1.2 Однофазные неуправляемые выпрямители
Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, однако 25-30% производимой энергии используется на постоянном токе. Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электроприводе постоянного тока, системах возбуждения машин, химической промышленности, системах управления и регулирования, электротяге, и т.д.
Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вентильные установки, состоящие из компонентов:
- силового согласующего трансформатора, с помощью которого получают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения;
- электрических вентилей (диоды, тиристоры, транзисторы);
- сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармоник выпрямленного тока;
- схем защиты и сигнализации.
Основным элементом схем выпрямления является диод (вентиль). Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением при протекании тока в прямом направлении по сравнению с сопротивлением при протекании тока в обратном направлении. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются PN-переходом – контактом двух областей полупроводникового материала с различными типами проводимости: электронной и дырочной.
Вольтамперная характеристика (ВАХ), зависимость тока от напряжения, полупроводникового диода, например Д229Б, изображена на рисунке 1.2.1.
Рис. 1.2.1.
Основными
параметрами диодов являются максимальный
ток
и допустимое значение обратного
напряжения
.
Номинальный ток указывается как среднее
значение прямого тока. При протекании
через диод прямого тока, равного
номинальному, падение напряжения на
нем для германиевых диодов составляет
примерно 0.4 В, а для кремневых 0.8 В.
Приложенное к диоду обратное напряжение
приводит к протеканию обратного тока
величиной от нескольких микроампер до
нескольких миллиампер.
В маломощных выпрямителях при расчете необходимо учитывать активные сопротивления элементов, прямое падение напряжения на вентилях и их обратный ток.
1.2.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель
Однополупериодная схема выпрямления содержит один диод, рисунок 1.2.2. Вход схемы подключается к вторичной обмотке трансформатора, а к выходным клеммам схемы подключается нагрузка.
Н
Рис. 1.2.2.
,
где
- действующее значение напряжения
вторичной обмотки трансформатора;
- амплитудное значение напряжение
вторичной обмотки трансформатора;
- круговая частота сети, где
- частота сети.
При положительном значении напряжения на аноде диода относительно катода во вторичной цепи трансформатора будет протекать ток, являющийся для диода прямым. При отрицательном напряжении на аноде относительно катода к диоду будет приложено обратное напряжение, а ток в цепи будет равен обратному току диода, рисунок 1.2.3.
Рис. 1.2.3.
Мгновенное значение выпрямленного тока описывается:
где
,
,
- мгновенные значения выпрямленного
тока, тока вторичной обмотки, и обратного
тока диода;
- сопротивление нагрузки;
- сопротивление анодной цепи, включающее,
активное сопротивление обмоток
трансформатора, сопротивление проводов
и диода.
Мгновенное значение выпрямленного напряжения в любой момент времени меньше мгновенного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора, так как часть напряжения теряется на сопротивлении .
Среднее значение выпрямленного напряжения:
,
где
‑ амплитудное значение выпрямленного
напряжения;
‑ коэффициент анодной цепи.
Среднее значение выпрямленного тока в этой схеме равное среднему значению тока диода:
,
где
- амплитудное значение выпрямленного
тока (тока диода).
Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора:
.
При расчете
выпрямителя заданными параметрами
являются значения постоянного напряжения
и необходимый ток нагрузки. Диод
выбирается по среднему значению тока
диода, амплитудному значению тока диода
и максимальному обратному напряжению.
Согласно полученным выражениям диод
должен выдерживать амплитудные значения
тока и обратного напряжения как минимум
в
раз превышающие средние значения тока
и напряжения нагрузки.
Основная гармоника
переменной составляющей выпрямленного
напряжения и тока имеет частоту равную
частоте сети. Для удобства вычисления
амплитуды основной гармоники пульсаций
выберем начало координат в точке, где
напряжение имеет максимальное значение.
Тогда мгновенное значение
в диапазоне
можно представить как косинусоидальную
функцию:
.
Так как эта функция четная, то при разложении ее в ряд Фурье останутся только косинусоидальные члены. Амплитуда первой гармоники напряжения:
.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике:
.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:
.
Действующее значение напряжения вторичной обмотки:
.
Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:
,
где
- мощность, отдаваемая в нагрузку.
Мгновенное значение тока первичной обмотки определяется из уравнения магнитного равновесия трансформатора:
,
где
,
- число витков первичной и вторичной
обмоток трансформатора;
- коэффициент трансформации.
Из последнего
выражения следует, что временная
диаграмма первичного тока трансформатора
подобна диаграмме вторичного тока, если
исключить из него постоянную составляющую
.
Действующее значение тока первичной обмотки:
.
Расчетная мощность первичной обмотки:
.
Полная расчетная мощность трансформатора:
.
Коэффициент использования трансформатора по мощности:
.
В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме работы. Это обуславливает увеличение сечения провода обмоток, массы и габаритов сердечника трансформатора.
Однополупериодный выпрямитель применяется при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокого качества выпрямленного напряжения. Схема характеризуется большими пульсациями выпрямленного напряжения, наличием вынужденного намагничивания сердечника трансформатора и низким коэффициентом использования трансформатора.