Тема 4 Выпрямительные устройства
4.1 Состав и назначение элементов выпрямительного устройства
Выпрямительные устройства предназначены для преобразования переменного тока в ток одного направления.
Рисунок 1. Структурная схема выпрямительного устройства:
Тр — трансформатор; В — вентиль. СФ — сглаживающий фильтр, Ст — стабилизатор
В общем случае выпрямительное устройство включает в себя силовой трансформатор, вентиль, сглаживающий фильтр и стабилизатор (рисунок 1).
Существуют два основных типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный.
В зависимости от числа фаз питающей сети выпрямители подразделяют на однофазные и трехфазные.
Выпрямители могут быть управляемыми и неуправляемыми. В управляемых выпрямителях значение выпрямленного напряжения может регулироваться. Для питания большинства электронных устройств используются более простые неуправляемые выпрямители.
Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения, например 220 В, в переменное напряжение такого значения, которое обеспечивает необходимое постоянное напряжение на выходе выпрямителя, например 20 В.
Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее
Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения
Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на нагрузке.
Основными элементами выпрямителя являются вентили — нелинейные элементы, проводимость которых зависит от полярности приложенного напряжения. Как правило, в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды. Вольт-амперная характеристика диода приведена на рисунке 2, а.
- Основными параметрами выпрямителей являются:
Uн.ср — среднее выпрямленное напряжение на нагрузке;
I н ср— средний выпрямленный ток в нагрузке;
Р = Uосн.вых/ Uн.ср — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (здесь Uосн.вых — амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения);
fn — частота основной гармоники выпрямленного напряжения (напряжения пульсации).
Рисунок 2 Однополупериодный выпрямитель:
а — ВАХ диода, б — схема выпрямителя, в — временные диаграммы напряжении
Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 2, б.
- Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора U2 подается на цепь из последовательно соединенных диода Д и нагрузочного резистора Rн.
При положительном полупериоде напряжения диод открыт и через нагрузку течет ток. При отрицательном полуперноде диод закрыт, и ток в нагрузке отсутствует.
Выпрямленное напряжение Uн можно представить в виде суммы постоянной Uн.cp и переменной ин составляющих (рис. 2, в).
Как правило, однополупериодные выпрямители применяются для питания нагрузки малой мощности.
Среди двухполупериодных однофазных выпрямителей наибольшее применение находят выпрямитель на базе трансформатора со средней точкой и мостовой выпрямитель.
Выпрямитель на базе трансформатора со средней точкой. Схема такого выпрямителя представляет собой две схемы однополупериодного выпрямителя, построенные на диодах Д1 и Д2 и работающие на общую нагрузку RH (Рисунок 3, а).
В положительный полупериод ток в нагрузку поступает через диод Д1, а в отрицательный — через диод Д2. В итоге за период к нагрузке подводятся две полуволны напряжения (рис. 3, б). Недостатком выпрямителя являются сложная конструкция трансформатора и его неэкономичность. Этого недостатка лишен мостовой выпрямитель.
Рисунок 3 Двухполупериодный выпрямитель на базе трансформатора со средней точкой:
а — схема выпрямителя: б — временная диаграмма напряжения на нагрузке
Мостовой выпрямитель. Выпрямитель состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме (рисунок 4, а). Изменения напряжения U2 питающей сети, токов диодов, напряжения на нагрузке показаны на рисунке 4, б.
При положительном полупериоде напряжения в мостовой схеме диоды Д2 и Д4 открыты и пропускают ток в нагрузку. Диоды Д1 и ДЗ в этот момент закрыты. При отрицательном полупериоде напряжения диоды Д2 и Д4 закрываются, но открываются диоды Д1 и ДЗ и пропускают ток в нагрузку в том же направлении.
Рисунок 4 Двухполупериодный мостовой выпрямитель: а — схема выпрямителя: б — временные диаграммы напряжений и токов
По сравнению с однополупериодным выпрямителем однофазный двухполупериодный выпрямитель обеспечивает большее среднее напряжение на нагрузке, меньшую амплитуду пульсаций и большую их частоту, что облегчает задачу подавления пульсаций сглаживающими фильтрами.
