Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Общие сведения. Выпрямителем называется устройство преобразования переменного напряжения в постоянное




Читайте также:
  1. B. Общие выводы
  2. I. Краткие теоретические сведения.
  3. I. Краткие теоретические сведения.
  4. I. Краткие теоретические сведения.
  5. I. Краткие теоретические сведения.
  6. I. ОБЩИЕ ДАННЫЕ АНАМНЕЗА
  7. I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
  8. I. Общие правила
  9. I. Общие правила
  10. I. Общие принципы фармацевтической опеки.

Выпрямителем называется устройство преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство, помимо выпрямителя В, в который входят один или несколько включенных по определенной схеме вентилей, содержит в себе силовой трансформатор Т, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор Ст (рис. 1.1). В зависимости от условий работы и требований отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать.

 

 
 

 


Основным элементом выпрямителя является вентиль (диод) – это нелинейный элемент, обладающий незначительным сопротивлением току в прямом направлении и весьма большим – в обратном. Наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды, вентильные свойства которых определяются свойствами p-n-перехода – контактом двух полупроводниковых материалов с различными типами электропроводности.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.2. Для указанных направлений положительные ток и напряжение называют прямыми, отрицательные – обратными.

Основные параметры диодов: предельно допустимый прямой ток (постоянная составляющая) и максимально допустимое постоянное обратное напряжение. Превышение их приводит к необратимым процессам в p-n-переходе, разрушающим его.

Рассмотрим следующие выпрямители, имеющие широкое практическое использование: однофазный однополупериодный, однофазный мостовой и трехфазный мостовой. При анализе работы выпрямителей будем считать вентили идеальными, т.е. сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечности.

 
 

Однофазный однополупериодный выпрямитель содержит один вентиль VD, который включен последовательно с нагрузочным резистором Rн и вторичной обмоткой трансформатора Т (рис. 1.3, а). Пренебрегаем индуктивным сопротивлением рассеяния и активным сопротивлением обмоток трансформатора и считаем, что напряжение u2 на вторичной обмотке транс-форматора изменяется по закону u2 = U2msinwt. При положительных значениях этого напряжения вентиль VD открыт, и в нагрузочном резисторе Rн протекает ток

,

являющийся для вентиля прямым током.

В этом интервале времени (0...Т/2; Т...3T/2)
uн = u2 = U2msinwt; uв = 0 (рис. 1.3,б). При отрицательных значениях u2 вентиль VD закрыт, его сопротивление бесконечно велико, значит, uн = 0; uв = u2 = = U2msinwt.



Периодическое повторение этих процессов формирует на нагрузке несинусоидальное выпрямленное напряжение uн , постоянная составляющая которого

Учитывая, что Uн max = U2m = , получаем соотношение для выбора напряжения трансформатора по заданной постоянной составляющей выпрямленного напряжения: Uн ср= U2/p = 0,45U2 или U2 = 2,22 Uн ср .

Для надежной работы вентили выбирают из условий: , Uобр max U2m = pUн ср .

Коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения р называют отношение амплитуды основной гармоники к постоянной составляющей. Для однополупериодного выпрямителя напряжение представляется рядом Фурье:

 

 

Тогда коэффициент пульсаций

 

 

Недостатком однополупериодных выпрямителей является высокий уровень пульсаций, подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током. Они применяются для питания цепей малой мощности (10...15 Вт) высокого напряжения, например, электронно-лучевых трубок. Отмеченных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители.



Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 1.4, а) содержит четыре вентиля VD1...VD4, включенных по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подано синусоидальное напряжение u2 = U2msinwt, к другой – подключен нагрузочный резистор Rн. При положительных значениях напряжения u2 вентили VD1 и VD3 открыты, и в цепи трансформатор – вентиль VD1 – резистор Rн – вентиль VD3 протекает ток (рис. 1.4, б). В этот интервал времени uн = u2, а к закрытым вентилям VD2 и VD4 напряжение u2 будет приложено как обратное. При отрицательных значениях u2 вентили VD1 и VD3 закрыты, а VD2 и VD4 – открыты. Протекающий в цепи трансформатор – VD2 – RнVD4 ток отрицателен для трансформатора, но положителен для нагрузочного резистора.

Периодическое повторение этих процессов определяет несинусоидальное напряжение нагрузки uн, равное (рис. 1.4, б).

 
 

 


Постоянная составляющая этого напряжения вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении

 

Uн ср = Uн max.

 

Учитывая соотношения напряжений и токов, получим выражения для выбора напряжения трансформатора U2 и вентилей в схему выпрямителя:

Uн ср= U2 = 0,9U2; U2 = 1,11Uн ср;

Iпр max 0,5Iн ср; Uобр max U2m = Uн ср .

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет то преимущество, что средний выпрямленный ток Iн ср и напряжение Uн ср вдвое больше, а пульсации напряжения и тока значительно меньше, p = 0,67, вентили в схеме выбираются по меньшим обратным напряжениям и по половине тока нагрузки, трансформатор имеет хорошие условия работы. Применяется в устройствах малой и средней мощности (от единиц до сотен ватт).




