Раздел XVIII. Основные параметры и характеристики преобразователей электрической энергии.

Преобразователи переменного тока в постоянный без изменения параметров

Преобразователем переменного тока в постоянный без изменения параметров являются диодные выпрямители. Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Однофазные выпрямители

- Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Рисунок 1 - Однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:

§ Большая величина пульсаций

§ Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

§ Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущества:

§ Экономия на количестве вентилей.

- Полумост

На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура-Делона-Гренашера».

Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».

- Полный мост (Гретца)

Рисунок 2 - Полный мост

На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем. Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.

Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах —

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°

- Два четвертьмоста параллельно ("двухполупериодный со средней точкой")

Рисунок 3 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе

Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Рисунок 4- Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.

Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции y=Em*(sin(w*t))².

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно, больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора.

Частота пульсаций равна , где — частота сети.