выпрямители

Однофазные и трехфазные выпрямители

Структурная схема однофазного выпрямительного устройства изображена на рис.9.1. На вход выпрямителя подается переменное напряжение u₁, которое с помощь трансформатора T_p изменяется до требуемого значения u₂. Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения

Т_р

U₂

ВГ

U₀₁

СФ

U₀₂

Cm

U₁ U_н R_н

Рис.9.1. Структурная схема однофазного выпрямительного устройства

напряжений u₂, гальванически не связанных друг с другом. После трансформатора переменное напряжение u₂ вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение u_o1. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении u_o1 помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение u_o2 на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Ст поддерживает неизменным напряжение U_н на нагрузочном устройстве R_н при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления R_н.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать. Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению, выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях – стабилизатор постоянного напряжения.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных.

Схема однополупериодного выпря-мителя приведена на рис.9.2, а. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод Д и нагрузочный резистор Rн. Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная э.д.с. Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рис.9.2, б. В первой полупериод, т.е. в интервале времени 0-Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б, и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток ..

ia Тр + a (-) in Д U1 Uz Uн Rн - (+) b (a) UZ U2m UZ T/2 3T/2 2Т 0 T t Ua, ia Ism Ia.ср 0 t Uобр max=U2m Ua Uн , iн Uн Uн.ср Iн Iн.ср. 0 t (б) Рис.9.2. Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов (б) однопо-лупериодного выпрямителя

В интервале времени Т/2-Т диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение ..

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя и всех выпрямителей являются:

средние значения выпрямленных тока и напряжения I_н.ср. и U_н.ср.;

мощность нагрузочного устройства P_н.ср=U_н.ср.I_н.ср. ;

амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_{оси m} ;

коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения p=U_{оси m}/U_н.ср. ;

действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, U₁ и I₂,U₂ ;

типовая мощность трансформатора S_тр=0.5(S₁+S₂), где S₁=U₁I₁, а S₂=U₂I₂ ;

коэффициент полезного действия

=P_н.ср./(P_н.ср.+Р_тр+Р_а)

где Р_тр - потери в трансформаторе, а Р_а - потери в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис.9.2)

U_н.ср.= (9.1)

или

U₂=

Ток I_н.ср. является прямым током диода, т.е.

I_пр.ср.=I_н.ср.=0.45 U₂/R_н (9.1а)

Ток i_н является током вторичной обмотки трансформатора: I_н=i₂. Тогда с учетом (9.1) Действующее значение этого тока

I₂= (9.2)

При подсчете типовой мощности трансформатора практически без большой ошибки можно считать, что S₁S₂. Тогда

S_трS₂=U₂I₂=2.22 U_н.ср. 1.57 I_н.ср.3.5 Р_н.ср. (9.3)

Коэффициент пульсаций p=1.57. Это значение получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

u_н=U_н.ср.(1+ (9.4)

Принимая во внимание, что коэффициент пульсаций p есть отношение амплитуды основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна , к выпрямленному напряжению U_н.ср. получим

P==

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения.

Следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток i₂, имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается проницаемость сердечника, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению к.н.д. всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электронно-лучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность более 10-15 Вт.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основные показатели выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде U_пр при прямом токе I_пр должно быть минимальным. В паспорте на диод указывают среднее значение прямого тока I_пр.ср., которое численно равно среднему значению выпрямленного тока I_н.ср., и среднее значение прямого падения напряжения U_пр.ср.

Предельный электрический режим диодов характеризуют следующие параметры:

максимальное обратное напряжение U_{обр. max.};

максимальный прямой ток I_{пр. max.}, соответствующий I_{выпр. max.}

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов I_max.. В случаях превышения этой частоты, как отмечалось в гл.2, диоды теряют вентильные свойства.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий I_пр.ср.I_н.ср. и U_{обр. max.} примерно с превышением в 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает U_обр.max. для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотипных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться пропорционально обратному сопротивлению диодов. Поскольку обратные сопротивления у однотипных диодов имеют некоторый разброс и обратные напряжения на последовательно включенных диодах будут разными, для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы R_m (рис.9.3). Обычно R_m(0.1-0.2)R_обр..

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые столбы (например, Д1004, Д1005, 1Ц104, 2Ц101, 2Ц110). Выпрямительный столб – это группа последовательно соединенных диодов, помещенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения U_обр.max. свыше 15 кВ.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям, имеют более высокий к.п.д. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.9.4, а). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор R_н Каждая пара диодов (Д₁, Д₃ и Д₂, Д₄) работает поочередно.