Для выпрямления трехфазного напряжения широко применяются трехфазные выпрямители. Простейшая схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 5, а. Это схема с нейтральной точкой. Фазы вторичной обмотки трансформатора соединены звездой. В каждую фазу последовательно с обмоткой включен диод. Катоды диодов соединены вместе. Между общей точкой катодов и нейтральной точкой включается нагрузка
Токи через диоды текут лишь в те моменты времени, когда потенциал анода выше потенциала нейтральной точки. Результирующий ток через нагрузку является суммой всех трех токов. Его изменение отражает огибающая на рисунке 5, б.
Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке Uн.ср. = 1,17U2ф.
Амплитуда основной гармоники Uосн.mах = 0,29U2ф.
Коэффициент пульсаций р = 0,25.
Частота пульсации fп = 3f
Другая схема трехфазного выпрямителя известна как схема Ларионова. Она представляет собой три мостовые схемы, работающие на единую нагрузку (рис. 6,а).
В трехфазном двухполупериодном выпрямителе диоды каждой фазы пропускают ток в нагрузку в обе полуволны питающего напряжения. Это позволяет существенно снизить пульсации выпрямленного напряжения (см. огибающую на рис. 6,б).
Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке Un.сp. = 2,34U2ф.
Амплитуда основной гармоники = 0,13 U2ф.
Коэффициент пульсаций р = 0,057.
Частота пульсаций fп = 3f
В мощных трехфазных выпрямителях, собранных по мостовой схеме, широкое применение нашли управляемые вентили — тиристоры. Такие выпрямители называют управляемыми. Регулируя моменты открытия тиристоров, можно сравнительно легко и экономично регулировать среднее значение выпрямленного напряжения.
Рисунок 5 Трехфазный однополупериодный выпрямитель: а — схема выпрямителя;
б — временная диаграмма напряжения на нагрузке
Рисунок 6 Трехфазный двухпопупериодный выпрямитель а — схема выпрямителя, б — временная диаграмма напряжения на нагрузке
4.5 Сглаживающие фильтры
Для подавления переменной составляющей выпрямленного напряжения между вентилем и нагрузкой устанавливают сглаживающие фильтры.
Основным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания ????ф .Он определяется отношением коэффициентов пульсаций на его входе и выходе:
????ф =
В одних устройствах сглаживающие фильтры не нужны вообще. Например, в выпрямителях для питания электрических двигателей постоянного тока, поскольку ротор двигателя не в состоянии реагировать на высокочастотные пульсации в силу значительного момента инерции, Тогда как в других двигателях коэффициент пульсаций на выходе блока питания не должен превышать 10 -6 (устройство питания привода электронного микроскопа), что требует установки фильтров с очень высоким коэффициентом сглаживания.
Простейшими сглаживающими фильтрами являются индуктивный и ёмкостный.
Индуктивный фильтр (рисунок 7,а) представляет собой дроссель, который включается последовательно с нагрузкой.
Значительное индуктивное сопротивление XL = 2fnL существенно снижает переменную составляющую напряжения, практически не изменяя постоянной, так как активное сопротивление R дросселя невелико.
С достаточной точностью можно принять ????ф = 2fnL /Rн.
Индуктивные фильтры применяются обычно в мощных низкоомных цепях.
Рисунок 7 Схемы фильтров
а — индуктивный; б — емкостный; в — Г -образный LC-фильтр; г — П-образный
LC- фильтр. д — Г-образный RС-фильтр
Ёмкостный фильтр (Рисунок 7,б) представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке. При значительной ёмкости сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока мало (Хс = 1/(2?fnС) « Rн) и она проходит через конденсатор, минуя нагрузку. В нагрузку поступает лишь постоянная составляющая выпрямленного тока.
Можно также понять принцип сглаживания пульсаций, приняв во внимание, что при возрастании напряжения на нагрузке диод открыт и в связи с его малым сопротивлением конденсатор заряжается практически мгновенно. При уменьшении напряжения диод закрывается и конденсатор разряжается сравнительно медленно через большее, чем у диода, сопротивление нагрузки.
