Мостовая схема выпрямителя
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 3.3:
Рисунок 3.3- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя
Где, U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.
Преимущества: по сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.
Недостатки: увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления (рис. 3.4):
Рисунок 3.4.- Два варианта схем выпрямления при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора
На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом, основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.
На правой схеме получается двухполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.
Схема удвоения напряжения
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис.3.5:
Рисунок 3.5- Принципиальная схема удвоения напряженния и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя
Где, U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.
Преимущества: вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.
Недостатки: значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двуполупериодных выпрямителей.
Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах (рис. 3.6):
Рисунок 3.6.- Дополнительные варианты схемы
Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.
Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.
Russian HamRadio — Выпрямители, достоинства и недостатки.
Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.
Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.
Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.
По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.
По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.
Основные характеристики выпрямителей:
Основными характеристиками выпрямителей являются:
Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем
Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.
Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.
Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.
Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.
Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.
Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.
Схемы выпрямителей.
Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.
Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:
Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.
Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.
Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.
Основные характеристики различных схем выпрямления.
Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы.
| Тип схемы | Uобр | I макс | I 2 | U 2 | C 0 * | P0 % | U C0 |
| Однополупериодная | 3 U0 | 7 I 0 | 2 I 0 | 0,75U0 | 60 I 0/U0 | 600 I 0—— U0 *C0 | 1,2U0 |
| Двухполупериодная | 3 U0 | 3,5 I 0 | I 0 | 0,75U0 | 30 I 0/U0 | 300 I 0—— U0 *C0 | 1,2U0 |
| Мостовая | 1,5 U0 | 3,5 I 0 | 1,41 I 0 | 0,75U0 | 30 I 0/U0 | 300 I 0—— U0 *C0 | 1.2U0 |
| Удвоения напряжения | 1,5 U0 | 7 I 0 | 2,8 I 0 | 0,38U0 | 125 I 0/U0 | 1250 I 0—— U0 *C0 | 0,6U0 |
* Значение емкости конденсатора рассчитано для P0 % = 10 %
Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя U0 и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) I 0, можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимый ток вентилей, обратное напряжение на вентилях, а также рабочее напряжение конденсатора фильтра. Задавшись необходимым коэффициентом пульсаций, можно рассчитать значение емкости на выходе выпрямителя.
Однополупериодный выпрямитель.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.
Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.
Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке
.Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде — с другой половины обмотки, через другой вентиль.
Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.
Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.
Мостовая схема выпрямителя.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.
Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне
пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:
На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.
На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.
Схема удвоения напряжения.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.
Преимущества: Вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.
Недостатки: Значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двуполупериодных выпрямителей.
Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах:
Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.
Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.
Многофазные выпрямители.
Многофазные выпрямители применяются, как правило только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.
Трехфазный выпрямитель.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
ФА, ФС, ФВ – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.
U va, Uvb, Uvc напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.
Uн – Суммарное напряжение на нагрузке.
Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.
Достоинства: Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.
Недостатки: Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления, низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.
Схема Ларионова.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.
Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.
Недостатки: Увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.
Выпрямители для бестрансформаторного питания аппаратуры.
Бестрансформаторные выпрямители являются простейшими неавтономными источниками постоянного тока. Они применяются при напряжениях близких к напряжению сети или превышающих его в 1,5 – 2,5 раза и токах до нескольких десятков миллиампер.
Ограниченное применение бестрансформаторных выпрямителей объясняется в первую очередь требованиями техники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжения гальванически связаны с сетью.
Второй недостаток таких выпрямителей – отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения. Для радиоаппаратуры можно использовать в качестве безтрансформаторных выпрямители: Однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основные характеристики такие же как и в случае с трансформаторным питанием. Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмоток трансформаторов (вместо трансформатора).
Безтрансформаторные схемы опасны для использования!
Для питания малогабаритной портативной аппаратуры с токами до 15-20 миллиампер можно применять однополупериодные или мостовые схемы с гасящими конденсаторами. В этой схеме конденсатор Сгас выполняет роль “безваттного” реактивного сопротивления, образующий с активным сопротивлением нагрузки своеобразный делитель напряжения.
Реактивное сопротивление гасящего конденсатора указано в формуле.
