kortslutning), spännings- och strömstabilisatorer installeras i kretsen .

Transformatordimensioner

Från den 3:e Maxwell-ekvationen, som är en matematisk registrering av Faradays lag om elektromagnetisk induktion , följer det att EMF inducerad i ett varv av lindningen, som täcker det tidsvarierande magnetiska flödet , är lika med: $\textstyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t)),$ $E_1$ $\Phi$

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

Med en sinusformad förändring i sikte: $\Phi$

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

var:

\Phi _{0}

- amplitud (maximalt) värde ;

\Phi

\omega

är vinkelfrekvensen ;

t

- tid.

Detta innebär:

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

Magnetiskt flöde är relaterat till magnetisk induktion [2] med formeln: $B$

\Phi =B\cdot S~,

var är slingans yta. $S$

Med en praktiskt viktig sinusformad förändring i transformatorer enligt lagen: $B(t)$

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

var är amplitudens (maximala) värde för induktionen i transformatorns kärna ( magnetkrets ). $B_{0}$

Därför uttrycks EMF för ett varv av sekundärlindningen i transformatorer, vars primärlindning matas med en sinusformad ström och vars ferromagnetiska magnetiska krets inte går in i magnetisk mättnad , uttrycks med formeln:

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

I praktiken och i beräkningar av transformatorer är det inte amplituden, utan rot-medelkvadratvärdet (effektivt) värde för EMF eller spänning, som, i fallet med en sinusformad förändring, är associerad med amplitudvärdet för EMF genom uttrycket:

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

Ersätter den sista formeln i EMF-uttrycket ett varv och tar hänsyn till det

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $f$ - frekvens , vi har den grundläggande formeln för att beräkna antalet varv av transformatorlindningarna, eftersom lindningens EMF är direkt proportionell mot antalet varv i lindningen:

E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4.43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f~,

var är den effektiva EMF för ett varv. ${\displaystyle E_{eff1))$

Effekt som ges av transformatorns sekundärlindning: $P$

P=U\cdot I~,

var:

U

- lindningsspänning under belastning;

jag

- lindningsström.

Eftersom den maximala lindningsströmmen begränsas av den begränsande strömtätheten i lindningsledarna för ett givet tvärsnitt och , följer det att för att öka kraften hos transformatorn utan att ändra dess dimensioner är det nödvändigt att öka och / eller . $U\sim E_{eff1}$ $B_{0}$ $f$

En betydande ökning förhindras av fenomenet magnetisk mättnad av kärnan. Vid mättnad, som inträffar vid ytterligheterna av primärlindningens ström under perioden, av vilken det följer att: för det första minskar primärlindningens reaktans , vilket orsakar en ökning av tomgångsströmmen och en ökning av uppvärmning av lindningen på grund av ohmskt motstånd, och för det andra ökar hysteresförlusterna grund av magnetisk omkastning av den magnetiska kretsen, eftersom arean av hysteresloopen ökar, vilket orsakar en ökning av värmeförlusterna i magnetkretsen. $B_{0}$

Ur synvinkel för förluster i magnetkretsen är det nödvändigt att minska den maximala induktionen i magnetkretsen ( ) så mycket som möjligt, men detta tillvägagångssätt är inte ekonomiskt genomförbart, eftersom det, allt annat lika, ökar dimensionerna och transformatorns materialförbrukning. Därför, i den magnetiska kretsen, väljs de utifrån en rimlig kompromiss, och för lågeffekttransformatorer ökar de, och för kraftfulla transformatorer minskar de. Detta beror på det faktum att den magnetiska kärnan i en liten transformator kyls mer effektivt än den hos stora transformatorer. För elstål i industriella frekvenstransformatorer väljer man mellan 1,1-1,35 T i transformatorer med en effekt på upp till hundratals W och från 0,7 till 1,0 T för högeffekttransformatorer av distributionsstationer. ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

Baserat på den tillämpade praktiska formeln, erhållen genom att ersätta det teoretiska värdet av EMF för spolen med det givna värdet och frekvensen på 50 Hz : ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

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

Här uttryckt i cm 2 - i volt. Mindre nämnarvärden väljs för lågeffekttransformatorer, stora för kraftfulla. $S$ ${\displaystyle E_{eff1))$

Ett annat sätt att öka transformatorns effekt är att öka driftsfrekvensen. Ungefärligt kan vi anta att för en given storlek på transformatorn är dess effekt direkt proportionell mot driftsfrekvensen. Att öka frekvensen med en faktor på konstant effekt gör det därför möjligt att minska transformatorns storlek med en faktor (magnetkretsens tvärsnittsarea minskar med en faktor), eller följaktligen dess massa av en faktor. $k$ $\sim {\sqrt {k))$ $\sim k$ $\sim {\sqrt[{3/2}]{k))$

I synnerhet, inklusive av dessa skäl, i kraftnäten ombord på flygplan och fartyg , används vanligtvis en frekvens på 400 Hz med en spänning på 115 V.

Men en ökning av frekvensen förvärrar de magnetiska egenskaperna hos magnetiska kretsar, främst på grund av en ökning av hysteresförluster, därför används ferrodielektriska magnetiska kretsar av transformatorer vid driftfrekvenser över några kHz, till exempel ferrit eller gjorda av karbonyljärn.

Moderna källor för sekundär strömförsörjning för olika hushållsapparater, datorer, skrivare etc. utförs nu i de flesta fall enligt scheman för pulserande källor och har nästan helt ersatt klassiska transformatorer. I sådana källor utförs den galvaniska separationen av matningskretsen och matningsnätverket, som erhåller en uppsättning nödvändiga sekundära spänningar, med hjälp av högfrekventa transformatorer med ferritkärnor. Källan till högfrekvent spänning är pulsnyckelkretsar med halvledarnycklar, vanligtvis transistornycklar . Användningen av sådana enheter, ofta kallade växelriktare , gör att du kan minska enhetens vikt och dimensioner många gånger om, samt ytterligare förbättra kvaliteten och tillförlitligheten hos strömförsörjningen, eftersom pulserande källor är mindre kritiska för kvaliteten på strömförsörjningen. i det primära nätverket - de är mindre känsliga för överspänningar och fall i nätspänningen och ändrar dess frekvens.

Fördelar och nackdelar

Fördelar med transformatorströmförsörjning.

Enkel design.
Tillförlitlighet .
Mindre känslig för överspänningar i nätverket: för att inaktivera en sådan strömförsörjning måste impulsen skada vrid-till-sväng-isoleringen på nätverkstransformatorn.
Frånvaron av radiostörningar [not 1] (i motsats till pulsstörningar på grund av övertonskomponenter [3] ).

Nackdelar med transformatorströmförsörjning.

Stor vikt och dimensioner, i proportion till effekten.
Avvägning mellan reducerad effektivitet och utspänningsstabilitet: för att säkerställa en stabil spänning krävs en regulator som inför ytterligare förluster.

Applikation

Linjära nätaggregat används ofta i olika elektriska lågspänningsapparater. I dagligt tal kallas de ofta för strömadaptrar eller helt enkelt adaptrar. Laddare har liknande design och kan även användas som nätaggregat.

Switching power supply

Switchande strömförsörjning är ett växelriktarsystem . Vid byte av strömförsörjning likriktas först AC-ingångsspänningen. Den resulterande likspänningen omvandlas till rektangulära pulser med ökad frekvens och en viss arbetscykel , antingen tillförd till transformatorn (vid pulserande strömförsörjning med galvanisk isolering från nätet) eller direkt till utgångslågpassfiltret ( i pulserande strömförsörjning) strömförsörjning utan galvanisk isolering). I pulsströmförsörjning kan små transformatorer användas - detta beror på det faktum att med ökande frekvens ökar transformatorns effektivitet och kraven på dimensionerna (sektionen) av kärnan som krävs för att överföra ekvivalent effekt minskar. I de flesta fall kan en sådan kärna vara gjord av ferromagnetiska material, i motsats till kärnorna i lågfrekventa transformatorer, som använder elektriskt stål.

Vid omkoppling av strömförsörjning tillhandahålls spänningsstabilisering genom negativ återkoppling . Återkoppling låter dig hålla utspänningen på en relativt konstant nivå, oavsett fluktuationer i ingångsspänningen och belastningen. Feedback kan organiseras på en mängd olika sätt. När det gäller impulskällor med galvanisk isolering från elnätet är de vanligaste metoderna att använda kommunikation via en av transformatorns utgångslindningar eller att använda en optokopplare . Beroende på storleken på återkopplingssignalen (beroende på utgångsspänningen), ändras arbetscykeln för pulserna vid utgången av PWM- styrenheten . Om frånkoppling inte krävs, används vanligtvis en enkel resistiv spänningsdelare . Strömförsörjningen upprätthåller således en stabil utspänning.

