Статьи

Для выбора источника вам важно ответить на два важных вопроса: какое напряжение и какой ток необходимы для выполнения поставленной задачи? Для каждого из методов применения выпрямителя существуют параметры технологического процесса.
Параметры технологического процесса или знание сопротивления нагрузки и необходимого
для других применений источника постоянного тока, определяют его выходные параметры.
Также, возможно опытное определение необходимого выходного тока источника. Например, в
гальванике практикуют такой метод:
1. Определяют максимальное напряжение для данного тех. процесса (в соответствии с
рекомендуемыми в соответствующих справочниках для тех или иных электролитов)
2. Приготавливают рекомендуемый электролит и проводят гальванический процесс с
калиброванным электродом (имитирующим покрываемую деталь и имеющими известную
площадь поверхности) и тестовым источником постоянного тока с ограничением выходного
напряжения в соответствии с п. 1. Фиксируют максимальный ток в электрической цепи
3. Рассчитывают максимальную площадь «завешиваемых» в гальваническую ванну деталей
4. Так как гальванические процессы проводятся в режиме стабилизации тока, то
максимальный выходной ток источника будет во столько раз больше полученного в п.2
значения, во сколько раз площадь максимальной «завески» деталей больше площади
калиброванного электрода.

Современные блоки питания постоянного тока обычно имеют функцию стабилизации
выходного напряжения или тока. Закон Ома для электрических цепей постоянного тока
связывает напряжение, ток и сопротивление нагрузки следующим образом: I=U/R, где
U- Напряжение (В), I — ток (А), R — сопротивление (Ом). Ток, протекающий в электрической цепи
определяется сопротивлением нагрузки и приложенному к ней напряжению. Стабилизация
напряжения или тока подразумевает поддерживание неизменной величины того или иного
параметра. Переменным может быть сопротивление электрической цепи. Из формулы выдно,
что для поддерживания постоянного напряжения необходимо изменение тока,
компенсирующего изменения сопротивления цепи (стабилизация напряжения). Аналогично,
для поддерживания постоянного тока, необходимо изменение напряжения, компенсирующего
изменения сопротивления цепи (стабилизация тока). Применительно к блокам питания
постоянного тока, это означает следующее: При стабилизации напряжения, приложенного к
нагрузке, подключённой к источнику постоянного тока, изменяется выходной ток для
компенсации изменений сопротивления нагрузки. При этом, напряжение, приложенное к
нагрузке источника остаётся неизменным. Работающий в таком режиме источник постоянного
тока также называют источником напряжения или стабилизатором напряжения. При
стабилизации тока, протекающего через нагрузку, подключённую к источнику постоянного тока
, изменяется выходное напряжение для компенсации изменений сопротивления нагрузки. При
этом ток, протекающий через нагрузку источника остаётся неизменным. Работающий в таком
режиме источник постоянного тока также называют источником тока или стабилизатором тока.
Стабилизация выходного напряжения или тока источника постоянного тока необходима для
разных применений. Например, для гальванических процессов, связанных с нанесением
металлических покрытий, обычно используют режим стабилизации тока, а для
электрофорезного окрашивания — стабилизации напряжения. Поэтому современные источники
постоянного тока как правило имеют два указанных выше режима работы. Необходимый
режим выбирается оператором в соответствии с применением преобразователя.
Понимание этих процессов позволяет избежать проблем, связанных с выбором и
эксплуатацией источников постоянного тока. Рассмотрим, как работает конкретный источник
постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (в режиме стабилизации выходного
напряжения) или током (в режиме стабилизации выходного тока). Допустим, имеется источник
постоянного тока с регулируемым выходным напряжением 0 — 12 В и выходным током 0 --100А,
который может работать в двух указанных выше режимах. Это означает, что в режиме
стабилизации выходного напряжения, можно устанавливать выходное напряжение в
диапазоне 0 — 12 В, при этом ток, протекающий через нагрузку установится и будет изменяться
в соответствии с её сопротивлением (закон Ома). Диапазон изменения тока для данного
источника составит 0 -100 А. Также, в режиме стабилизации выходного тока, можно
устанавливать выходной ток в диапазоне 0 — 100 А, при этом напряжение, приложенное к
нагрузке установится и будет изменяться в соответствии с её сопротивлением (закон Ома).
Диапазон изменения тока для данного источника составит 0 -12 В. Сопротивление нагрузки при
максимальных значениях выходного напряжения и тока для этого источника составляет 0.12
Ом. Если сопротивление нагрузки меньше указанной выше расчётной величины, то источник
«выдаст» максимальный ток (100А) при меньшем напряжении, которое определяется по
закону Ома и получить при этом 12 В на выходе не получится. Таким образом, если
сопротивление нагрузки меньше соответствующего максимальному выходному напряжению и
току источника, то он будет работать в режиме ограничения максимального выходного
напряжения или тока в различных режимах его работы. Если же сопротивление нагрузки
больше соответствующего максимальным значениям выходного напряжения и тока, то не
получится достичь максимального выходного тока источника через нагрузку (она просто не
сможет его пропустить при максимальном выходном напряжении источника, для этого
понадобится большее выходное напряжение). Таким образом, сопротивление нагрузки
определяет выбор параметров источника постоянного тока.

Для решения промышленных задач требуются блоки питания постоянного тока в широком
диапазоне выходной мощности, которую для изделий данного типа можно определить
произведением величины выходного напряжения на величину выходного тока. Например, блок
питания с максимальным выходным током 100А и постоянным напряжением 12 В, будет иметь
максимальную выходную мощность 1200 Вт (1.2 кВт), а блок питания с максимальным
выходным током 10 000А и постоянным напряжением 24В — 240 000 Вт (240 кВт) соответственно.
При использовании многоканальных блоков питания, выходные мощности каналов
складываются. Расчёт выходной мощности необходим для определения потребляемой
мощности, которая является суммарной величиной выходной мощности и мощности потерь на
преобразование, определяемой коэффициентом полезного действия (КПД) источника.
Современные источники постоянного тока имеют довольно высокий КПД (90−99%), а
аналогичное оборудование предыдущего поколения, реализованное на устаревшей
элементной базе имеет КПД 60−70%. Поэтому, для расчёта потребляемой мощности от
электросети, необходимо добавить 1−40% к максимальной выходной мощности источника
постоянного тока, в зависимости от применяемого оборудования. Рассчитав величину
потребляемой мощности, можно выбрать электросеть (она должна, как минимум, обеспечивать
расчётную мощность потребления) и устройства защитного отключения (например защитные
«автоматы», для простого выбора величины тока которых, имеются соответствующие
электротехнические таблицы).

Потери на преобразование являются серьёзной проблемой для построения и эксплуатации
источников постоянного тока. Силовые элементы нагреваются в процессе работы и выделяемое
ими тепло необходимо утилизировать. Для примера рассмотрим два источника постоянного
тока с выходной мощностью 1,2 кВт (100А 12В) и 240 кВт (10 000А 24В) и КПД 90%
(соответственно, с потерями на тепло около 10%). Первый источник будет выделять 120 Вт
(примерно как лампа накаливания 100 Вт) в виде тепловых потерь, а второй — 24 кВт (достаточно
для отопления зимой дома 240 м2). Для утилизации выделяемого преобразователем
паразитного тепла, используют систему охлаждения. Обычно применяют два типа систем
охлаждения: принудительное воздушное и жидкостное. Принудительное воздушное
охлаждение предполагает установку нагревающихся элементов источника на металлические
(обычно алюминиевые) радиаторы с оребрением (имеют большую площадь поверхности) и
принудительный обдув этих радиаторов с помощью электрических вентиляторов. Таким
образом, выделяемое радиаторами тепло «выносится» за пределы источника. Это приводит к
охлаждению радиаторов, вместе с установленными на них силовыми модулями. Такой способ
охлаждения имеет свои недостатки и достоинства. К недостаткам следует отнести существенное
увеличение массы и габаритов преобразователей за счёт использования радиаторов
охлаждения, вентиляторов и зависимость от температуры окружающей среды. Также, в случае
использования источников постоянного тока с большой выходной мощностью и
принудительным воздушным охлаждением, необходимо обеспечивать выход нагретого
воздуха за пределы помещения, в котором они установлены — для исключения его перегрева
(т.е. необходима соответствующая вытяжная или приточно-вытяжная вентиляция помещения).
Принудительное жидкостное охлаждение предполагает циркуляцию охлаждающей жидкости
по каналам в радиаторах, на которые установлены нагревающиеся элементы источника. В этом
случае, радиаторы охлаждения не нуждаются в оребрении и электрические вентиляторы не
нужны. При этом габариты источника значительно уменьшаются, однако, необходимым
элементом такой системы охлаждении является внешний охладитель (чиллер), который
обеспечивает циркуляцию в контуре источник — охладитель (или с использованием внешнего
теплообменника), утилизацию тепла нагретой в источнике жидкости за счёт использования
воздушного охлаждения или применения рефрижераторных устройств. Также, возможно
комбинирование указанных выше вариантов систем охлаждения.

