Структурная схема и графики напряжений выпрямителя

Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы (группы выпрямительных диодов или тиристоров) и сглаживающего фильтра.

При подаче на вход выпрямителя — на первичную обмотку трансформатора — переменного напряжения u₁ на выходе выпрямителя — на нагрузке — появляется постоянное напряжение u.

Трансформатор предназначен для получения на нагрузке необходимого постоянного напряжения u.

Вентильная группа преобразует переменное напряжение u₂, поступающее со вторичной обмотки трансформатора, в постоянное по знаку напряжение u₃.

Фильтрсглаживает пульсации выпрямленного напряжения из и применяется в тех случаях, когда пульсации напряжения u₃ на выходе вентильной группы превышают допустимые для данной нагрузки.

Основным параметры и характеристики выпрямителей:

1. средние значения выпрямленного напряжения и тока U_ср, I_ср;

2. коэффициент пульсаций К_п= U_оснm/U_ср, где U_оснm - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

3. внешняя характеристика U_ср = f(I_ср);

4. регулировочная характеристика U_ср = f(α), где α — угол управления тиристорами (используется только для управляемых выпрямителей).

Режим работы выпрямителя зависит от вида фильтра и потребителя.

Наиболее распространенными видами нагрузки выпрямителей средней и большой мощности являются активно-индуктивная нагрузка (обмотки возбуждения двигателей постоянного тока и синхронных генераторов) и активно-индуктивная нагрузка, содержащая ЭДС (обмотки якоря двигателей постоянного тока, сварочных устройств с индуктивным фильтром).

Работа реальных выпрямителей на активную нагрузку практически не встречается, но для понимания принципа действия выпрямителей мы рассмотрим и этот случай .

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 4.1, а) состоит из одного вентиля VD, включенного последовательно с резистором нагрузки и со вторичной обмоткой трансформатора.

Рис. 4.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления:

а – схема выпрямления; б – диаграммы токов и напряжений

Ток через резистор нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда потенциал анода больше потенциала катода, т.е. когда диод открыт.

В отрицательный полупериод диод закрыт, ток в цепи резистора нагрузки R_н отсутствует. Следовательно, через резистор нагрузки R_н протекает пульсирующий односторонний ток в течение полупериода.

?

Максимальное значение обратного напряжения, приложенного к диоду в непроводящую часть периода, равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U_обр.max = U_2max = √2U₂

Токи диода и нагрузочного резистора одинаковы, т. е. I_d = I_н = U_d/R_н.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте питающей сети: f_п = f_с1. Расчетная мощность трансформатора Р_тр = (Р₁ + Р₂)/2 = 3,09 Р_d.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п = 1,57.

Недостатки схемы: большой коэффициент пульсаций, большая амплитуда пульсаций, низкий коэффициент использования трансформатора.

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления с выводом нулевой точки показана на рис. 4.2, а. Катоды диодов служат плюсом выпрямителя, а нулевая точка трансформатора - минусом. В положительный полупериод (интервал 0 — π), когда анод диода VD1 имеет положительный потенциал — плюс в точке 1 (см. рис 4.2, а), ток проходит через диод VD1, нагрузочный резистор R_н и нулевую точку трансформатора. К аноду второго диода в этот момент времени приложен отрицательный потенциал — минус в точке 2, а к катоду VD2 - положительный потенциал точки 1. Следовательно, диод закрыт. В следующий полупериод плюс будет в точке 2, открыт диод VD2, и ток будет проходить через резистор нагрузки R_н в том же направлении. Диод VD1 в это время будет закрыт. Таким образом, ток через резистор нагрузки будет проходить в оба полупериода, в одном и том же направлении.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Среднее значение тока резистора нагрузки I_d = U_d/R_н.

Среднее значение тока, проходящего через каждый диод, в 2 раза меньше тока I_d, проходящего через резистор нагрузки, т. е. i_d = 0,5I_d.

Обратное максимальное значение напряжения равно двойной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора: U_обр.max = 2U_2max = 2√2U₂.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети: f_п = 2f_с; коэффициент пульсаций К_п = 0,67;

мощность трансформатора Р_тр = 1,48 Р_d.

Достоинства схемы: частота пульсаций в 2 раза больше частоты питающей сети, токи диодов в 2 раза меньше тока нагрузки.

Недостатки схемы: необходим вывод средней точки вторичной обмотки трансформатора, большое обратное напряжение на диодах, большой коэффициент пульсаций.

Рис. 4.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления:

а - схема выпрямления; б - диаграммы токов и напряжений

Однофазная мостовая схема собирается на четырех диодах, являющихся плечами моста (рис. 4.3, а). В одну диагональ моста включен резистор нагрузки R_н, а другая подключена к источнику переменного напряжения — вторичной обмотке трансформатора.

Диоды VD1 и VD3 образуют катодное плечо моста с положительным потенциалом, а диоды VD2 и VD4 — анодное плечо с отрицательным потенциалом. Диоды в этой схеме работают парами VD1, VD4 и VD2, VD3 поочередно.

При положительной полуволне напряжения вторичной обмотки трансформатора (интервал 0 — π, рис. 4.3, б) ток, вызванный этим напряжением, будет проходить по цепи: плюс — VD1 — резистор нагрузки R_н — VD4 — минус. Диоды VD2 и VD3 при этом будут закрыты обратным напряжением. Через полупериод (интервал л — 2π) картина изменится на противоположную. Теперь ток будет проходить диоды VD3 и VD2, а диоды VD1 и VD4 будут закрыты. Следовательно, ток через резистор нагрузки R_н за период проходит в одном направлении.

Среднее значение выпрямленного напряжения, а также среднее значение выпрямленного тока, частота пульсаций f_п и коэффициент пульсаций в мостовой схеме такие же, как и в схеме однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой. Обратное напряжение, приложенное к закрытым диодам, равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2max, т. е. оно в 2 раза меньше, чем в предыдущей схеме: U_обр.max = U_2max. Типовая мощность трансформатора P_тр = 1,23 P_d.

Достоинства схемы:малая мощность трансформатора; обратное напряжение на диодах равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора; конструкция проще, а габариты, вес и стоимость трансформатора меньше. Схема выпрямителя может работать без трансформатора, если напряжение сети подходит для получения выпрямленного напряжения U_d. Недостатки схемы: требуется четыре вентиля; большой коэффициент пульсаций.

Рис. 4.3. Однофазная мостовая схема выпрямления:

а - схема выпрямлении; б - диаграммы токов и напряжений

Трехфазная однополупериодная схема выпрямления с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора (схема Миткевича) состоит из трехфазного трансформатора. Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, вторичная обмотка — только звездой с выводом нулевой точки (рис. 4.4, а). Резистор нагрузки R_н включается между нулевой точкой звезды и общим катодом трех диодов VD1, VD3 и VD5, аноды которых будут соединены со свободными концами А, В, С каждой из фаз. Катоды диодов, соединенных в общую точку, служат положительным полюсом для цепи нагрузочного резистора R_н, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора — отрицательным полюсом.

Работу данной схемы выпрямления можно рассматривать как работу трех однополупериодных схем выпрямления, соединенных параллельно и работающих на общий резистор нагрузки R_н. А так как напряжения вторичной обмотки трансформатора U_a, U_b, U_c сдвинуты по фазе на одну треть периода (Т/3 или 120º) и в течение этого интервала времени напряжение одной фазы (например, фазы А в интервале времени аб) выше напряжения двух других фаз В, С относительно нулевой точки трансформатора.

Рис. 4.4. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления:

а – схема выпрямления; б - диаграмма токов и напряжений

Ток через диод VD1, фазу А и резистор нагрузки R и будет протекать в течение интервала времени аб, когда напряжение фазы А выше напряжения фаз В и С. Ток через диод VD1 перестает проходить, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов и, следовательно, к диоду VD) прикладывается обратное напряжение. Переход тока от одного диода к другому коммутация токов) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений А, В, С (точки а, б, в, г, д, е на рис. 4.4, б). Токи всех диодов проходят через резистор нагрузки R_н в одном направлении, среднее значение выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока, проходящего через резистор нагрузки, I_d = U_d/R_н. Каждый вентиль в данной схеме работает в течение одной трети периода. Следовательно, среднее значение тока через диод в 3 раза меньше тока резистора нагрузки, т. е. i_dср = I_d/3. Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна утроенной частоте питающей сети: f_п = 3f_с.

Максимальное значение обратного напряжения U_обр на диоде равно амплитуде линейного напряжения, на вторичных обмотках трансформатора, т. е. U_обр.max = √3√2U_2ф = 2,45 U_2ф. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п = 0,25, мощность трансформатора

Р_тр = 1,35 P_d.

Достоинства схемы: лучшее использование обмоток трансформатора; равномерно нагружает сеть переменного тока; схема проста, меньше потери в диодах. Недостаток схемы: мощность трансформатора должна быть завышена.

Трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) приведена на рис. 4.5, а. В этой схеме последовательно соединены две трехфазные однополупериодные схемы выпрямления. Диоды VD1, VD3, VD5 представляют собой катодную группу моста, а диоды VD2, VD4, VD6 — анодную.

В данной схеме выпрямления пропускают токи те два диода, которые имеют максимальный положительный и минимальный отрицательный потенциалы, третья фаза подключается лишь в период коммутации. Катодные диоды повторяют режим работы трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой. В этой группе диодов в течение каждой трети периода пропускает ток тот диод, который имеет наиболее высокий потенциал анода.

Рис. 4.5. Трехфазная мостовая схема выпрямления:

а – схема выпрямления; б – диаграмма токов и напряжений

В анодном плече моста VD2, VD4, VD6 в данную часть периода пропускает ток тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.

Диоды катодного плеча открываются в моменты пересечения положительных синусоид

(а, б, в, г, д на рис. 4.5, б), а диоды анодного плеча — в момент пересечения отрицательных синусоид (точки к, л, м, н). Таким образом, проводить ток будут два диода, лежащие в разных плечах выпрямительного моста, между которыми действует наибольшее линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора U_2л. Например, в интервале времени t₂ — t₂ ток проводят диоды VD1 и VD6, на интервале времени t₂ — t₃ — диоды VD1 и VD2, в интервале t₃ — t₄ — диоды VD3, VD2 и т. д. Следовательно, интервал совместной работы двух диодов равен π/3 или 60º, а интервал проводимости каждого диода составляет одну треть периода: ψ = 2π/3. Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме выпрямления носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при заданной фазировке трансформатора. Графики напряжений и токов показаны на рис. 4.5, б. Среднее значение выпрямленного напряжения U_d = 2,34 U_2ф. Среднее значение выпрямленного тока, проходящего через резистор нагрузки, I_d = U_d/R_н. Так как каждый диод работает только одну треть периода, то ток диода будет в 3 раза меньше I_d, т. е. i_{d ср} = I_d /3. Частота пульсаций в 6 раз больше частоты сети питания: f_п = f_с. Коэффициент пульсаций К_п = 0,057, мощность трансформатора Р_тр = 1,05 P_d.

Достоинства схемы:

· коэффициент пульсаций имеет малое значение;

· мощность трансформатора используется практически на 100 %;

· большая частота пульсаций и малая их амплитуда;

· возможность включения в сеть без трансформатора.