Однофазные и трехфазные выпрямители

Структурная схема однофазного выпрямительного устройства изображена на рис. 2.2.1. На вход выпрямителя подается переменное напряжение u₁ которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения u₂ . Кроме того, трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства,что позволяет получать с помощью несколькихвторичных обмоток различные значения напряжения u₂, гальванически не связанных друг с другом.

Рис. 2.2.1 Структурная схема однофазно выпрямительного устройства

 

После трансформатора переменное напряжение u₂ вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение u₀₁. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении u₀₁. помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение u₀₂ на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения Ст поддерживает неизменным напряжение U_н на нагрузочном устройстве R_н при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротив-

ления R_н. В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать.

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

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 2.2.2 а. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод Д и нагрузочный резистор R_н.

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная э. д. с.

Рис. 2.2.2 Схема (а), временные диаграммы напряжений и токов

(б) однополупериодного выпрямителя

 

Работу выпрямители удобно рассматривать с помощью временных диаграмм рис. 2.2.2б. В первый полупериод, т. е. в интервале времени 0-Т/2, диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки б, и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток i_н . В интервале времени Т/2-Т диод закрыт,ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение u₂.

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя и всех выпрямителей являются:

- средние значения выпрямленных тока и напряжения I _{н.ср .} и U _н.ср.
мощность нагрузочного устройства P _н.ср.= U _н.ср. I _н.ср.

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения U_{осн. т.}
коэффициент пульсации выпрямленного напряжения p = U_{осн. т.}/ U _н.ср.

- действующие значения тока и напряженияпервичной и вторичной обмоток трансформатора I ₁, U ₁ и I ₂, U ₂;

- типовая мощность трансформатора S_тр = 0,5(S ₁ + S ₂ ), где S₁ = U₁ I₁, а
S₂ = U₂ I₂;

- коэффициент полезного действия =P _н.ср. /(P _н.ср + P _тр + P _д ), где P _тр-потери в трансформаторе, а P _д-потери в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 2.2)

U _н.ср. = U₂ sin t d t = 0,45 U₂ ,

или

U₂ = 2,22 U

I _н.ср.= 0,45 U₂/ R_н

Ток I _{н.ср .} является прямым током диода, т. е.

I_{пр.ср .} = I _{н.ср .} = 0,45U₂ / R_н

Ток i_н является током вторичной обмотки трансформатора: i_н = i₂. Тогда действующее значение этого тока

I₂ = = 1,57 I _н.ср

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

S _тр. S₂ = U₂ / I₂ = 2,22 U _н.ср 1,57 I _н.ср 3,5 P _н.ср.

Коэффициент пульсаций p = 1,57. Это значение получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

u _н = U _н.ср cos t + cos t - cos t +...

Коэффициент пульсаций p есть отношение амплитуды основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна , к выпрямленному U _н.ср напряжению получим

p = = 1,57

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя:

- большой коэффициент пульсаций,

- малые значения выпрямленных тока и напряжения.

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

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

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

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

Предельный электрическийрежим диодов характеризуют следующие параметры:

- максимальное обратное напряжениеU _{обр.мах};

- максимальный прямой ток I _пр.мах, соответствующий I _{выпр.мах.}

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов f_мах. В случаях превышения этой частоты диоды теряют вентильные свойства.

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

Двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис. 2.2.3 ). Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой - нагрузочный резистор R_н .

 

Рис. 2.2.3 Схема (а), временные диаграммы напряжений

и токов (б) мостового выпрямителя

 

Каждая пара диодов (Д₁ , Д₃ и Д₂, Д₄) работает поочередно. Диоды Д₁ , Д₃ открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂ (интервал времени 0 — Т/2), когда потенциал точки а выше потенциала точки b. При этом в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i_н (рис. 2.2.3, б). В этом интервале диоды Д₂ , Д₄ закрыты.

В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки b выше потенциала точки а, диоды Д₂ , Д₄ открыты,а диоды Д₁ , Д₃ закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 2.2.3, ток через нагрузочный резистор R_н имеет одно и то же направление.

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

U_н.ср.= U_2m sin t d t = = 0,9 U₂

I_н.ср. = U_н.ср. / R_н 0,9 U₂ / R_н.

Из предыдущего выражения можно найти действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора:

U₂ = U_н.ср 1,11 U_н.ср

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

I_пр.ср = I_{2 ср} = 0,5 I_н.ср.

 

а максимальный ток вторичной обмотки I_2m = U_2m / R_н то действующее значение тока вторичной обмотки:

I₂ = 0,78 I_н.ср.

Из временных диаграмм видно, что максимальное обратное напряжение на диодах

U_{обр.мах} = U_2m = U₂ = U_н.ср 1,57 U_н.ср

Максимальный прямой ток диода

I_пр.m = = 1,57 I_н.ср

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

Разложив напряжение u _н (рис. 2.2.3, б) в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

u _н = U _н.ср 1 + cos 2 t - cos 4 t +...

Амплитуда основной гармоники частотой 2 равна 2/3. Следовательно, p 0,67

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т. е. U_2m = U₂. Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в четыре раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.2.4 а) можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на один и тот же нагрузочный резистор R_н .

Рис. 2.2.4 Схема (а), временные диаграммы напряжений

и токов (б) выпрямителя с выводом средней

точки вторичной обмотки трансформатора

 

Действительно, в каждый из полупериодов напряжения u_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки О (интервал времени 0 - Т/ 2), диод Д₁ открыт, диод Д₂ закрыт, так как потенциал точки b ниже потенциала точки О. В этот период времени в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i _н (рис. 2.2.4, б). В следующий полупериод напряжения u_ab (интервал времени Т/2 - Т) потенциал точки b выше, а потенциал точки а ниже потенциала точки О. Диод Д₂ открыт, а диод Д₁ закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе R_н имеет то же направление, что в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U_2a и U_2b эти токи будут равны.

В рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора значительно больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрямителях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Отметим, что достоинства этого выпрямителя, присущие мостовому выпрямителю, достигаются при вдвое меньшем количестве диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.

Описание работы

Исследования однофазных выпрямителей и сглаживающих фильтров с ис- пользованием пакета Electronics Workbench. Пакет Electronics Workbench устанавливается в среде Microsoft Windows 95/98. Запуск пакета Electronics Workbench осуществляется нажатием левой клавши мыши на ярлык программы Electronics Workbench Pro на рабочем столе или воспользовавшись меню пуск /программы/ Electronics Workbench / Electronics Workbench Pro. Выбираем необходимые элементы схемы в окошках, соединяем, запускаем схему, проводим необходимые измерения.

Приборы и элементы

Вольтметр (панель «Indicators»)

 

Амперметр (панель «Indicators»)

 

Осциллограф (панель «Instruments»)

 

Функциональный генератор (панель «Instruments»)

 

Источник питания (панель «Sources»)

 

Резисторы (панель «Basic»)