2 . 15.3. Однофазныеуправляемые выпрямители

На практике часто встречаются случаи, требующие возможности изменения напряжения на выходе выпря­мителя в широких пределах (например, для управления скоростью электродвигателей постоянного тока). В таких выпрямителях применяют управляемые выпрямительные элементы, в качестве которых в настоящее время обычно используют тринисторы. Управляемый выпрямитель от­личается от неуправляемого наличием устройства управ­ления, которое осуществляет управление переводом три-нисторов в проводящее состояние.

На рис. 15.5, а показана схема двухполупериодного управляемого выпрямителя, имеющего вывод от средней точки обмотки трансформатора и работающего на актив­ную нагрузку R_н. Моменты отпирания тринисторов VS1 и VS2 определяются моментами поступления на их управля­ющие электроды импульсов тока i_y1 и i_y2 (рис. 15.5, б), задержанных относительно момента перехода через нуль вторичных напряжений и'₂ и и''₂ на некоторое время, кото­рое соответствует фазовому углу α, называемому углом управления. В результате форма и длительность импульсов токов, протекающих через открытый тринистор и нагрузку, оказываются иными, чем в аналогичном выпрямителе на выпрямительных диодах, а среднее значение выпрям­ленного напряжения зависит от угла управления и опре­деляется выражением

(15.9)

Рис. 15.5. Схема (а) и графи­ки напряжений и токов (б) двухполупериодного управ­ляемого выпрямителя

При α = 0 выражение (15.9) совпадает с выражением (15.1), а при α ≠ 0

(15.10)

Графическую зависимость U_ср.у = f(α), определяемую уравнением (15.10), называют регулировочной характе­ристикой (кривая а на рис. 15.6). Ее вид зависит от характера нагрузки выпрямителя. При индуктивном ха­рактере нагрузки уменьшаются среднее значение выпрямленного напряжения и пределы изменения угла управления α (кривая б на рис. 15.6).

Рис. 15.6. Регулировочные характеристики выпрямителя

15.4. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения. Их основ­ным параметром является коэффициент сглаживания K_сг, равный отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра K_п.вх к коэффициенту пульсаций на его выходе K_п.вых, т.е.

Фильтр не должен существенно влиять на работу вы­прямительных элементов и иметь малое время переходных процессов.

Наиболее простыми являются индуктивный (рис. 15.7, а) и емкостный (рис. 15.7, б) фильтры.

В индуктивном фильтре

Рис. 15.7. Схемы индуктивного (а) и емкостного (б) сглаживающих фильтров

где z_вх и z_вых — модули комплексных сопротивлений со­ответственно на входе и выходе фильтра; I_1m — ампли­туда первой гармоники пульсирующего тока, протекаю­щего через фильтр.

Пренебрегая сопротивлением индуктивности L_ф посто­янному току, получаем:

и

(15.11)

Выражение (15.11) позволяет рассчитать индуктив­ность L_ф по заданному коэффициенту сглаживания:

Достоинствами индуктивного сглаживающего фильтра являются простота конструкции, высокая надежность и большая проходная мощность. Его недостатки–большие габариты и масса, которые прямо пропорциональны сопротивлению нагрузки. При больших сопротивлениях и незначительных токах нагрузки применяют емкостный фильтр (см. рис. 15.7, б). Работа емкостного фильтра основана на различных постоянных времени цепей за­рядки и разрядки конденсатора.

Конденсатор С_ф заряжается через малое внутреннее сопротивление r_i выпрямителя почти до амплитудного значения выпрямленного напряжения (рис. 15.8) с посто­янной времени τ_зар = r_i С_ф. При и_вх < и_Сф конденсатор С_ф

Рис. 15.8. Графики входного (и_вх) и выходного (и_Сф) напряжений емкостного сглаживающего фильтра

разряжается через R_н с постоянной времени τ_раз = R_нС_Ф. Так как R_н » r_i, то τ_раз » τ_зар, и разрядка конденсатора происходит более медленно, чем его зарядка. В резуль­тате амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения при наличии конденсатора С_ф оказывается значительно меньше, чем без такого конденсатора.

Для увеличения коэффициента сглаживания приме­няют более сложные фильтры, состоящие из последова­тельного и параллельного звеньев (рис. 15.9, а).

Рис. 15.9. Функцианальная (а) и принципиальные (б,в) схемы сглаживающих Г-образных фильтров

Для переменной составляющей выпрямленного тока сопротив­ление последовательного звена должно быть значительно больше, чем параллельного. Примерами этих фильтров являются индуктивно-емкостный (рис. 15.9, б) и резисторно-емкостный (рис. 15.9, в), а также более сложные фильтры, состоящие из двух или более последовательно включенных LC- или RС-фильтров.

Более высоким коэффициентом сглаживания обла­дают фильтры, содержащие активные элементы, в ка­честве которых чаще всего используются транзисторы. Схема одного из таких фильтров приведена на рис. 15.10, а.

Рис. 15.10. Схемы транзисторных сглаживающих фильтров

При наличии пульсаций во входном напряжении на резисторе R1 создается также пульсирующее напряжение. Переменная составляющая этого напряжения через кон­денсатор С1 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора VT1. Фазы напряжений, действующих на входе и между базой и эмиттером транзистора VT1, совпа­дают, поэтому при увеличении напряжения и_вх транзистор VT1 подзапирается, его сопротивление r_КЭ увеличивается, что приводит к уменьшению изменения тока i_н, протекаю­щего через нагрузку. При уменьшении и_вх, наоборот, сопротивление транзистора уменьшается, и изменения тока i_н также оказываются меньше. Таким образом, дан­ный фильтр как бы следит за всеми быстрыми измене­ниями напряжения на входе и регулирует сопротивление транзистора проходящему через него току нагрузки таким образом, что выходное напряжение фильтра изменяется значительно слабее, чем напряжение на его входе. Коэф­фициент сглаживания такого фильтра можно рассчитать по формуле

где К_п.ф – коэффициент пульсаций фильтра.

Недостатком рассмотренного фильтра является умень­шение напряжения на нагрузке за счет падения напряже­ния на резисторе R1. Поэтому часто применяют транзи­сторный фильтр, схема которого показана на рис. 15.10, б. Сглаживание пульсаций в таком фильтре происходит вследствие различия сопротивлений транзистора постоян­ному и переменному (пульсирующему) токам, поэтому постоянная составляющая напряжения и_вх передается на выход фильтра со значительно меньшим (в 50...200 раз) ослаблением, чем переменная.