Расчет выпрямителей переменного тока. Для питания некоторых устройств требуется постоянное напряжение различной величины

 

Для питания некоторых устройств требуется постоянное напряжение различной величины. Однако наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное применяются выпрямители.

Выпрямители бывают управляемые и неуправляемые. Управляемые применяются в устройствах, в которых требуется регулировать величину выпрямленного напряжения. Регулирование осуществляется с помощью тиристоров. В неуправляемых выпрямителях может быть осуществлено однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного однофазного напряжения. Соответственно различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. Двухполупериодные, в свою очередь, могут быть со средней точкой и мостовые. Для выпрямления трехфазного напряжения применяются трехфазные выпрямители.

 

Однополупериодные выпрямители (рис. 1). Такая схема выпрямителя является простейшей. В этом выпрямителе выпрямительный диод включен последовательно с нагрузочным резистором R_н и вторичной обмоткой трансформатора. Первичная обмотка трансформатора питается от сети.

Рис. 1. Однополупериодный выпрямитель

 

             

а)                                                                       б)

 

Рис. 2. Временные диаграммы напряжения на нагрузке без выпрямителя (а) и с однополупериодным выпрямителем (б)

 

Из временных диаграмм (рис. 2) видно, что i _н в нагрузочном устройстве имеет пульсирующий характер. В течение первого полупериода напряжения диод (вентиль) открыт, и в нагрузочном резисторе появляется ток. Если считать, что сопротивление вентиля в открытом состоянии равно нулю, то все напряжение будет приложено к нагрузочному резистору. Во второй полупериод полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора меняется на противоположную. При такой полярности диод включен в обратном направлении. Если считать, что сопротивление закрытого вентиля равно бесконечности, то все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к закрытому вентилю. Недостатком такой схемы является низкий КПД, т.к. используется только одна полуволна напряжения.

 

Двухполупериодные выпрямители. Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых в отличие от однополупериодных выпрямителей используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил двухполупериодный выпрямитель, в состав которого входит трансформатор, четыре диода, включенные по мостовой схеме, и нагрузочный резистор (рис. 3).

 

Рис. 3. Мостовой выпрямитель

 

 

В один из полупериодов напряжения сети диоды VD2 и VD4 открыты, а диоды VD1 и VD3 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: верхний зажим вторичной обмотки трансформатора – диод VD2 – нагрузочный резистор R_н – диод VD4 – нижний зажим вторичной обмотки.

В другой полупериод диоды VD2 и VD4 закрыты, а диоды VD1 и VD3 открыты. Направление тока в этом случае: нижний зажим вторичной обмотки трансформатора – диод VD3 – нагрузочный резистор R_н – диод VD1 – верхний зажим вторичной обмотки.

При этом нетрудно заметить, что в течение всего периода ток в нагрузочном резисторе имеет одно и то же направление. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя приведены на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя

 

Если сравнить мостовой выпрямитель с однополупериодным, то при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузочного устройства средний выпрямленный ток и напряжение в мостовом выпрямителе в два раза больше, чем в однополупериодном, а максимальное обратное напряжение на каждом из диодов в мостовом выпрямителе будет то же, что и в однополупериодном. Помимо уже названных достоинств мостового выпрямителя следует также отметить, что габариты и масса трансформатора, используемого в мостовом выпрямителе, меньше, чем у однополупериодного вследствие отсутствия подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком, как это имеет место в однополупериодном выпрямителе. Недостатком мостового выпрямителя является необходимость применения четырех диодов, что понижает его надежность.

Также применяется двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (вывод от середины трансформатора), схема которого представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

 

Трехфазные выпрямители. В цепях трехфазного напряжения применяются трехфазные выпрямители (рис. 6). В каждой фазе такого устройства устанавливается выпрямительный диод, принцип действия которого аналогичен работе однополупериодного выпрямителя. Т.е. в каждой фазе используется лишь один полупериод, а на нагрузке все три полупериода суммируются.

 

 

Рис. 6. Трехфазный выпрямитель

 

Выбор диодов для выпрямительных устройств производят так, чтобы их основные параметры соответствовали основным показателям работы выпрямительного устройства.

 

Методика выполнения работы

 

1. Перед выполнением работы необходимо внимательно изучить теоретический материал, приведенный в данном пособии, а также изученный на занятии.

2. При выполнении работы необходимо записывать номер задачи, условие задачи и исходные данные.

3. Необходимо полностью расписывать ход решения задачи, делая соответствующие пояснения и обоснования аналогично приведенному в примере (см. далее).

4. Схемы нужно чертить карандашом, четко и аккуратно, все элементы обязательно обозначать.

 

 

Примеры решения типовых задач

 

Пример 1.

Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из четырех промышленных диодов: D218, D222, KD202H, D215Б. Мощность потребителя Pd = 300Вт, напряжение потребителя Ud=200B.

Решение:

1. Выписываем из таблицы 1.11 параметры указанных диодов.

Таблица 1.11- параметры диодов

Тип диода	Iдоп,А	Uo6p,B	Тип диода	Iдоп,А	Uo6p,B
D218	0.1	1000	KD202H	1	500
D222	0.4	600	Д215Б	2	200

 

2. Определяем ток потребителя.

Id = Pd / Ud = 300 / 200 = 1.5 А

3. Определяем напряжение, действующие на диод в непроводящий период для мостовой схемы выпрямителя:

Uв= 1.57Ud= 1.57 * 200 = 314В

4. Выбираем диод из условия Iдоп >0.5 Id > 0.5 * 1.5 > 0.75A; Uo6p > Ub > 314В. Этим условиям удовлетворяет диод KD202H

Iдоп = 1.0 >0.75А; Uo6p = 500 > 314В

Диоды D218 и D222 удовлетворяют только напряжению, т.к. 1000 и 600 больше 314В, но не подходят по допустимому току, т.к. 0.1 и 0.4 меньше 0.75А. Диод Д215Б, наоборот, подходит по допустимому току, т.к. 2 > 0.75А, но не подходит по обратному напряжению, т.к. 200 < 314В.

Составляем схему мостового выпрямителя (рисунок 2.1). В этой схеме каждый из диодов имеет параметры диода KD202H: Iдоп = 1.0А, Uo6p = 500В

 

 

Рис. 2.1. Схема мостового выпрямителя

 

Пример 2.

Для питания постоянным током потребителя мощностью Pd = 250 Вт при напряжении Ud=100В, необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа D243Б.

Решение:

1. Выписываем из таблицы 1.11 параметры диода: Iдоп = 2А, Uo6p = 200В.

2. Определяем ток потребителя

Id = Pd / Ud = 250 / 100 = 2.5 А

3. Определяем напряжение, действующие на диод в непроводящий период:

Uв = 3.14 Ud = 3.14 * 100 = 314В

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uo6p. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям Uo6p > Ub, Iдоп >0.5 Id. В данном случае первое условие не соблюдается, т.к. 200 < 314В, т.е. Uo6p < Ub. Второе условие выполняется, т.к. 0.5Id = 0.5 * 2.5 = 1.25 <2А

5. Составляем схему выпрямителя. Для того, чтобы выполнить условие Uo6p > Ub, необходимо два диода соединить последовательно, тогда Uo6p = 200 * 2 = 400 >314В.

Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 2.2

       VD1 VD2

Рис. 2.2 - Схема двухполупериодного выпрямителя.

 

Пример 3.

Для питания постоянным током потребителя мощностью Pd = 300 Вт при напряжении Ud = 20В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды D242 А.

Решение:

1. Выписываем из таблицы 1.11 параметры диода: Iдоп = 10А, Uo6p = 100В

2. Определяем ток потребителя

Id = Pd / Ud = 300 / 20 = 15 А

3. Определяем напряжение, действующие на диод в непроводящий период:

Uв = 3.14 * Ud = 3.14 * 20 = 63 В

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп, Uобр.

Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям Uo6p > Ub, Iдоп > Id. В данном случае второе условие не соблюдается, т.к. 10 < 15А, т.е. Iдоп < Id. Первое условие выполняется, т.к.100>63В.

5. Составляем схему выпрямителя. Для того чтобы выполнить условие Iдоп > Id, надо два диода соединить параллельно, тогда Iдоп = 2*10= 20А, 20 > 15А

Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 2.3

Рис. 2.3 - Схема однополупериодного выпрямителя.

 

 

Пример 4.

Для составления схемы трехфазного выпрямителя на трех диодах заданы диоды D243. Выпрямитель должен питать потребитель с Ud = 150В. Определить допустимую мощность потребителя и пояснить порядок составления схемы выпрямителя.

Решение:

1. Выписываем из таблицы 1.11 параметры диода: Iдоп = 5А, Uo6p = 200В.

2. Определяем допустимую мощность потребителя. Для трехфазного выпрямителя Iдоп > 1/3 Id, т.е. Pd = 3Ud * Iдоп = 3 * 150 * 5 = 2250 Вт. Следовательно, для данного выпрямителя Pd < 2250 Вт.

3. Определяем напряжение, действующие на диод в непроводящий период.

Ub = 2.1 * Ud = 2.1 * 150 = 315В.

4. Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию Uo6p > Ub. В данном случае это условие не выполняется, т.к. 200 < 315В. Для выполнения этого условия необходимо в каждом плече два диода соединить последовательно, тогда Uo6p = 200 * 2 = 400В; 400 > 315В.

Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 2.4.

 

 

Образец оформления работы

 

Цель работы, содержание теоретических основ работы должно соответствовать приведенному ниже.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2