Данная схема может найти применение для заряда малогабаритных аккумуляторов радиоприемников, радиостанций и радиотелефонов.
При конструировании и эксплуатации выпрямителя также необходимо соблюдать осторожность!
Некоторые рекомендации по работе с выпрямителями.
Вторичные обмотки трансформаторов необходимо всегда защищать плавкими предохранителями. В этом случае короткое замыкание в цепи нагрузки не приведет к таким последствиям как выход из строя трансформатора и тем более не приведет к возгоранию аппаратуры.
Часто при конструировании выпрямителей оказывается, что нет нужных вентилей (диодов) или конденсаторов. с нужными характеристиками. В таком случае можно применить параллельное или последовательное соединение вентилей или конденсаторов.
Что при этом нужно помнить?
Если имеющиеся вентили (диоды) по допустимому току меньше расчетного максимального тока, можно применить параллельное соединение таких диодов, умножив их допустимый ток на количество диодов в “связке”.
В случае если допустимое обратное напряжение вентилей (диодов) меньше рассчитанного значения, можно применить их последовательное соединение, включив параллельно каждому диоду шунтирующие резисторы, которые выровняют обратное напряжение между диодами. Величину сопротивления шунта рассчитывают по формуле:
Rш = 700 * Uобр / N для диодов с Uобр меньше 200 В и Iмакс = 1 – 10 Ампер
Или
Rш = 150 * Uобр / N для диодов с Uобр более 200 В и Iмакс менее 0,3 Ампер
В случае если емкость конденсатора меньше расчетной, можно применить параллельное включение нескольких конденсаторов, имеющих рабочее напряжение не меньше расчетного.
В случае если рабочее напряжение конденсаторов меньше допустимого для конкретной схемы, можно применить последовательное включение конденсаторов, не забывая, что общая емкость в этом случае уменьшится во столько раз, сколько конденсаторов будет включено в последовательную цепь.
Такую схему применять можно только в крайнем случае, поскольку в такой схеме пробой (короткое замыкание) одного конденсатора вызовет “цепную реакцию”, так как на оставшиеся в работе конденсаторы будет приложено большее напряжение, чем было до замыкания одного из них. Шунтирование конденсаторов резисторами в этом случае не спасает аппаратуру от последовательного выхода из строя конденсаторов во всей цепочке. Лучше применить последовательное соединение нескольких выпрямителей, рассчитанных на более низкое напряжение. Тогда при пробое одного из конденсаторов выходное напряжение просто снизится.
В этой статье приведена только краткая информация по схемам выпрямителей. Более подробно о расчете выпрямителей можно прочесть в самой различной литературе.
При подготовке статьи использована литература:
В.Я. Брускин “Номограммы для радиолюбителей” МРБ 1972 год.
Б.Богданович, Э.Ваксер “Краткий радиотехнический справочник” Беларусь 1968 год.
Всего вам доброго!
qrx.narod.ru
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)
Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема применяется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.
Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).
Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).
Каждая из двух
групп выпрямителя повторяет работу
трехфазного выпрямителя со средней
точкой, поэтому при таком же значении
напряжения вторичной обмотки трансформатора 
,
как и в трехфазном выпрямителе со средней
точкой, среднее выпрямленное напряжение
данного выпрямителя будет в два раза
больше или наоборот, при том же значении
величина
будет в два раза меньше [2, 3]:
, 
,
что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.
Максимальное
обратное напряжение вентиля данной
схемы, как и в трехфазной схеме со средней
точкой, равно амплитуде линейного
вторичного напряжения. Однако ввиду
того, что при том же значении 
величина
в данной схеме в два раза меньше,
соотношение здесь получается более
предпочтительным
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.
За период напряжения
питания происходит шесть переключений
вентилей и схема работает в шесть тактов,
в связи с чем ее часто называют шестипульсной.
Таким образом, выпрямленное напряжение
имеет шестикратные пульсации, хотя угол
проводимости каждого вентиля такой же,
как в трехфазной схеме со средней точкой,
т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока
вентиля соответственно составляет 
.
При этом интервал совместной работы
двух вентилей равен π/3 (60º).
Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.
На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений («звезда» или «треугольник») вторичных обмоток трансформатора.
Коэффициент использования трансформатора для различных схем выпрямления при активной нагрузке
Аналогично рассмотренной схеме со средней точкой могут быть определены габаритная мощность и коэффициент использования трансформатора по мощности для любых схем выпрямления при чисто активной нагрузке [2, 3]:
Таблица 1.1.
Схема К  |
|
|
|
|
|
К | 0,33 | 0,675 | 0,813 | 0,746 | 0,952 |
Sгаб / Pd | 3,1 | 1,48 | 1,23 | 1,34 | 1,05 |
studfile.net
Мостовая схема (схема Греца)
Однофазная мостовая схема (рис. 1.4, а) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как в предыдущей схеме. Достоинства – меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток – на диодах падение напряжения в 2 раза больше.
Диаграммы напряжений
и токов, поясняющие работу однофазного
мостового выпрямителя на активную
нагрузку с учетом потерь в трансформаторе
и вентилях, представлены на рис. 1.4, б.
Выходное напряжение 
при чисто активной нагрузке, как и в
схеме с выводом средней точки
трансформатора, имеет вид однополярных
полуволн напряжения
(рис.1.3, б). Это получается в результате
поочередного отпирания диодовVD1,
VD4 и VD2,
VD3.
Диоды VD1 и VD4 открыты
при полуволне напряжения 
положительной полярности (показана на
рис. 1.4, а без скобок), обеспечивая связь
вторичной обмотки трансформатора с
нагрузкой и создавая на ней напряжение
той же полярности, что и напряжение
.
На полуволне напряжения
отрицательной полярности (показана на
рис. 1.4, а со скобками) открыты диодыVD2 и VD3,
подключающие напряжение 
к нагрузке с той же полярностью, что и
на предыдущем интервале.
а) б)
Рис. 1.4. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
Ввиду идентичности
кривых 
длявыпрямителей
без потерь (мостового и со средней точкой)
действительны те же соотношения между
выпрямленным напряжением 
и действующим значением напряжения
[3]:
, 
,
поэтому и пульсации такие же, как в предыдущей схеме.
Ток 
распределяется поровну между парами
диодов и ток каждого диода определяется
также, как и в предыдущей схеме.
Обратное
напряжение прикладывается одновременно
к двум непроводящим диодам на интервале
проводимости двух других диодов и его
максимальное значение определяется
амплитудным значением напряжения 
,
т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.
Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, как и ток во вторичной обмотке трансформатора имеющий форму синусоиды. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
,
это
обусловлено тем, что в отличие от схемы
со средней точкой ток 
здесь синусоидальный, а не пульсирующий.
С учетом того, что трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку, для мостовой схемы габаритная мощность первичной и вторичной обмоток будет одинакова и общая габаритная мощность равна габаритной мощности первичной обмотки трансформатора в рассмотренной ранее схеме со средней точкой, т.е. 1,23Pd.
Трехфазная нулевая (схема звезда-звезда)
В схему трехфазного выпрямителя со средней (нулевой) точкой входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и среднему выводу вторичных обмоток (рис. 1.5, а).
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 1.5, б. В идеализированной схеме, без учета индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и полагая вентили идеальными, коммутация токов, т.е. переход тока с одного вентиля на другой, проходит мгновенно и в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал.
а) б)
Рис. 1.5. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
В схеме трехфазного
выпрямителя со средней точкой ток
нагрузки создается под действием фазного
напряжения вторичной обмотки
трансформатора. За период напряжения
питания через каждую вторичную обмотку
однократно протекает однополярный ток,
при этом интервал проводимости каждого
вентиля составляет 2π/3 (120º). Открытый
вентиль подключает напряжение
соответствующей фазы к нагрузке. В
результате в нагрузке действует
однополярное пульсирующее напряжение 
,
представляющее собой участки фазных
напряжений вторичных обмоток и содержащее
трехкратные пульсации за период. При
чисто активной нагрузке выпрямленное
напряжение и ток имеют одинаковую форму.
Среднее значение выпрямленного напряжения [3]:
, 
,
т.е.
для получения одинакового напряжения 
трансформатор следует рассчитывать на
меньшее напряжение
,
чем в однофазных схемах, где
.
Средний ток вентилей связан со средним значением тока нагрузки соотношением
Максимальное обратное напряжение вентиля равно амплитуде линейного вторичного напряжения
Постоянная
составляющая токов вторичных обмоток
трансформатора, равная 
,
создает в каждом из трех стержней
магнитопроводаоднонаправленный
поток вынужденного подмагничивания
трансформатора.
Во избежание насыщения приходится
увеличивать сечение магнитопровода,
что приводит к завышению массогабаритных
показателей трансформатора и всей
выпрямительной установки [2, 3].
Достоинства схемы: малое число диодов и, соответственно, малое падение напряжения на них и поэтому может быть использована для выпрямления низких напряжений при повышенных мощностях (свыше 500 Вт) [7, 8]; высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения – три частоты питающей сети, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра.
Недостатки: значительное обратное напряжение на диодах, низкий коэффициент использования трансформатора за счет явления подмагничивания магнитопровода.
studfile.net
ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Такие УВ наиболее широко распространены в области средних и больших мощностей, что связано с их высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками. Вентили схемы (рис. 4) образуют две группы: катодную (VD1, VD3, VD5) и анодную, и нагрузка оказывается подключенной к двум фазам вторичной обмотки трансформатора. Можно также считать, что нагрузка получает питание от двух последовательно включенных нулевых трехфазных схем выпрямления.
Особенностью схемы
управления таким УВ является то, что
она должна обеспечивать подачу сигналов
управления при включении схемы, а также
в некоторых других случаях — одновременно
на два тиристора из разных групп.
При
работа
УВ на активную и индуктивную нагрузку
одинакова
и полностью
совпадает с режимом неуправляемого
выпрямителя; при
имеют место различия.
На рис. 5 показаны
диаграммы работы трехфазного мостового
УВ на активную
нагрузку при
.
Как видно из диаграмм, при
кривые
непрерывны
(угол
отсчитывается
от точки пересечения
фазных напряжений).
По мере увеличения
значения 
уменьшаются
по закону
где
Рис. 4. Трехфазный мостовой УВ
Рис. 5. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную нагрузку
при различных углах регулирования
Угол
является
критическим и при дальнейшем его
увеличении в
кривых
и
появляются
паузы, т. е. наступает режим работы УВ с
прерывистым выпрямленным током (при
активной нагрузке!). Для обеспечения
этого режима на управляющие электроды
тиристоров следует подавать либо
сдвоенные импульсы с интервалом
,
либо удлиненные шириной не менее
(показано
на диаграмме для
).
Например, для
того чтобы открыть
тиристор VD1 в момент
и
обеспечить цепь тока, необходимо подать
такой же сигнал на VD6. После того
как разность мгновенных напряжений
станет
равной нулю
,
оба тиристора
закроются, а в
момент времени t3 должен
вступить в работу VD2, который
откроется
только при наличии повторного управляющего
сигнала на VD1 или
при
длительности его более
Для режима прерывистых токов
При работе
трехфазного мостового УВ на индуктивную
нагрузку режим работы существенно
изменяется (рис. 6). Так, ток в нагрузке
остается (при данном
)
неизменным, каждый тиристор работает
1/3 периода, но переход тока с одного
тиристора на другой происходит не в
момент равенства фазных напряжений, а
со сдвигом на угол а.Токи во вторичных,
a
следовательно, и в первичных обмотках
представляют собой прямоугольные
импульсы длительностью 1/3 периода одного
и столько же другого направления. Сигналы
управления подаются на тиристоры в
соответствии с графиком 6, б, но при
запуске схемы необходимо выполнить
условие одновременной подачи сигнала
на оба тиристора. С увеличением
уменьшаются средние значения
но
при
переход
с
кривой
одного линейного
напряжения на кривую другого происходит
в пределах положительной полярности
участков этих линейных напряжений,
поэтому кривые
и
его среднее значение одинаковы при
активной и индуктивной нагрузках.
Рис. 6. Диаграмма работы трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку.
При 
в
кривой
(на
рис. 7, показаны кривые линейных
напряжений, так как именно они формируют
напряжение на нагрузке) появляются
участки с отрицательным напряжением,
происходит более интенсивное
снижение
При
эти
площадки равны между собой и
. Поэтому для
индуктивной нагрузки
,
а регулировочная характеристика
трехфазной мостовой схемы имеет вид,
показанный на рис. 8 (кривая а).
Рис. 7. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ при различных углах
регулирования
Рис. 8. Регулировочные характеристики трехфазного УВ
На диаграмме (рис.
6, г) показан график изменения прямого
и обратного напряжения на одном из
вентилей. Эти напряжения не могут
превышать
,
т.е. определяются линейным напряжением
вторичной
обмотки трансформатора. Следует отметить, что в принципе данная схема может применяться без специального трансформатора, получая питание непосредственно от сети.
При 
работа
схемы возможна, но уже в инверторном
режиме,
когда происходит преобразование энергии источника постоянного тока,
studfile.net
Неуправляемые выпрямители
При рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку — чисто активной.
Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель
Схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.
На интервале от 0 до фазное напряжение (U2) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U2 проходит в нагрузку. В момент смены полярности U2 происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).
Достоинства однофазного мостового выпрямителя:
высокое значение коэффициента выпрямления К0, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение Кп) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.
по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.
Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.
Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:
—
т.к. ток через диод протекает в течение
полупериода.
,
где Рmp– габаритная
мощность трансформатора. 
Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)
Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.
На рисунке представлены графики токов и напряжений в различных точках схемы.
На интервале времени [0;] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом, через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.
Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.
Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К0,Кп) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.
Основные соотношениядля схемы выпрямителя:
.
Под
габаритной мощностью трансформатора
понимаем полусумму мощностей всех
обмоток трансформатора, поэтому с учетом
2-х полуобмоток трансформатора в уравнение
для Pmр во втором
слагаемом появляется множитель, равный
2. Ток Iа протекает в течение одного полупериода
и имеет синусоидальную форму, поэтому
дополнительно появляется множитель,
равный 
(поскольку 
).
В однофазной мостовой схеме выпрямителя
Kтр = 1,23, что используется в уравнение для
Pтр.
Тогда, для схемы со средней точкой имеем 
studfile.net
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)
Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема применяется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.
Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).
Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).
Каждая из двух
групп выпрямителя повторяет работу
трехфазного выпрямителя со средней
точкой, поэтому при таком же значении
напряжения вторичной обмотки трансформатора 
,
как и в трехфазном выпрямителе со средней
точкой, среднее выпрямленное напряжение
данного выпрямителя будет в два раза
больше или наоборот, при том же значении
величина
будет в два раза меньше [2, 3]:
, 
,
что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.
Максимальное
обратное напряжение вентиля данной
схемы, как и в трехфазной схеме со средней
точкой, равно амплитуде линейного
вторичного напряжения. Однако ввиду
того, что при том же значении
величина
в данной схеме в два раза меньше,
соотношение здесь получается более
предпочтительным
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.
За период напряжения
питания происходит шесть переключений
вентилей и схема работает в шесть тактов,
в связи с чем ее часто называют шестипульсной.
Таким образом, выпрямленное напряжение
имеет шестикратные пульсации, хотя угол
проводимости каждого вентиля такой же,
как в трехфазной схеме со средней точкой,
т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока
вентиля соответственно составляет 
.
При этом интервал совместной работы
двух вентилей равен π/3 (60º).
Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.
На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений («звезда» или «треугольник») вторичных обмоток трансформатора.
Коэффициент использования трансформатора для различных схем выпрямления при активной нагрузке
Аналогично рассмотренной схеме со средней точкой могут быть определены габаритная мощность и коэффициент использования трансформатора по мощности для любых схем выпрямления при чисто активной нагрузке [2, 3]:
Таблица 1.1.
Схема К  |
|
|
|
|
|
К | 0,33 | 0,675 | 0,813 | 0,746 | 0,952 |
Sгаб / Pd | 3,1 | 1,48 | 1,23 | 1,34 | 1,05 |
studfile.net