Трехфазный мостовой выпрямитель содержит шесть вентилей (рис. 1.5, а), предложен в 1923 году А. Н. Ларионовым. Полагаем, что потенциал нейтральной точки трансформатора n равен нулю, тогда диаграмма напряжений ua, ub, uc является диаграммой потенциалов j точек а, b, с (рис. 1.5, б). В любой момент времени в цепи, включающей резистор Rн и два вентиля, протекает ток. Например, в интервале времени t1...t2 возникает ток в цепи вентиль VD1 – резистор Rн – вентиль VD4; в интервале t2...t3: VD1 – RнVD6. Ток в группе вентилей VD1, VD3, VD5 может протекать только через один из них, подключенный к точке а, b или с, той, котораяимеет наиболее высокий потенциал. Два других вентиля закрыты, и проводящий вентиль обеспечивает потенциал точки k , равный наиболее высокому из потенциалов точек а, b или с (рис. 1.5, б). В группе вентилей VD2, VD4, VD6 ток протекает через один из них, подключенный к точке а, b или с, имеющей наиболее низкий потенциал. Тогда потенциал точки m равен наиболее низкому потенциалу точек а, b или с (огибающая jm рис. 1.5, б).

Направление токов в Rн остается одинаковым, а выпрямленное напряжение uн является разностью потенциалов точек k и m и определяется огибающими диаграммы uа, ub, uс (рис. 1.5, б). Напряжение uн имеет малую пульсацию p = 0,057, его постоянная составляющая

.

Амплитуда линейного напряжения трансформатора U2m = U2 = = Uн max (рис. 1.5, б) и соотношение между Uн ср и действующим значением линейного напряжения трансформатора

.

Так как ток в каждом вентиле протекает 1/3 периода, то выбор вентиля осуществляется по 1/3 тока нагрузки: Iпр max Iн ср/3.

Выбор вентиля по обратному напряжению выполняют исходя из максимального напряжения на закрытом вентиле:

Uобр max U2m = Uн ср = 1,045 Uн ср.

Достоинства выпрямителя: малая пульсация выпрямленного напряжения, p = 0,057, что позволяет отказаться от фильтров; отсутствие подмагничивания постоянным током сердечника трансформатора. Он применяется в устройствах средней и большой мощности.

Реальные трансформаторы и вентили имеют сопротивления. При изменении тока нагрузки Iн ср возникают падения напряжения на сопротивлении вторичных обмоток трансформатора и прямом сопротивлении вентилей, в результате чего напряжение на нагрузке уменьшается Зависимость называют внешней характеристикой выпрямителя.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Основными элементами фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Эффективность фильтра характеризуют коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций p1 до установки фильтра и p2 – после установки фильтра:

.

Емкостным фильтром служит конденсатор Сф, подключаемый параллельно нагрузке, при этом напряжение конденсатора uC = uн определяется процессами его заряда и разряда. В однополупериодном выпрямителе (рис. 1.3, а) конденсатор Сф заряжается через вентиль, когда u2 > uC (интервал времени t1...t2, рис. 1.6, а). Когда u2 < uC (интервал времени t2...t3), вентиль закрыт и конденсатор разряжается через резистор Rн с постоянной времени

Использование емкостного фильтра целесообразно в условиях Rн >> R цепи заряда. Тогда быстрый процесс заряда конденсатора сменяется медленным его разрядом. Кривая uC(t) – плавная, с малыми пульсациями.

Временные диаграммы двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром приведены на рис. 1.6, б.

Емкость конденсатора Сф выбирают из условия:

 

 

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период.

Индуктивным фильтром служит индуктивная катушка с параметрами Rф и Lф, включаемая последовательно с сопротивлением нагрузки Rн. Несинусоидальное выпрямленное напряжение можно представить гармоническим рядом, состоящим из постоянной составляющей и суммы синусоид различных частот. Индуктивность Lф не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, а полное сопротивление цепи для гармоник тока
возрастает с ростом номера гармоники k. Если Rф << Rн и wLф >> Rн, то при включении фильтра постоянная составляющая тока почти не изменяется, а переменные составляющие значительно меньше, и пульсации тока нагрузки, а значит, и напряжения uн , уменьшаются.

Более эффективное сглаживание выпрямленного напряжения получают с помощью Г–образных LCфильтров (рис. 1.7). Индуктивность катушки Lф уменьшает переменную составляющую тока, а емкость Сф, уменьшая эквивалентное сопротивление участка цепи Rн Сф, снижает еще больше гармонические составляющие напряжения нагрузки.

В электронных фильтрах вместо индуктивных катушек включают транзисторы. Использование транзисторов обусловлено тем, что сопротивление промежутка коллектор-эмиттер постоянному току на 2–3 порядка меньше, чем переменному току, и пульсации уменьшаются в 3–5 раз.

 


Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 15; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.019 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты