Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

 

В схему выпрямителя (рис. 17, а) входят силовой трансформатор с одной вторичной обмоткой и выпрямительный мост из четырех диодов VD₁-VD₄. Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис. 17, в). Это получается в результате поочередного отпирания ди­одов VD₁, VD₂ и VD₃, VD₄.

 

Однофазный мостовой выпрямитель

Рис. 17. Схема однофазного мостового выпрямителя (а)

и его временные диаграммы (б-ж)

 

Диоды VD₁, VD₂ открыты на интер­вале при полуволне напря­жения u

2 положительной полярности (показана на рис. 17, а без скобок), создаваемого под действием напряже­ния и₁ (рис. 17, б, в). Открытые диоды VD₁, VD₂ обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая на ней напряже­ние и_d той же величины и полярнос­ти, что и напряжение u₂ (рис. 17, в). При наличии полуволны напря­жения u₁ отрицательной полярности на интервале полярность напряжения u₂ обратная. Под ее воз­действием открыты диоды VD₃, VD₄, под­ключающие напряжение u₂ к нагруз­ке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рис. 17, а, в). Ввиду идентичности кривых u_d для выпрямителей (мостового и с выводом нулевой точки трансформа­тора) для схемы рис. 17, а дейст­вительны соотношения (19), (20) между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением на­пряжения U₂ и соотношения (22)-(24), характеризующие гармониче­ский состав и коэффициент пульса­ции выходного напряжения. Все параметры схемы сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен в [1, 2].

Поскольку ток I_d = U_d/R_H (рис. 17, г) распределяется поровну меж­ду парами диодов (рис. 17, д, e)

Обратное напряжение приклады­вается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале про­водимости двух других диодов. При этом оно создаётся напряжением вторичной обмотки трансформатора u₂. Кривая u_b для диодов VD₁ VD₂ показана на рис. 17, ж. Мак­симальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂ (табл. 3), т. е. оно вдвое меньше, чем в схеме с выводом нулевой точки.

В рассматриваемой схеме параметры первичной обмотки I₁ , U₁ связаны соответственно с параметрами вторичной об­мотки I

2 , U₂ коэффициентом трансформации n. В соответствии с этим расчетные мощности обмоток получаются одинаковыми и мощность трансформатора S_T=1,23P_d (табл. 3).

Преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение (при данном напряжении U_d), на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов. Поэтому мостовая схема нашла преобладающее применение в выпрямителях однофазного тока небольшой и средней мощности.

 

62. Однофазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выво­дом, выполняемая по аналогии со схемой неуправляемого выпрями­теля (см. рис. 13, а), приведена на рис. 23. Ее анализ будем про­водить для двух видов нагрузки — чисто активной и активно-индук­тивной. Примем вначале нагрузку чисто активной (ключ К

1 включен, ключ К₂ выключен).

 

Однофазный нулевой управляе­мый выпрямителя

Режиму активной нагрузки соответствуют времен­ные диаграммы, приведенные на рис. 24, а-е. Пусть на входе вы­прямителя действует положительная полуволна напряжения сети u₁ (рис. 24, а), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 23 без скобок. На интервале тиристоры Т₁, Т₂ закрыты, напряжение на выходе выпрямителя u_d=0 (рис. 24, в). К тиристорам Т₁, Т₂ прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора u_2-1+u_2-2 На тиристоре Т₁ действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре Т₂

— в обратном. Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинако­выми, то на интервале напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определяться величиной (u_2-1—u_2-2)/2 = u ₂ (рис. 24, е).

В момент времени определяемый углом , от системы управле­ния СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т₁ (рис. 24, б). В результате отпирания тиристор Т₁ под­ключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение u_d (рис. 24, в), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку и тиристор Т₁ протекает ток (рис. 24, г) i_d = i_al = u_d/R_н. При переходе напряжения питания через нуль ( ) ток тиристора Т

1 становится равным нулю и ти­ристор закрывается.

На интервале полярность напряжения питания из­меняется на противоположную. На этом интервале оба тиристора вы­прямителя закрыты. К тирис­тору Т₁ (рис. 24, е) приклады­вается обратное напряжение, а к тиристору Т₂ — прямое на­пряжение, равное Т₂.

 

Временные диаграммы

Временные диаграммы, иллю­стрирующие принцип действия одно­фазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при чисто активной нагрузке.

По окончании указанного ин­тервала подается отпирающий импульс на тиристор Т₂. Отпи­рание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напря­жения u

d=u_2-2=u₂ (рис. 24, в) той же формы, что и на интервале проводимости тирис­тора Т₁. Через нагрузку и ти­ристор протекает ток i_d = i_a2 = u_d/R_н (рис. 24, д). На ин­тервале проводимости тиристора Т₂ напряжения двух вторичных обмоток трансфор­матора подключаются к тирис­тору Т₂, вследствие чего с мо­мента отпирания тиристора Т₂ на тиристоре Т₁ действует об­ратное напряжение, равное 2u₂ (рис. 6.2, е). Максимальному обратному напряжению соот­ветствует значение U_bmax=2 U₂, где U₂ — действую­щее значение вторичного напря­жения трансформатора. В по­следующем процессы в схеме следуют аналогично рассмот­ренным. Токи вторичных об­моток трансформатора опреде­ляются токами тиристоров Т₁, Т₂ (рис. 24, г, д). Первичный ток i

1 (рис. 24, а) связан с вто­ричными токами коэффициен­том трансформации трансформатора и имеет паузы на интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно напря­жения питания.

Особенностью управляемо­го выпрямителя является его способность регулировать среднее зна­чение выпрямленного напряжения U_d при изменении угла (рис. 24, в). При = 0 кривая выходного напряжения u_d соответст­вует случаю неуправляемого выпрямителя (см. §7) и напряжение

максимально. Углу управления (180 эл. град) отвечают u_d = 0 и U_d = 0. Иными словами, управляе­мый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 эл. град осуще­ствляет регулирование напряжения U_d в пределах от максимального значения, равного 0,9U₂, до нуля. Вид кривых u_d при различных значениях угла показан на рис. 25, а-г.

Зависимость напряжения U_d от угла называется регулиро­вочной характеристикой управляемого выпрямите­ля. Она определяется из выражения для среднего значения напряже­ния на нагрузке. Это напряжение на интервале

соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 24, в или 25, б, в), т. е.

 

.

 

Результат расчета дает

 

,

 

где U_d0 = 0,9U₂ — среднее значе­ние напряжения на нагрузке при .

Кривые выходного напря­жения однофазного выпрямителя при

чисто активной нагрузке и различных углах управления

Регулировочная ха­рактеристика

однофазного уп­равляемого выпрямителя

 

63. Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Особенность работы трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол момента отпирания очередных тиристоров отно­сительно точек естественного отпирания имеющих координаты и т. д. (рис. 31, б).

 

Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

Схема трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя (а), его временные диаграммы (б) и регулировочная характеристика (в)

В кривой выпрям­ленного напряжения вырезаются участки синусоиды, вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при измене­нии угла осуществляется регулирование величины U_d.

Влияние изменения угла на кривую u_d и среднее значение на­пряжения U_d показаны на рис. 31, б. Кривая u_d на рис. 31, б, состоит из участ­ков фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_a, u_b, u_c.

При изменении угла в диапазоне от 0 до 30° (рис. 31, б) пе­реход напряжения u_d с одного фазного напряжения на другое осу­ществляется в пределах положительной полярности участков фаз­ных напряжений. Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктив­ной нагрузках. Ток нагрузки непрерывен.

При >30° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рис. 31, б). Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока (см. §12). В случае активно-индук­тивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вто­ричные обмотки трансформатора после изменения полярности их фазного напряжения, в связи с чем в кривой и появляются участки фазных напряжений отрицательной поляр­ности. При эти участки продолжаются до моментов очеред­ного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d=0 соответствует угол =90°. Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой u_d при > 30° появляются нуле­вые паузы. Напряжению U_d=0 теперь будет отвечать значение угла = 150^o.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале 2 :

 

,

 

т. е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке ( ) на интервале 150° > > 30° находят из выражения

 

.

 

При этом закрытие тиристора происходит в точке, соответствующей нулевому напряжению ранее, чем открытие следующего тиристора. Интервал проводимости тиристора от до π. Ток нагрузки прерывен.

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрями­теля, построенные по выражениям (59), (60), приведены на рис. 31, в. Неоднозначность регулировочных характеристики и зона прерывистого тока могут быть устранены путем шунтирования нагрузки обратным диодом. Регулировочная характеристика при этом будет аналогична характеристике работы на активную нагрузку, а зона прерывистого тока в нагрузке в пределе будет сужена до нуля за счет замыкания тока в контуре, содержанием э.д.с. нагрузки и обратный диод.

 

 



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 К_п) 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 Р_mp– 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,К_п) 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 P_mр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток I_а протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя K_тр = 1,23, что используется в уравнение для P_тр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем

1.2. Неуправляемые выпрямители трехфазного тока

За исключением случаев, когда единственно возможным источником питания является сеть однофазного переменного тока, питание постоянным током потребителей средней и большей мощности производится от трехфазных выпрямителей. При выпрямлении трехфазного переменного тока достигается лучшее качество выпрямленного напряжения за счет снижения амплитуды пульсаций. Напряжение трехфазных выпрямителей легче подвергается сглаживанию, так как частота пульсаций здесь существенно выше, чем в однофазных выпрямителях. Облегчающим фактором в построении выпрямительных установок рассматриваемого диапазона мощностей служит и меньшая загрузка вентилей трехфазных схем по току и напряжению. Из выпрямителей трехфазного тока находят применение две основные схемы выпрямления – трехфазная с нулевым выводом и трехфазная мостовая.

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом обмотки трансформатора

В схему трехфазного неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и нулевому выводу вторичных обмоток. Принцип действия иллюстрируется временными диаграммами

на рис.1.5. На рис. 1.5 б показана трехфазная система вторичных напряжений трансформатора относительно нулевой точки (фазные напряжения Е_2а, Е_2в, Е_2с). В силу того, что нагрузка подключена к нулевому выводу вторичных обмоток и общей точке соединения катодов вентилей, последние способны проводить ток только при положительной полярности вторичных напряжений.

Рис. 1.5. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная обмотка соединена в треугольник

Однако в открытом состоянии может находиться только тот из вентилей, для которого фазное напряжение по отношению катода выше, чем у двух других. Каждый из непроводящих вентилей будет заперт обратным напряжением, равным разности напряжений его фазы и фазы проводящего вентиля. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет угол равный 2/3. Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате на ней действует однополярное пульсирующее напряжение Ud, представляющее собой участки фазных напряжений Еа, Ев, Ес (рис.1.5 б, в).

При чисто активной нагрузке кривая ее тока Id=Ud/Rd имеет ту же форму, что и напряжение, Ud (рис. 1.5, в). Указанной очередности отпирания вентилей соответствуют кривые анодных токов, показанные на рис.1.5, в.

Среднее значение выпрямленного напряжения находят по площади анодных напряжений на рис. 1.5, в

(1.32)

где — действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Из рис.1.5 находим

(1.33)

Среднее (за период) значение тока через вентиль будет равно

(1.34)

Максимальное значение тока через вентиль связано со средним значениемId

(1.35)

Обратное напряжение на вентиле в данной схеме определяется междуфазным линейным напряжением вторичных обмоток, поскольку неработающий вентиль присоединен анодом к одной из фаз, а катодом через другой работающий вентиль к другой фазе, вторичной обмотке трансформатора. Мгновенное значение междуфазного напряжения соответствует ординатам заштрихованной площади на рис. 1.5,б. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения на вентиле (рис. 1.5,г).

Максимум обратного напряжения равен амплитуде междуфазного напряжения

(1.36)

По выражениям (1.34), (1.35) и (1.36) выбирается вентиль.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки определяется по выражению (1.34). Действующее значение тока в этой обмотке можно подсчитать, пренебрегая пульсациями тока (что не вносит заметной ошибки), т.е. в предположении, что ток вентиля, а следовательно, и ток вторичной обмотки трансформатора изменяется по прямоугольнику с высотой Id.

Тогда

. (1.37)

Действующее значение тока превосходит среднее значение этого тока в раз.

При рассмотрении первичных токов необходимо учитывать схему соединения первичной обмотки.

При соединении первичной обмотки в звезду

При соединении первичной обмотки в звезду (рис. 1.6, а.) закономерность получается несколько иной в силу того, что ток, проходящий по одной фазе, связан через нулевую точку с токами в других фазах.

Рис.1.6. Характеристики выпрямителя трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная обмотка соединена в звезду

Действительно, в каждый момент токи в узле (нулевой точке) связаны уравнением

, (1.38)

из которого следует, что ток одной из фаз по необходимости вызывает токи и в других фазах первичной обмотки, хотя вторичные обмотки этих фаз токов не пропускают.

Для того, чтобы найти токораспределение в первичных обмотках при протекании тока в одной из вторичных обмоток, воспользуемся дополнительно к (1.38) уравнениями , характеризующими баланс магнитодвижущих сил (МДС) по замкнутым магнитным контурам, или уравнениями для токов, характеризующими эти МДС при равенстве чисел витков.

Так, начиная рассмотрение с той трети периода, когда ток проходит по фазе вторичной обмотки а, как это показано на рис. 1.6,а, обходя один раз по магнитному контуру, включающему сердечник А и В, а в другом случае по контуру, включающему сердечник В и С, при равенстве числа витков можем получить два уравнения для витков

(1.39)

Совместное решение (1.38) и (1.39) для рассматриваемой трети периода дает токи в фазах первичной обмотки

(1.40)

Из (1.39) следует, что первичная обмотка, соответствующая нагруженной вторичной обмотке, пропускает в положительном направлении 2/3 нагрузочного тока (приведенного к первичной обмотке), в то время как две другие фазы пропускают в отрицательном направлении в рассматриваемую 1/3 периода по 1/3 от нагрузочного тока (рис. 1.6,б). В следующие две трети периода токораспределение повторяется для двух других фаз. Изменение первичных токов в фазах А и В изображены на (рис.1.6,в и г).

Найденное токораспределение сказывается на потокораспределении в магнитной системе трансформатора. При прохождении тока на первом сердечнике получается небаланс в 1/3 от полной МДС, причем избыточная МДС создается током вторичной обмотки. На двух других сердечниках в эту же треть периода также создается небаланс в 1/3 от полной МДС. В следующей 2/3 периода нескомпенсированность повторяется за счет токов в фазах В и С.

При соединении первичной обмотки в треугольник

Рис.1.7. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная

обмотка соединена в треугольник

Ток в каждой из фаз этой обмотки может протекать независимо от токов в других фазах (рис. 1.7, а), первичный ток может быть определен, исходя из принципа, который был установлен для однополупериодного выпрямления (рис. 1.2), т.е. путем исключения постоянной составляющей из полного тока, проходящего через вентиль (предполагается, что трехфазный нулевой выпрямитель состоит из трех однополупериодных однофазных преобразователей).

Это приводит к диаграмме первичного тока (рис. 1.7, д,е,ж), построенной по диаграмме вентильного тока путем перенесения оси кривой тока на величину постоянной составляющей

Нескомпенсированные МДС создают в каждую треть периода однонаправленный во всех трех сердечниках магнитный поток (рис. 1.7,д,е). Этот поток замыкается от ярма к ярму через воздух и кожух трансформатора. Однонаправленный поток появляется при любом соединении первичной обмотки. Разница заключается в том, что при соединении обмотки в треугольник этот поток неизменен во времени, так как не скомпенсированными оказываются только постоянные составляющие токов во вторичных обмотках, а при соединении первичной обмотки в звезду однонаправленный поток пульсирует так же, как и анодные токи, поскольку пульсации тока также нескомпенсированы полностью на сердечниках. Пульсации потока имеют трехкратную частоту. Наличие однонаправленного потока в сердечниках приводит к необходимости увеличения сечений этих сердечников.

Действующее значение первичного фазового тока определяется, исходя из прямоугольной кривой этого тока. Для обеих схем получаем

(1.41)

При треугольнике нужно знать значение линейного тока. Кривая этого тока построена на рис. 1.7,з по разности токов в фазах А и В (рис. 1.7,е,ж).

При пренебрежении пульсациями действующее значение линейного тока равно

(1.42)

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

(1.43)

77. Трехфазные неуправляемые выпрямители. Примеры схем, принципы их работы.

Выпрямителем называется статическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.

Выпрямители трехфазного тока. Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Для лучшего уяснения принципа выпрямления трехфазного тока и режимов работы элементов выпрямителей вначале рассмотрим трехфазную схему с нулевым выводом.

Рис. 18. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой: в — схема соединения обмоток трансформатора и вентилей; б — г — диаграммы напряжений и токов на элементах

Из временной диаграммы на рис. 18,6 видно, что напряжения U_2a, U_2b и U_2с сдвинуты по фазе на одну треть периода (или 120°) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Ток через вентиль i_в, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет протекать в течение той трети периода, когда напряжения в данной фазе больше, чем в двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, и к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и г на рис. 18,6). Выпрямленный ток i_d проходит через нагрузку /?£/ непрерывно (рис. 18,в).

Напряжение Ud на выходе выпрямителя в любой момент времени равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряжение представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений U_2ф трансформатора Т.

При изменении вторичного напряжения U₂ по синусоидальному закону ток i₂ каждой из фаз на участке проводимости вентилей будет также синусоидальным

Следовательно, анодный ток i_в будет иметь форму прямоугольника с основанием Т/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды. На рис. 18,г изображен ток фазы а. токи фаз b и с изображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 120 относительно друг друга.

Для трехфазной нулевой схемы выпрямления характерны следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе (когда на выходе выпрямителя включен только вольтметр) где Сзф — действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Выпрямленное напряжение U_d содержит постоянную составляющую U(j и наложенную на нее переменную составляющую U^.—, имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

1. Неуправляемые выпрямители

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Структурная схема системы преобразования электрической энергии показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура выпрямителя

Трансформатор выполняет функции согласования напряжения, если по условиям работы требуется увеличить или уменьшить напряжение на нагрузке при неизменном напряжении питающей сети.

Выпрямительное устройство преобразует переменное напряжение в постоянное. На выходе этого устройства получается пульсирующее постоянное напряжение, где постоянная составляющая Ud определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирую­щую) составляющую. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществля­ют фильтрацию выпрямленного напряжения или тока с помощью специальных фильтров. Наличие сглаживающих фильтров оказывает существенное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Поэтому в силовой электронике применяемые элементы, из которых создается фильтр, должны иметь высокий коэффициент полезного действия. Этому условию полностью отвечают только фильтры, выполненные на базе чисто реактивных элементах (индуктивность, емкость).

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, который поддерживает постоянным по величине напряжение на нагрузке.

Включение в сеть переменного тока приборов, способных проводить ток только в одном направлении, вносит существенные особенности в режим работы элементов преобразователя и источника питания переменного тока. Для обеспечения надежной работы всего преобразовательного комплекса необходимо определить основные режимы каждого элемента, по которым можно правильно выбрать вентиль, трансформатор, состав фильтра по условиям нормальной работы и нагреву этих элементов звена.

Наличие питающей сети переменного тока создает определенную общность электромагнитных процессов, протекающих в этих преобразователях. Принятая последовательность рассмотрения преобразователей позволяет перенести ряд положений, получаемых из анализа одного типа, на другие типы.

Все преобразователи строят с использованием диодов, транзисторов и тиристоров средней и большой мощности. Общим свойством этих приборов является то, что они могут находиться в двух резко различающихся состояниях:

1. закрытом при действии обратного напряжения; 2) открытом — при действии прямого напряжения. Приборы такого типа получили название электрических вентилей.

Кремневые диоды и тиристоры, используемые в преобразователях средней и большой мощности, имеют обратные токи минимум на 3-4 порядка меньше, чем прямые токи, протекающие через них в открытом состоянии. При этом прямые падения напряжения на вентилях обычно в 100-1000 раз меньше, чем действующие напряжения в их анодных цепях постоянного или переменного тока. Это позволяет при анализе процессов в преобразователе средней и большой мощности, как правило, пренебречь токами вентилей при их закрытом состоянии и падением напряжения на вентилях при их открытом состоянии. Поэтому при рассмотрении схем выпрямителя вентили будем считать идеальными и заменять их электрическими ключами.

При рассмотрении материала удобнее изучение схем выпрямителей и вывод основных соотношений начать с изучения неуправляемых выпрямителей при работе на чисто активную нагрузку с последующим учетом режимов работы на активно-индуктивную, активно-емкостную, противо ЭДС, а также режимов коммутации вентилей при наличии индуктивности в анодной цепи.

Полученные соотношения для неуправляемых выпрямителей являются исходными для расчета тепловых режимов всех элементов преобразователя, энергетических и других показателей. Эти соотношения также являются исходными параметрами для управляемых выпрямителей при нулевых углах управления.

Трехфазный мостовой выпрямитель. Принципиальная схема, принцип действия. Управляемый, полууправляемый и полностью управляемый мост.

Условия работы преобразователей на ЭПС

На ЭПС преобразователи используются для

· Питания ТЭД постоянного тока

3. Классификация преобразователей на ЭПС

 

 

Выпрямители, их классификация и применение

Однополупериодный выпрямитель. Среднее выпрямленное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой. Принцип действия и основные соотношения

 

 

Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель. Принцип работы, достоинства, недостатки, основные показатели

 

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Где

       Среднее значение тока и максимальное значение обратного напряжения диодов соответственно:

 

       Эффективное значение тока вторичной и первичной обмоток трансформатора:

 

       В период (0 — проводят ток диоды 1 и 4, диоды 2 и 3 закрыты, т.к. к ним приложено обратное напряжение. Во второй полупериод полярность на U₂ меняется, это приводит к тому, что диоды 1 и 4 выключаются и открываются 2 и 3. В результате в оба полупериода ток в нагрузке протекает в одинаковом направлении, а ток вторичной обмотки трансформатора в различном.

 

ДОСТОИНСТВА:

1. Можно одновременно включать в сеть (без трансформатора) первичную или вторичную обмотку.

2. Выпрямляются два полупериода, что обеспечивает хорошее качество напряжения на выходе.

3. Обратное напряжение на диоде по сравнению с нулевой схемой в 2 раза меньше.

НЕДОСТАТКИ:

1. Необходимо в 2 раза больше диодов по сравнению с нулевой схемой.

2. В каждый полупериод ток протекает по 2 диодам, что обуславливает большие потери.

 

Работа управляемых выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку

Вследствие наличия нагрузки индуктивности в момент, когда ЭДС на выходе становится равной, открываются все 4 диода, это происходит потому, что то в индуктивности мгновенно уменьшится не может. При этом как нагрузка, так и источник питания оказываются в режиме КЗ.

 

ВЫВОД:

Введение индуктивности в нагрузку позволяет существенно уменьшить пульсации тока в ней. Если в качестве нагрузки использовать ТЭД, то условия работы их улучшаются. При RL – нагрузке, форма входного тока становится близкой к прямоугольной. При RL – нагрузке возникает угол коммутации, существенно влияющий на выходное напряжение.

 

Трехфазный нулевой выпрямитель. Временные диаграммы, вывод формул для среднего выпрямленного напряжения

Бывают управляемыми и неуправляемыми

Неуправляемые                                                                                                    Управляемые

Принцип действия

На интервале времени [t₁;t₂] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы “a”.

В момент t₂ происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы “b” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t₂; t₃] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “b” и “a” и он находится в закрытом состоянии.

В момент t₃ прикладывается линейное напряжения U_ca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

 

Количество пульсаций за период равно 3, поэтому их называют трехпульсационными.

 

Формулы

 

Временные диаграммы

К недостатком этой схемы можно отнести:

· Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

· Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

· Более низкие качественные показатели (K _п , K₀) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.

· Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения и возрастают пульсации.

· С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из — за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

· более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

· с точки зрения монтажа – существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе.

 

 

Трехфазный мостовой выпрямитель. Принципиальная схема, принцип действия. Управляемый, полууправляемый и полностью управляемый мост.

(еще называется «схема Ларионова»)

Неуправляемая схема

 

Полууправляемая схема

Полностью управляемая схема

Принцип действия

ток проводят в любой момент времени два последовательно соединенных диода, на аноде которого положительный наибольший потенциал и на катоде которого отрицательный наибольший потенциал.

Схема является двухполупериодной, так как ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Схема является двухтактной, так как токи во вторичных обмотках протекают в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Токи вторичных обмоток имеют синусоидальную форму, поэтому отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по формуле:

p это π

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения оп­ределяют по формуле:

где т = 6 — число фаз

Временные диаграммы

 

Неуправляемые однофазные схемы выпрямленияBlogTIMT.ru | BlogTIMT.ru

В одной из прошлых статей мы рассмотрели что такое выпрямительное устройство. Сегодня же мы уделим особое внимание схемам однофазных выпрямителей, которые нашли широкое применение в любой электронной аппаратуре от зарядных устройств, до аппаратуры связи. В данной статье мы рассмотрим выпрямительные устройства, содержащие в себе только трансформатор и диодный блок, сглаживающие фильтры будут рассмотрены позже.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Изучение выпрямительных устройств зачастую всегда начинается с рассмотрения самой простой схемы однотактного однофазного однополупериодного выпрямителя. Эта схема лучше других иллюстрирует принцип действия выпрямительного диода, а заодно освежает в памяти принцип действия полупроводникового диода. Схема и диаграммы, поясняющие работу однополупериодной схемы изображены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия. При подключении к схеме источника питания U₀, на зажимах вторичной обмотки трансформатора возникает Электродвижущая сила (ЭДС), изображённая на верхней диаграмме рисунка 1б. В первый момент времени от 0 до π, ЭДС имеет положительное значение, следовательно ток будет протекать от условно положительного полюса через точку «А», диод VD₁, нагрузку R_н и через точку «Б» в отрицательный полюс вторичной обмотки трансформатора.

На интервале времени от π до 2π, за счёт ВАХ диода VD₁ напряжение на нагрузке будет отсутствовать, так как диод пропускает ток только в одном направлении. Следовательно, на нижней диаграмме рисунка 1б видим нулевое значение напряжения на нагрузке. Однополупериодной схема названа потому, что выпрямляет только половину периода, образуя импульсное напряжение.

Схема применяется в некоторых зарядных устройствах мобильных телефонов. Основными достоинствами схемы являются минимальный набор деталей, низкая стоимость и простое схематическое решение.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления также называется схемой со средней точкой или нулевым выводом, а также в некоторых схемах можно встретить название схема Герца. Схема и диаграммы, поясняющие работу изображены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия. Так как в схеме применён трансформатор со средней точкой, на выходе которого мы получаем две синусоиды e₂₁ и e₂₂ в противофазе друг к другу.

В период от нуля до π, ЭДС e₂₁ имеет положительное значение относительно средней точки трансформатора, а ЭДС e₂₂ имеет отрицательное значение. Полярность ЭДС указана на схеме без скобок. Следовательно на этом временном интервале будет открыт диод VD1, диод VD2 будет закрыт. Ток будет протекать от точки «А», через диод VD1 и нагрузку Rн в точку «0» на вторичной обмотке трансформатора.

На следующем интервале времени от π до 2π, полярность ЭДС на вторичной обмотке трансформатора меняет свой знак на указанный в скобках, закрывается диод VD1, открывается диод VD2. Ток будет протекать от точки «Б», через диод VD2 и нагрузку Rн в точку «0» на вторичной обмотке трансформатора.

Основным недостатком схемы является то, чтобы получить одинаковое напряжения во вторичной обмотке трансформатора нужно использовать минимум в два раза больше витков, чем в мостовой схеме, что является неэкономичным расходом медного провода.

Главным плюсом над однополупериодной схемой является пульсации выпрямленного напряжения минимум в два раза меньше, следовательно сглаживающий фильтр можно сконструировать из конденсаторов, имеющих ёмкость гораздо меньше.

Схема активно применяется в выходных каскадах импульсных блоков питания персональных компьютеров.

Однофазный мостовой выпрямитель

Также называется двухполупериодный мостовой выпрямитель. Схема и диаграммы, поясняющие работу изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Однофазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия однофазной мостовой схемы выпрямления. На интервале времени от 0 до π ЭДС на вторичной обмотке трансформатора имеет положительное значение. На этом временном интервале будут открыты диагональные диоды VD₂ и VD₃. Следовательно, ток потечёт от точки «А» через диод VD₃, нагрузку R_н, диод VD₂ в точку «Б» и во вторичную обмотку трансформатора. На интервале времени от π до 2π, ЭДС изменит своё значение на отрицательное, диоды VD₂ и VD₃ закроются, диоды VD₁ и VD₄ откроются. Следовательно ток будет протекать от отрицательного полюса через точку «Б», диод VD₄, нагрузку R_н, диод VD1 и через точку «А» во вторичную обмотку трансформатора. Из этого можно сделать вывод, что ток через нагрузку будет протекать только в одном направлении.

Схема нашла своё применение в высоковольтных цепях электроаппаратуры.

Итог

Чтобы выбрать конкретную схему для проектирования устройств, выбор основывается на анализе исходных данных и параметров выпрямительных диодов. На мощностях до 1 кВт, можно использовать двухполупериодную и мостовую схему. При выходных напряжениях менее 10В мостовую схему не целесообразно применять, так как падение напряжения на одновременно работающих параллельных диодах будет соизмеримо с напряжением на нагрузке. В свою очередь, двухполупериодную схему не целесообразно применять при больших напряжениях, так как обратное напряжение на диодах будет соизмеримо с нагрузкой, что повлечёт за собой использование более мощных диодов, чем для мостовой схемы.

P.S. Статья со временем будет обновляться. На данный момент в ней рассмотрены только принципы работы схем, в недалёком будущем планируется добавить расчётные формулы и параметры схем. Для более глубокого изучения выпрямительных устройств воспользуйтесь соответствующей литературой.