Диоды Д₁, Д₃ открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂ (интервал времени 0-Т/2), когда потенциал точки а выше потенциала точки b. При этом в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i_н (рис.9.4, б). В этом интервале диоды Д₂, Д₄ закрыты.

В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2-Т) потенциал точки b выше потенциала точки а, диоды Д2, Д4 открыты, а диоды Д1, Д3 закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 9.4, ток через нагрузочный резистор Rн имеет одно и то же направление. Д1 Д2 Д3 Rш1 Rш2 Rш3 Рис.9.3. Последовательное включение полупроводниковых диодов

Рис.9.4. Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов (b) мостового выпрямителя

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока:

U_н.ср.= (9.5)

I_н.ср.=U_н.ср./R_н0.9 U₂/R_н

Из (9.65) можно найти действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора:

U₂= (9.6)

Так как средний ток каждого диода, являющийся также током вторичной обмотки трансформатора,

I_пр.ср.=I_{2 ср.}=0.5 I_н.ср., (9.6а)

а максимальный ток вторичной обмотки I_2m=U_2m/R_н, то с учетом (9.5) действующее значение тока вторичной обмотки

I₂= (9.6б)

Из временных диаграмм видно, что максимальное обратное напряжение на диодах

U_обр.max.=U_2m= (9.7)

Максимальный прямой ток диода

I_{пр. m.}= (9.8)

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления R_н мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока I_н.ср. и напряжения U_н.ср. в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Разложив напряжение u_н (рис.9.4, б) в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

u_н=U_н.ср.(1+ (9.9)

Амплитуда основной гармоники частотой 2 равна 2/3. Следовательно, p0.67.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношении. к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т.е. U_2m= все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме. В этих блоках могут быть один (КЦ402) или два электрически не соединенных моста (КЦ403).

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.9.5, а) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот же нагрузочный резистор R_н. Действительно, в каждый из полупериодов напряжения u_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки О (интервал врем6ени 0-Т/2), диод Д₁ открыт, диод Д₂ закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки О. В этот период времени в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i_н (рис.9.5, б). В следующий полупериод напряжения u_ab (интервал времени Т/2-Т) потенциал точки b выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки О.

Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q=p_вх/p_вых. (9.18)

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

Рис.9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Емкостные фильтры. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору R_н (рис.9.8, а). Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис.9.8, б. В интервал времени t₁–t₂ конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения u₂, так как в этот период напряжение u₂>u_c. В это время ток i_a=I_c+I_н. В интервал времени t₂-t₃, когда напряжение u₂ становится меньше напряжения на конденсаторе u_c, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор R_н, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе i_н, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напряжение на резисторе R_н снижается до некоторого значения, соответствующего времени t₃, при котором напряжение u₂ в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе u_c. После этого диод вновь открывается, конденсатор C_ф начинает заряжаться и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Временные диаграммы тока и напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис.9.8, в) приведены на рис.9.8, г. Анализ временных диаграмм показывает, что с изменением емкости конденсатора C_ф или сопротивления нагрузочного резистора R_н будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе i_н Разряд конденсатора С_ф определяется постоянной времени разрядки _разр=С_фR_н. При постоянной времени _разр10 T коэффициент пульсаций, определяемый по формуле

p= (9.19)

где f_осн. - частота основной гармоники, не превышает 10^-2.

Работа выпрямителя с емкостным фильтром существенно зависит от изменения нагрузочного тока. Действительно, при увеличении тока i_н, что происходит при уменьшении сопротивления R_н, постоянная времени _разр. уменьшается. Уменьшается и среднее значение выпрямленного напряжения U_н.ср., а пульсации возрастают.

При использовании емкостного фильтра следует учитывать, что максимальное значение тока диода i_a определяется лишь сопротивлениями R_пр. и вторичной обмотки трансформатора, поэтому оно может достигать значений, больших I_пр.max.. Такой большой ток может вывести из строя диод. Для предотвращения этого последовательно с диодом необходимо включать добавочный резистор. Кроме того, следует учитывать, что напряжение U_обр.max., прикладываемое к диоду, в два раза превышает U_2m, так как в момент времени, когда диод заперт, напряжения на конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора складываются.

Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором R_н при мощности P_н не более нескольких десятков ватт.

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя L_ф, включают последовательно с нагрузочным резистором R_н (рис.9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис.9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток i_н нагрузочного резистора R_н получается сглаженным. Действительно, вследствие того что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напряжения u₂ зависит от постоянной времени =L_ф/R_н, длительность импульса тока увеличивается с ростом . Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением