Задачи работы

1. Изучить схемы выпрямления напряжения и их основные характеристики и параметры.

2. Изучить методы умножения высоких постоянных напряжений.

6.2.Краткие теоретические сведения

Высокое напряжение постоянного тока для испытания изоляционных конструкций получают обычно с помощью высоковольтных выпрямителей, в которых в качестве вентилей используются полупроводниковые выпрямительные диоды.

При относительно небольших напряжениях (до 100-200 кВ) применяют однополупериодные, двухполупериодные или мостовые схемы выпрямления. Эти схемы питаются от сети переменного тока через повышающий трансформатор. Вторичное амплитудное напряжение трансформатора должно быть приблизительно равно требуемому напряжению постоянного тока.

Для получения более высоких напряжений могут быть использованы схемы выпрямления с умножением напряжения – схемы удвоения напряжения или многоступенчатые схемы. Они позволяют получить более высокое постоянное напряжение, чем вторичное напряжение питающего трансформатора при сравнительно небольшом обратном напряжении на вентилях.

Рассмотрим работу схемы, приведенной на рис. 6.1. Для упрощения анализа предположим, что вентили и конденсаторы идеальные.

Рис. 6.1. Схема одной ступени каскадного выпрямителя

Пусть на схему подано напряжение (рис. 6.2). В течение первой четверти периода (0 - ) вентиль VD₂ закрыт, а вентиль VD₁ открыт и конденсатор С1 заряжается по контуру 0-2-1. В момент , напряжение на конденсаторе и заряд . Затем, пройдя через отрицательный максимум, начинает увеличиваться. Потенциал точки 2 становиться положительным. Вентиль VD₁ закрывается, а вентиль VD₂ открывается. В течении времени под действием напряжения источника питания и напряжения на конденсаторе С1, который включен согласно, в цепи 1-2-3-0 протекает ток. Конденсатор С1 разряжается, а конденсатор С2 заряжается. Напряжение на С2 достигает максимальной величины в момент .

Рис. 6.2. Изменение потенциалов точек схемы (рис. 6.1)

при зарядке выпрямителя

Для определения и рассмотрим контур 1-2-3-0. Вентиль VD₂ включен в прямом направлении, и его сопротивление равно нулю. Поэтому . В момент времени : , а напряжение на конденсаторе C2 , где Q - заряд, переместившийся по контуру за время . Заряд конденсатора С1 уменьшится и станет равным , поэтому . Учитывая это, получим:

, или

.

Так как , то

,

Откуда:

;

.

При С1=С2 в момент конденсатор С1 полностью разряжен, а С2 заряжен до .

После питающее напряжение начинает уменьшаться, становится ниже . Вентиль VD₂ закрывается. Вентиль VD₁ откроется только после , когда напряжение питания становится отрицательным и - ниже нуля. Конденсатор С1 заряжается по контуру 0-2-1 и к моменту .

После напряжение питания увеличивается, становится положительным, но вентиль VD₂ открывается только в момент , когда . Конденсатор С2 подзаряжается по контуру 1-2-3-0. Пользуясь уже рассмотренным методом, можно легко определить, что в момент , а .

После вентиль VD₂ закрывается, на конденсаторе С2 остается напряжение 1,5 . Когда станет равным нулю, откроется вентиль VD₂, и конденсатор С1 подзарядится до . После того, как питающее напряжение пройдет через отрицательный максимум, становится положительным и VD₁ закроется.

Затем откроется вентиль VD₂, и конденсатор С2 подзарядится за счет С1 и питающего напряжения до 1,75 . Нетрудно видеть, что в установившемся режиме напряжение на С2 достигает 2 .

Если между точками 3 и 0 включена нагрузка R_н, то в течение промежутка времени, когда VD₂ заперт, конденсатор С2 будет частично разряжаться через R_н. Выходное напряжение будет пульсирующим (рис. 6.3). Пульсации напряжения зависят от величины С2, R_н и времени, в течении которого закрыт вентиль VD₂. Из-за постоянного разряда амплитуда напряжения на С2 будет отличаться от 2 на некоторую величину , которую называют падением напряжения. При равенстве С1 и С2 .

Рис. 6.3. Падение напряжение и напряжение пульсаций для схемы

Схема трехступенчатого каскадного выпрямителя приведена на рис. 6.4. Процесс зарядки конденсатора во времени протекает так же, как и в одноступенчатой схеме.

Рис. 6.4. Схема трехступенчатого каскадного выпрямителя

В установившемся режиме конденсатор С1 заряжен до напряжения , а С2 – до 2 . Потенциал точки 2 изменяется от 0 до 2 . Следовательно, конденсатор С3 может зарядиться до 2 . Потенциал точки 4 тогда будет меняться от 2 до 4 , и через вентиль VD5 конденсатор С5 зарядится до 2 . Тогда потенциал точки 6 будет меняться от 4 до 6 , и через VD6 конденсатор С6 зарядится до 2 . Выходное напряжение схемы складывается из напряжений на конденсаторах С2, С4, С6 и составит 6 . В общем случае при n ступенях

Поскольку заряд, поступающий на верхние ступени, отбирается от предыдущих, то многоступенчатые схемы оказываются очень чувствительными к нагрузке. Напряжение пульсации dU и падение напряжения DU быстро возрастают с увеличением числа ступеней. Для выпрямителя с n ступенями эти величины могут быть рассчитаны по следующим приближенным соотношениям:

;

,

где - среднее значение тока нагрузки;

п – число ступеней генератора;

- частота питающего напряжения;

С - емкость конденсатора схемы (при С₁=С₂=…С_n=C).