С достаточной точностью для двухполупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром можно принять ????ф = 1,34fnСRн.
Основное применение емкостные фильтры нашли в маломощных высокоомных цепях.
Для обеспечения высококачественного сглаживания индуктивный и емкостный фильтры объединяют, получая Г-образный (рисунок 7,в) или П-образный (рисунок 7,г) LС-фильтры. Коэффициент сглаживания в этом случае равен произведению коэффициентов сглаживания звеньев фильтра.
В маломощных источниках применяют Г-образный RС-фильтр (рисунок 7, д).
Задача 1. Согласно справочным данным выпрямительный столб 2Ц103А имеет при токе 40 мА прямое падение напряжения 7В, а при обратном напряжении 2 000 В обратный ток составляет 0,1 мкА. Вычислите прямое и обратное сопротивления диода.
Решение. Приведенные данные позволяют определить статическое сопротивление для прямой и обратной ветвей высоковольтного выпрямительного столба в соответствии с законом Ома. Прямое сопротивление Rnp = Uпр/Iпр = 7 В/0,04 А = 175 Ом, обратное сопротивление р = Rобр/Iобр = 2 000 В/(0,1 • 10 -6 А) = 2• 1010 Ом. Расчеты показывают, что прямое сопротивление высоковольтного выпрямительного столба может составлять сотни ом. в то время как обратное сопротивление исчисляется десятками гигаом (1 ГОм = 109 Ом).
Ответ. Прямое сопротивление выпрямительного столба 2Ц103А равно 175 Ом, обратное сопротивление — 2•1010 Ом. Таким образом, обратное сопротивление более чем в 108 раз больше прямого.
Задача 2. Для работы электродвигателя постоянного тока ДПМ-30-Н2 от промышленной сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц используется выпрямитель. Двигатель с возбуждением от постоянных магнитов имеет следующие основные электрические параметры:
Uн= 27 В; Iн = 0.7 А.
Выберите схему выпрямителя и рассчитайте параметры его основных элементов.
Решение. В данном случае для питания электродвигателя достаточно иметь лишь два элемента: трансформатор и вентиль. Это связано с тем, что достаточно высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения практически не оказывает влияния на рабочие характеристики двигателя. Он реагирует лишь на среднее выпрямленное напряжение Uн.ср.
Исходя из характеристик двигателя выбираем в качестве вентиля выпрямительный блок КЦ402 с мостовой схемой соединения, имеющий следующие параметры: Uобр.mах = 100 В,
I пр. mах = 1 000 мА. Двигатель может быть включен непосредственно в диагональ моста с пульсирующим напряжением, в то время как вторая диагональ подключается ко вторичной обмотке трансформатора (рисунок 8).
Рисунок 8. Схема питания электродвигателя постоянного тока к задаче 2
Поскольку для двухполупериодного однофазного выпрямителя Uн.сp = 0,9 U2, действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2= Uн.cp / 0,9 = 27/0,9 = 30 В.
Таким образом, для работы выпрямителя необходим трансформатор с первичным напряжением U1 = 220 В и вторичным U2= 30 В. Номинальная мощность трансформатора
Рном = U2• Iн = 30 • 0,7 = 21 Вт.
Ответ. Для работы двигателя постоянного тока от источника переменного напряжения 220 В целесообразно использовать выпрямительный блок КЦ402, работающий в комплексе с трансформатором, вторичное напряжение которого составляет 30 В, а номинальная мощность — 21 Вт.
Задача 3 Вычислите коэффициент стабилизации по току, если при номинальном выходном
токе 5 А номинальное выходное напряжение равно 20 В. При этом изменение тока нагрузки в диапазоне от З до7 А приводит к изменению выходного напряжения на 0.4 В.
Решение. Коэффициент стабилизации потоку, определяющий диапазон изменения выходного напряжения ?Uвыз при изменении тока нагрузки ?Iн,
Кст 2 = ?Iн / Iн. ном.)/(?Uвыз./Uвых.ном.) = (4/5)/(0,4/20) = 40.
Ответ. Коэффициент стабилизации по току равен 40.
Задача 4 Для обеспечения стабильного напряжения Uвых = 4 В на нагрузке сопротивлением Rн = 120 Ом используется параметрический стабилизатор напряжения (см. рисунок 9.а). Диапазон изменения входного напряжения 6… 10 В. Определите сопротивление балластного резистора Rб и его мощность рассеяния, а также выберите тип стабилитрона.
Решение. Вычисляем ток нагрузки: Iн = Uвых / Rн = 4/120 = 0,033 А.
Находим сопротивление балластного резистора:Rб = (Uвх.min – Uвых)/Iн=(6 — 4)/0.033 = 61 Ом.
Определяем максимальный ток, потребляемый ЭЦ:1тах= Uвх.mах –Uвых / Rб = (10-4)/61=0.1 А.
Вычисляем максимальный ток через стабилитрон: Iд.mах.= Imах –Iн = 0.1 -0,033 = 0,067 А.
По справочнику выбираем тип стабилитрона, обеспечивающего выходное напряжение 4 В и рассчитанного на максимальный ток не менее 0,067 А.
Этим требованиям удовлетворяет стабилитрон КС139А с параметрами Ест. = 3,9 В и
Iст. вых = 70 мА.
Вычисляем максимальную мощность балластного резистора: Р = I2 вых = 0,01• 61 =0,61 Вт.
Ответ. Для стабилизации выходного напряжения 4 В на нагрузке сопротивлением 120 Ом может быть использован стабилитрон КС139А совместно с балластным резистором, например МЛТ-1-62
Рисунок 9. Схема [а] и вольт-амперная характеристика [б]
параметрического стабилизатора
для самостоятельного решения
Задача 5 По вольт-амперным характеристикам диодного моста КЦ407А (рис. 10) для температур -60, +25 и +85°С определите значения статического сопротивления диода в прямом направлении при Iпр = 40 мА. Сравните эти значения.
Задача 6. По вольт-амперным характеристикам диодного моста КЦ407А (см. рис. 10, б) определите значения его статического сопротивления для трех температур при включении в обратном направлении, если к диоду приложено обратное напряжение Uобр = 150 В. Сравните эти значения.
Задача 7. Как соединяют полупроводниковые диоды в схемах с токами, превышающими прямой ток применяемых диодов?
Задача 8. Как соединяют полупроводниковые диоды в схемах с напряжением. превышающим максимально допустимое обратное напряжение применяемых диодов?
Задача 9. Определите ток, протекающий через нагрузочный резистор сопротивлением
Rn = 140 Ом мостового выпрямителя, если на первичную обмотку трансформатора поступает напряжение U1max = 160 В, коэффициент трансформации К21 = 0.1. а сопротивление каждого полупроводникового диода в схеме равно 10 Ом.
Задача 10. Вычислите коэффициент пульсаций на выходе индуктивного фильтра индуктивностью 0.8 Гн, работающего на нагрузку сопротивлением 50 Ом, если напряжение на вход фильтра поступает от двухполупериодного выпрямителя, питаемого переменным напряжением частотой 50 Гц.
Задача 11. Вычислите коэффициент пульсаций на выходе емкостного фильтра емкостью 200 мкФ, работающего на нагрузку сопротивлением 1 кОм. если напряжение на вход фильтра поступает от двухлолупериодного выпрямителя, питаемого переменным напряжением частотой 50 Гц.
Задача 12. Стабилитрон с идеальной вольт-амперной характеристикой используется в цепи параметрического стабилизатора напряжения. Известно, что Uвx = (16 ± 1,6) В,
Uст = 9 В, Iст = 10 мА, ток нагрузки Iн = 8 мА. Определите ток на входе стабилизатора Iвх и сопротивление балластного резистора Rб.
Задача 13. На рис. 11 соедините между собой в требующейся последовательности отдельные блоки структурной схемы выпрямительного устройства.
Рис. 10 Вольт-амперные характеристики диодного моста КЦ407А (к задачам 5 и 6)
Рисунок 11. Структурная схема выпрямительного устройства (к задаче 13)
Неуправляемые выпрямители
Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать.
Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений двух диодных групп. Среднее значение пульсирующего напряжения постоянного тока равно 1,35 х напряжение сети.
Неуправляемый преобразователь
При испозовании диодного моста ток протекает только в одном направлении : от анода диода к его катоду, при этом действующее значение тока, протекающего через диод, никак не регулируется. На входе выпрямителя – переменное синусоидальное напряжение, на выходе – постоянное напряжение с некоторой степенью пульсаций..
Выходное напряжение однофазного диодного преобразователя равно разности напряжений двух диодных групп, а средневыпрямленное значение выходного напряжения постоянного тока равно 0,9 от действующего значения напряжения сети. То есть если напряжение сети 220 В, то выпрямленное напряжение 200 в.
Управляемый преобразователь
В управляемых выпрямителях вместо диодов установлены тиристоры. Тиристор имеет схожее с диодом свойство – ток через него также протекает в одном напрявлении Но в дополнении к диоду у тиристора есть третий вывод, получившим название “управляющий электрод”(УЭ). Чтобы тиристор включился, на управляющий электрод нужно подать импульс напряжения управления.
Тиристор не может быть обесточен путем подачи сигнала по цепи управления. Для его выключения необходимо соблюсти два условия: ток через тиристор снижается до нуля и кратковременно прикладывается напряжение управления.
На управляющий электрод тиристора пприкладывается сигнал управления α, который характеризуется величиной времени задержки отпирания включения, приведенной к электрическим градусам. Эта величина определяет задержку включения тиристора относительно момента перехода через ноль сетевого напряжения.
Управляемый выпрямитель по своей сути не сильно отличается от неуправляемого. Отличие лишь в том, что тиристор включается и только с момента подачи на него импульса управления, за счет чего становится возможным регулирование выходного напряжения и тока
Управляемый выпрямитель( или по другому – тиристорный преобразователь) имеет несколько меньший КПД по сравнению с неуправляемым за счет потерь на переключение тиристоров, а так же вносит в сеть большие импульсные помехи и нелинейные искажения; к тому управляемый преобразователь является источником потребления реактивной мощности даже при чисто активной нагрузке.
.
Сравнение схем однофазных мостовых управляемых выпрямителей
Статья посвящена сравнению схем однофазных мостовых управляемых выпрямителей, использующихся в преобразовательной технике.
Ключевые слова: управляемый выпрямитель, нулевой вентиль, гальваническая развязка, управляемый вентиль.
Мостовой однофазный управляемый выпрямитель содержит четыре управляемых вентиля, для которых необходимо минимум три гальванически развязанных сигнала с системой управления. Последняя задача решается применением оптотиристоров. Либо управление тиристорами осуществляется через специальный импульсный трансформатор (рис.1).
Рис. 1. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель
К достоинствам однофазного мостового управляемого выпрямителя можно отнести более простой трансформатор в отличие от нулевой схемы включения, так же выпрямитель может работать без трансформатора, если не требуется гальваническая развязка, либо согласования сети по уровню напряжения, следующими плюсами являются высокий КПД и низкие пульсации выпрямленного напряжения.
К недостаткам относят большое число элементов схемы выпрямления, а также сложность управления над ними.
Если однофазный мостовой управляемый выпрямитель не используется в инверторном режиме, то те же самые параметры относительно схемы с четырьмя управляемыми вентилями могут быть достигнуты более дешевыми средствами. Рассмотрим три варианта схем с неполным числом управляемых вентилей:
Схема А (рис.2) является наиболее понятной, поскольку похожа на схему полностью управляемого выпрямителя. Гальваническая развязка В1, В2 — обязательна. Диоды D3, D4 выполняют функцию нулевого вентиля, когда заперты оба тиристора.
Рис. 2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей по схеме включения А
В схеме Б (рис.3) импульсы можно подавать сразу на оба тиристора: отпирается только первый, на котором положительное напряжение. Функции нулевого вентиля поочередно выполняют В1, D2, В3, D4.
Рис. 3. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей по схеме включения Б
Третья схема В (рис.4) — самая дешевая, так как содержит всего один управляемый вентиль. Использование нулевого вентиля при индуктивной нагрузке обязательно, так как в РНТ отсутствуют условия для запирания управляемого вентиля В1.
Рис. 4. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей по схеме включения В
Как было сказано раннее, выбор схем управляемого однофазного мостового выпрямителя с неполным числом управляемых вентилей, обоснован их меньшей стоимостью, а также более простым управлением, относительно схемы с полным числом управляемых вентилей.
Вывод
В данной статье были рассмотрены однофазные мостовые управляемые выпрямители и их разновидности, а также их достоинства и недостатки.
Литература:
1. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е., Промышленная электроника: Учебник для вузов. Под ред. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 320 с.
- Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник для вузов. — Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2004. — 664 с.
- Семенов В. Д., Мишуров В. С. Основы преобразовательной техники. Учебное методическое пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования. 2002.- 132 с.
Однофазный мостовой выпрямитель, принцип работы, описание
Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.21) широко используется в самых различных устройствах сравнительно малой мощности (до сотен ватт и, иногда, единиц киловатт).
Опишем работу выпрямителя для двух характерных видов нагрузки: активной (рис. 4.21, а) и активноиндуктивной (рис. 4.21, б).
Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом угле управления. Для рассматриваемого выпрямителя углом управления называют угол а сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны напряжения питания ивх и со ответствующим моментом включения тиристоров Т, и Т4, а также равный ему угол сдвига между началом каждой отрицательной полуволны напряжения ивх и соответствующим моментом включения тиристоров Т2 и Т3 (тиристоры включаются парами).
При а = О электрические процессы в управляемом выпрямителе совпадают с процессами в рассмотренном выше неуправляемом выпрямителе. Естественно, остаются прежними и математические выражения, характеризующие выпрямитель.
Работа выпрямителя на активную нагрузку при угле управления я/2 рад (90 эл. град.) (рис. 4.22).
Анализ процессов в выпрямителе при ненулевом угле управления а усложняется, так как на некоторых отрезках оси абсцисс (и на некоторых отрезках времени) все тиристоры схемы выключены и приходится решать задачу распределения на них напряжения ивх. При этом два тиристора находятся под прямым, а другие два — под обратным напряжением.
Предполагаем (это общепринято), что эквивалентные сопротивления всех выключенных тиристоров одинаковы и не зависят от полярности напряжения. В этом случае напряжение на каждой паре тиристоров, один из которых находится под прямым, а второй — под обратным напряжением, делится поровну {это легко понять, если мысленно заменить все четыре выключенные тиристоры резисторами с одинаковыми сопротивлениями). Именно так временные диаграммы изображены на отрезках оси абсцисс 0…Я/2, л..!(3/2)я, и т. д.
При w*t=п/2 включаются тиристоры Т3 и Т4. При этом на тиристорах Т2 и Т3 скачкообразно возрастает в два раза обратное напряжение.
Аналогично после включения тиристоров Т2 и Т4 увеличивается обратное напряжение на тиристорах Т1 и Т4. Тиристоры Т2 и Т3 выключаются при соonst = 2п.
Анализ схемы с включенными тиристорами несложен.
Как и прерыватель переменного тока, при а О выпрямитель потребляет из питающей сети ток с формой, сильно отличающейся от синусоидальной.
Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя — это зависимость среднего значения Ucp выпрямленного напряжения от угла управления. Регулировочной характеристикой называют и график этой зависимости.
Регулировочная характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, имеет вид
Изобразим соответствующий график (рис. 4.23, сплошная линия).Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при нулевом угле управления (рис. 4.24).
Предполагаем (как общепринято), что индуктивность нагрузки LH очень велика, так что ток нагрузки ieblx практически постоянный. Это допущение можно использовать, если постоянная времени нагрузки хн значительно больше периода напряжения сети.
Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при угле управления я/4 рад (45 эл. град.) (рис. 4.25).
При принятом условии о существенном влиянии индуктивности одна пара тиристоров в каждый момент времени открыта (электродвижущая сила самоиндукции препятствует выключению некоторой пары тиристоров до включения следующей пары). Это упрощает анализ схемы.
Временная диаграмма входного тока iex смещена относительно диаграммы напряжения ивх и, следовательно, основная гармоника входного тока отстаёт по фазе от напряжения питания.