Fördelar och nackdelar

Fördelar med att byta strömförsörjning

Motsvarande omkopplingsregulatorer är jämförbara i uteffekt med linjära stabilisatorer, och har följande huvudfördelar:

mindre vikt på grund av att det med ökande frekvens är möjligt att använda mindre transformatorer med samma överförda effekt. Massan av linjära stabilisatorer består huvudsakligen av kraftfulla tunga lågfrekventa krafttransformatorer och kraftfulla radiatorer av kraftelement som arbetar i ett linjärt läge. Dessutom, på grund av den ökade omvandlingsfrekvensen, reduceras dimensionerna på utspänningsfiltret avsevärt (kondensatorer med mycket mindre kapacitet kan användas än för likriktare som arbetar med industriell frekvens). Själva likriktaren kan tillverkas enligt den enklaste halvvågskretsen , utan risk för att öka utspänningsrippeln;
betydligt högre effektivitet (upp till 90-98%) på grund av det faktum att huvudförlusterna i omkopplingsregulatorer är förknippade med transienter vid tidpunkten för att byta nyckelelementet. Eftersom nyckelelementen för det mesta är i ett av de stabila tillstånden (det vill säga antingen på eller av), är energiförlusterna minimala [4] ;
- det följer direkt av detta att, med samma kretsar och elementbas, effektiviteten ökar med en minskning av omvandlingsfrekvensen, eftersom transienta processer tar en proportionellt mindre del av tiden. Samtidigt växer dock dimensionerna på lindningselementen - men detta ger också en vinst, på grund av en minskning av ohmska förluster.
lägre kostnad på grund av massproduktionen av en enhetlig elementbas och utvecklingen av nyckeltransistorer med hög effekt. Dessutom bör det noteras den betydligt lägre kostnaden för pulstransformatorer med en jämförbar sänd effekt och möjligheten att använda mindre kraftfulla kraftelement, eftersom deras driftsätt är nyckeln;
tillförlitlighet jämförbar med linjära stabilisatorer .
Strömförsörjning för datorutrustning, kontorsutrustning och det mesta av konsumentelektronik är nästan uteslutande pulsad ("svart" hemelektronik, såsom TV-apparater och spelare, har i regel en pulsad PSU med full galvanisk isolering och en optokopplare). Linjära BP överlevde huvudsakligen endast i följande områden:
- för att driva svagströmsstyrkort för hushållsapparater som tvättmaskiner, mikrovågsugnar och värmepannor och högtalare. Samtidigt är nätaggregatet till lågströmsstyrkortet för tvätt och diskmaskiner Electrolux / Zanussi / AEG (dessa tre artiklar är ett exempel på ommärkning, tekniskt sett är produkterna desamma och har utbytbara reparationsenheter och reservdelar) av prov runt 2010 - pulsad, samt PSU för Philips Saeco-maskiner med lågströms kaffebräda. Dessa puls-PSU:er har inte galvanisk isolering ("noll", och ibland är till och med "fasen" för 220V-kabeln som går in från kontakten "kretsjorden" för lågströmkretsen, kombinationen av "fasen" med "lågströmsjord" görs för att förenkla relä-/triacstyrkretsarna och undvika tillförsel av en okopplad "fas" till produktens mekaniska komponenter, vilket minskar den elektriska säkerheten - endast "noll" och "fas efter reläet / triac" levereras till de mekaniska komponenterna, när reläet/triacen är stängd är en livsfarlig elektrisk stöt omöjlig) för att spara på optokopplaren och upptar en yta på kortet som är jämförbar med storleken på en cigarettändare. PSU för lågströmsdelen av Buderus Logamax värmepannor (med UBA H3-kort) - klassisk linjär, med en stor transformator och full galvanisk isolering av 220V-sidan med lågström genom 3 optokopplare (styrning av rökavgasmotorn, styrning av cirkulationspumpens motor och ta avläsningar från joniseringsflamkontrollelektroden - kretsen som är associerad med denna elektrod är på 220V-sidan, dessutom leder besparingar på detaljer och förenkling av just denna krets till ett "fasberoende" av pannan - det gör det Det spelar ingen roll vilken sida dess 220V-kontakt är ansluten till eluttaget, eftersom den enklaste enkeltransistorkretsen i IEKP krävs att exakt 220V tillförs elektroden, och inte "noll", i förhållande till den "gulgröna jorden". ").
- för styrenheter med låg effekt av hög och ultrahög tillförlitlighet, designade för många års kontinuerlig drift utan underhåll eller svårt underhåll, såsom digitala voltmetrar i elpaneler eller automatisering av produktionsprocesser,
- för att driva högkvalitativa lågfrekventa förstärkare (ULF).
ett brett utbud av matningsspänning och frekvens, ouppnåeligt för ett jämförbart pris linjärt. I praktiken innebär detta möjligheten att använda samma strömförsörjning för bärbar digital elektronik i olika länder i världen - Ryssland / USA / England, som är mycket olika i spänning och frekvens i standarduttag.
förekomsten i de flesta moderna PSU:er av inbyggda skyddskretsar från olika oförutsedda situationer, till exempel från en kortslutning och från brist på belastning vid utgången.