Токоподводящие и токоотводящие провода (шины) должны иметь необходимую площадь
сечения, чтобы пропускать протекающий по ним ток без критического нагрева. Автомобилисты
в курсе, что происходит с некачественными (имеющими недостаточную площадь сечения)
проводами при попытке «прикурить» автомобиль с севшим аккумулятором, — они просто
расплавляются. К выпрямителю подводится питание от внешней сети (переменное однофазное,
трехфазное 380 (или более высоковольтное) и сечение токоподводящих проводов выбирается
исходя из максимальной потребляемой мощности, определяемой как произведение
максимального выходного напряжения и тока источника, с поправкой на потери
преобразования (для преобразователей инверторного типа повышающий коэффициент
составляет обычно 1.05−1.1). Далее можно воспользоваться распространенными
электротехническими таблицами, связывающими потребляемую от различных сетей мощность,
материал проводов, сечение проводов и выбор защитного автомата.
Выбор площади сечения токоотводящих проводов (шин) производится на основании данных о
максимальном выходном токе. Обычно его величину определяют из расчёта 2.5−3 А/мм2 для
меди. Лучше конечно 2.5 А/мм2, но практика показывает, что при значении 3 А/мм2 нагрев
будет приемлемым. Например, для выходного тока 300А понадобится проводник сечением
300/3=100 мм2 (для 3 А/мм2) или 300/2.5=120 мм2. Это может быть многожильный провод, на
пример КГ-95 или КГ-120 или медная шина 20×5 мм или 20×6 мм. Алюминий и другие металлы
не рассматриваем, ввиду редкости их применения в силовой электротехники, связанной с
высокими потерями при использовании этих материалов или их дороговизны.

При подключении источника к питающей электрической сети и нагрузке, необходимо в первую
очередь руководствоваться расчетными значениями сечений токоподводящих и токоотводящих
проводов (шин). Необходимо также соблюдать ряд требований:
1. Нельзя допускать неправильного подключения провода нейтрали (N) и любого фазного
(L) провода при подключении внешней 3-х фазной электрической сети клеммной
колодке выпрямителя. Это приведет к поломке внутренних узлов выпрямителя,
питающихся от однофазного напряжения 220 В, т.к. к ним будет приложено 2-х фазное
питание 380 В. Будьте внимательны! Фото
2. Провод нейтрали (N), подключаемый к выпрямителю, может иметь небольшое сечение
(1.5−2.5 мм2), т.к. не участвует в силовом питании источника. Силовое питание
поступает только по фазным проводам (L1, L2, L3)
3. Используйте кольцевые контакты под пайку или опрессовку — для надежного
присоединения внешней 3-х фазной (1-фазной) электрической сети к электрической
клеммной колодке выпрямителя. Ни в коем случае не используйте для присоединения
оголенные провода под винт клеммной колодки и скрутки проводов силового питания.
Это может привести к нагреву и воспламенению соединений (пожару). Фото
4. Избегайте присоединение выпрямителя к внешней электрической сети посредством
питающего кабеля, свернутого в бухты. Такое подключение имеет существенную
индуктивность электрической цепи питания. При резком выключении питания
выпрямителя, высокая индуктивность токоподводящей цепи может спровоцировать
формирование высоковольтного импульса напряжения, с которым могут не справиться
защитные цепи выпрямителя и он выйдет из строя. Фото
5. Устанавливайте в электрических щитах, к которым подключается выпрямитель,
защитные устройства подавления высоковольтных импульсов в электрической сети
(варисторные). Фото
6. Не рекомендуется длительная работа выпрямителя при пониженном напряжении в
электрической сети, т.к. это может привести к более сильному нагреву системы
охлаждения и, как следствие, к защитному отключению источника.
7. Для присоединения нагрузки к шинам источника, используйте провода (шины)
необходимого сечения. При несоблюдении этого требования, присоединительные
провода будут греться и могут воспламениться. Провода должны иметь отпрессованные
наконечники для болтового присоединения к шинам источника. Старайтесь
минимизировать длину проводов от выпрямителя к нагрузке. Рекомендуется
использовать защитную консистентную смазку для присоединительных контактов во
избежание их корродирования в условиях эксплуатации.

Как правило, данное оборудование эксплуатируется в условиях агрессивной внешней среды,
связанной с работой гальванических цехов, электролизных установок и пр. В случае воздушного
охлаждения (степень защиты IP 54), все части источника, контактирующие с окружающим
воздухом, подвергаются воздействию реагентов, содержащихся в цеховом воздухе.
Корродирует металлический корпус, радиаторы системы воздушного охлаждения,
электрические элементы, охлаждаемые воздухом (вентиляторы охлаждения, силовой
трансформатор, выпрямительные диоды), выходные шины и контакты клеммной колодки
подключения электросети. Все это со временем приводит к порче и выходу из строя
оборудования. Для увеличения срока службы выпрямителей необходимо обеспечить чистоту
охлаждающего воздуха (применять приточно-вытяжную вентиляцию, располагать данное
оборудование в отдалении от мест использования реагентов, изолировать от цехового воздуха
(устанавливать выпрямители в специально отведенных помещениях). В случае невозможности
обеспечения чистоты охлаждающего источник воздуха, следует подумать об использовании
выпрямителей с жидкостной системой охлаждения, которая позволяет обеспечить степень
защиты IP 67.

Высокочастотный блок питания инверторного типа, применяющийся в гальванике, электролизе,
прочих применениях, в общем случае состоит из нескольких частей:
1. Первичный выпрямительный блок, в котором из переменного 1-фазного (3-х фазного)
напряжения формируется постоянное напряжение 315 В (для 1-фазного) или 550 В (для
3-х фазного) для питания блока силовых преобразователей.
2. Блок силовых преобразователей строится на базе IGBT — модулей по полумостовой или
мостовой схеме и предназначен для формирования импульсного высоковольтного тока
в первичной обмотке силового высокочастотного трансформатора.
3. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — контроллер управляет работой блока
силовых преобразователей, формируя импульсную последовательность необходимой
частоты и длительности импульсов.
4. Силовой высокочастотный трансформатор необходим для трансформации
высоковольтного высокочастотного переменного напряжения в первичной обмотке в
низковольтное высокочастотное переменное напряжение во вторичной обмотке. Для
изготовления его магнитопровода применяют специальные магнитные материалы,
способные работать на высоких частотах. Преобразование на высоких частотах
переменного тока позволяет существенно уменьшить массо-габаритные показатели
силового транформатора по сравнению с преобразованием на низких частотах
(например 50 Гц в электросети)
5. Вторичный выпрямительный блок необходим для формирования постоянного
импульсного выходного напряжения из низковольтного высокочастотного переменного
напряжения. Для построения этого выпрямителя используются высокочастотные
сильноточные модульные диоды.
6. Блок фильтрации выходного напряжения предназначен для формирования из
импульсного высокочастотного постоянного напряжения, непрерывного постоянного
выходного напряжения на уровне действующего напряжения импульсной
последовательности. Для основных применений высокочастотных выпрямителей
данный блок не используется и выходное напряжение представляет собой
последовательность импульсов постоянного тока с рабочей частотой ШИМ —
контроллера, изменяющейся скважностью и амплитудой, необходимой для
формирования выходного действующего напряжения, соответствующего максимально
заявленному.