Из изложенного следует, что в рассматриваемом режиме выпрямитель загружает питающую сеть реактивной мощностью и это, безусловно, является отрицательным фактором.
Регулировочная характеристика выпрямителя, работающего на активноиндуктивную нагрузку, определяется выражением,так как среднее значение напряжения на идеальной катушке индуктивности равно нулю (иначе ее ток возрастал бы до бесконечности). Мощность Рн, потребляемая резистором RH активноиндуктивной нагрузки, вычисляется по формуле (тах как ток ieblx — постоянный, его действующее и среднее значения совпадают).
Шпаргалки к экзаменам и зачётам
| Cмотрите так же… |
| Шпаргалки по электротехнике и электронике |
| Закон Ома для замкнутой цепи и для участка цепи |
| Законы Кирхгофа для цепи постоянного тока |
| Расчет простых цепей при различных схемах соединения потребителей |
| Понятие о сложной электрической цепи |
| Мощность, работа и потери КПД электрических цепей |
| Синусоидальный ток и его основные параметры |
| Способы представления синусоидального тока |
| Резисторное сопротивление в цепи синусоидального тока |
| Конденсатор в цепи синусоидального тока |
| Индуктивность в электрической цепи |
| Закон электромагнитной индукции |
| Индуктивность в цепи синусоидального тока |
| Взаимоиндуктивность в магнитосвязанных цепях |
| Законы Кирхгофа для цепей синусоидального тока |
| Закон Ома и сопротивления цепи синусоидального тока с последовательным соединением элементов R, L,C |
| Понятие о резонансе напряжений |
| Резонанс напряжений и его признаки |
| Закон Ома и проводимость цепи синусоидального тока с параллельным соединением ветвей R-L, L-C |
| Понятие о резонанс токов |
| Мгновенная мощь цепи синусоидального тока |
| Активная, реактивная и полная мощность цепей синусоидального тока |
| Коэффициент мощности и его экономическое значение |
| Получение трехфазной системы ЭДС и способы представления |
| Соединения обмоток трехфазных генераторов |
| Соединения приемников в трехфазных цепях |
| Мощность трехфазных цепей |
| Трансформаторы |
| Работа трансформаторов в различных режимах |
| Потери и КПД трансформаторов |
| Устройство, схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов |
| Назначение, схема и работа автотрансформатора |
| Назначение, схема и работа импульсного трансформатора |
| Машины постоянного тока |
| Асинхронные электродвигатели |
| Синхронные электродвигатели |
| Пускорегулирующая аппаратура |
| Выбор типа и мощности электродвигателя |
| Провода и кабели, выбор сечения проводов |
| Защитное заземление |
| Электронно-дырочный переход |
| Диоды, тиристоры |
| Транзисторы |
| Основные логические операции и их реализация |
| Триггеры |
| Однофазные неуправляемые выпрямители |
| Трехфазные выпрямители: нулевой, мостовой |
| Фильтры(C, L, LC, RC), коэффициент пульсаций |
| Однофазные и трехфазные управляемые выпрямители |
| All Pages |
Page 46 of 49
Однофазные неуправляемые выпрямители: однополупериодный, двухполупериодный с выводом средней точки трансформатора, мостовой
Выпрямительные устройства относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.
Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые диоды. Принцип выпрямления переменного напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются.
Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.
Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.
Рис. 1 — Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы.
Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:
Среднее значение выпрямленного напряжения: Uср=bxsinωtdωt ≈ 0.45Ubx
Действующее значение входного напряжения: Ubx=≈2.22Uср
Среднее значение выпрямленного тока: Iср=
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:
I2==≈1.57Iср
Коэффициент пульсаций p==
К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.
1. Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора.
Рис. 2 — Схема двуполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и графики, поясняющие принцип ее работы
Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры: Uср = 0.9Uвх
Uвх = 1.11Uср
Iср = 0.9Uвх/Rн
I2 = 0.78Iср
p = 0.67
Достоинства: удвоенные значения Uср и Iср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.
2. Мостовая схема
Рис. 3 — Мостовая схема выпрямления
Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.