Nackdelar med att byta strömförsörjning

Driften av huvuddelen av kretsen utan galvanisk isolering från nätverket, vilket i synnerhet gör det något svårt att reparera sådana strömförsörjningar.
Utan undantag är alla omkopplande strömförsörjningar en källa till högfrekvent störning , eftersom detta beror på själva principen för deras funktion. Därför är det nödvändigt att vidta ytterligare interferensdämpande åtgärder, som ofta inte helt eliminerar störningar. I detta avseende är användningen av pulserande strömförsörjning för vissa typer av utrustning ofta oacceptabel [3] .
Som regel har växlande strömförsörjning en gräns för den lägsta lasteffekten. Om belastningseffekten är under miniminivån, startar strömförsörjningen antingen inte, eller så kanske utgångsspänningsparametrarna (värde, stabilitet) inte faller inom de tillåtna avvikelserna.
I distribuerade kraftsystem: effekten av multiplar av tre övertoner . I närvaro av effektiva effektfaktorkorrigerare och filter i ingångskretsarna är denna nackdel vanligtvis inte relevant.

Se även

Litteratur

Veresov GP Strömförsörjning av radio-elektronisk hushållsutrustning . - M . : Radio och kommunikation, 1983. - S. 5. - 128 sid. — 60 000 exemplar. Arkiverad 27 juli 2009 på Wayback Machine
Kitaev VV et al. Strömförsörjning av kommunikationsenheter . - M . : Kommunikation, 1975. - 328 sid. — 24 000 exemplar. Arkiverad 17 mars 2013 på Wayback Machine
Bityukov V.K. Simachkov D.S. Källor för sekundär strömförsörjning. M. . - Infra-Engineering, 2017. - 326 sid. - ISBN 978-5-9729-0171-5 .
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Strömkällor för elektroniska enheter. Kretslopp och design: Lärobok för gymnasieskolor. - 2. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 344 sid. - 3000 exemplar. — ISBN 5-93517-052-3 .

Länkar

Veresov G.P. Strömförsörjning av radio-elektronisk hushållsutrustning - M. Radio och kommunikation, 1983
Kitaev V. E., Bokunyaev A. A. Strömförsörjning av kommunikationsenheter - M., Svyaz, 1975
STRÖMFÖRSÖRJNING: switchande eller linjär? Fördelar och nackdelar
Gurevich V. I. Sekundära kraftkällor: anatomi och applikationserfarenhet - "Elektroteknisk marknad", 2009, nr 1 (25), sid. 50-54

Anteckningar

Kommentarer

↑ Men i kraftfulla transformatorströmförsörjningar uppstår impulsbrus på grund av att strömmen som flyter genom likriktardioderna (och transformatorns sekundärlindning) har formen av korta pulser, eftersom dioden inte är öppen under hela halvan -cykel, men under en kort tid nära sinusformens maximum, när det momentana värdet AC-spänning på sekundärlindningen överstiger DC-spänningen på filtertanken).

Källor

↑ Sekundär strömförsörjning // Kraftelektronik: en kort encyklopedisk ordbok över termer och definitioner - M .: MPEI Publishing House, 2008
↑ Här menar vi medelinduktionen i kretsen som omger spolen. I ett enhetligt magnetfält, vars induktionsvektor är vinkelrät mot spolens plan - bara storleken på induktionen.
↑ 1 2 Byta strömförsörjning . Hämtad 17 juni 2015. Arkiverad från originalet 17 juni 2015. (obestämd)
↑ Jämförelse av linjära och växlande strömförsörjningar . Hämtad 17 juni 2015. Arkiverad från originalet 9 maj 2015. (obestämd)