Сегодня немножко углубимся в теорию и поговорим о схемах выпрямителей. Рассмотрим сам принцип выпрямления переменного тока, наиболее часто встречающиеся схемы выпрямителей, полупроводниковые элементы, которые применяются в этих схемах.
Выпрямителями называются устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Общая схема стандартного однофазного выпрямителя состоит из трансформатора, выпрямительного блока на основе полупроводниковых диодов и сглаживающего фильтра в виде конденсатора.
Трансформатор служит для преобразования переменного напряжения сети 220 V в необходимое выходное напряжение нагрузки. Выпрямительный блок (диодный мост) преобразовывает переменный ток в постоянный пульсирующий, а сглаживающий фильтр преобразовывает его в ток, близкий по форме к постоянному току.
В качестве диодных выпрямителей могут использоваться как четыре отдельных диода, так и диодная сборка в едином корпусе. На схемах диодный мост обычно изображается таким образом:
Современные выпрямители различают по типу используемых выпрямителей, схеме их включения и числу фаз. Также выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые.
Однофазные выпрямители
Основными схемами однофазных выпрямителей являются однополупериодная и двухполупериодная (мостовая или со средней точкой).
Однофазная однополупериодная схема является самой простейшей схемой выпрямителя.
Трансформатор преобразовывает сетевое напряжение первичной обмотки Uc в напряжение вторичной обмотки U2. Так как диод Д имеет одностороннюю проводимость, ток I2 будет протекать только при положительной полуволне вторичного напряжения, при отрицательной полуволне диод будет закрыт. Так как ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод, отсюда и название выпрямителя — однополупериодный.
К недостаткам однополупериодных выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД, высокий уровень пульсаций и большое обратное напряжение на диоде.
Двухполупериодные схемы выпрямления уже значительно интересней. Из них наибольшую популярность приобрела мостовая схема включения диодов.
Схема состоит из трансформатора и четырех диодов,собранных мостом. Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ с нагрузкой. При положительном потенциале в точке a вторичной обмотки трансформатора ток пойдет по цепи точка a вторичной обмотки — A — диод Д1 — B — нагрузка Rн — D — диод Д3. К диодам Д2 и Д4 при этом приложено обратное напряжение, они заперты. При изменении направления Э.Д.С и тока во вторичной обмотке положительный потенциал появится уже в точке b вторичной обмотки трансформатора. Ток при этом пойдет по цепи b — C — диод Д2 — B — нагрузка Rн — D — диод Д4.
Таким образом ток в нагрузке не меняет своего направления. Кривые напряжения и тока на нагрузке повторяют (при прямом напряжении на диодах U np ≈ 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения.
Кроме мостовой схемы выпрямления может применяться двунаправленная схема.
Схема состоит из трансформатора со средней отпайкой на вторичной обмотке и двух диодов. Когда в точке a имеется положительный потенциал ток протекает по цепи a — диод Д1 — нагрузка Rн — отпайка 0 вторичной обмотки. При положительном потенциале в точке b вторичной обмотки ток потечет по цепи b — диод Д2 — с — нагрузка Rн — отпайка 0 вторичной обмотки.
На левом рисунке показана зависимость напряжения вторичной обмотки трансформатора от времени, на правом изменение тока нагрузки. Как следует из работы выпрямителя, направление тока в нагрузке неизменно. Вторичная обмотка трансформатора двухфазная и каждая фаза работает половину периода. Напряжение на нагрузке в любой момент равно мгновенному значению ЭДС фазы, работающей в данный момент.
К основным минусам данной схемы можно отнести необходимость делать отпайку вторичной обмотки трансформатора и большое обратное напряжение диода Uобр = 2U2м = 3,14U0, поэтому она не получила столь широкого распространения как мостовая схема.
Принцип действия
Принцип работы трехфазного выпрямителя
Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.
В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.
«Цепь полного цикла» может содержать 4 выпрямительных элемента, но такая схема относится к категории мостовых.
Трехфазные выпрямители
Среди трехфазных схем наибольшее распространение получили однонаправленная схема выпрямления или схема Миткевича и мостовая схема, известная также как схема Ларионова.
Рассмотрим сначала однонаправленную схему выпрямителя.
В однонаправленной схеме вторичные обмотки трехфазного трансформатора соединены звездой. К фазам а, b и с подключены диоды Д1, Д2 и Д3, катоды которых соединены в точке 0. Нагрузка Rн подключена между общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора и общей точкой присоединения катодов.
Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод Д2, затем Д3 и т.д.
Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и следовательно ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.
Пульсация тока в такой схеме будет относительно невелика, что понижает требования к сглаживающему фильтру. Недостатком данной схемы, также как однофазной однополупериодной является намагничивание сердечника трансформатора.
Большее распространение в трехфазных выпрямителях получила мостовая схема Ларионова, так как она лишена недостатков однотактной схемы.
В такой схеме одновременно пропускают ток два диода — один с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода. Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.
В интервал времени t1-t2 пропускать ток будут диоды Д1 и Д4, так как наибольший положительный потенциал имеет анод фазы а, а наибольшим отрицательным потенциалом обладает катод фазы b. В интервале t2-t3 пропускать ток будут диоды Д1-Д6, в интервале t3-t4 — Д3-Д6, в интервале t4-t5 — Д3-Д2, в интервале t5-t6 — Д5-Д2 и в последнем интервале — Д5-Д4.
Таким образом напряжение на нагрузке будет иметь вид шести пульсаций за период, а интервал проводимости каждого диода — 2π/3. При этом интервал совместной работы двух диодов — π/6. Среднее значение напряжения на нагрузке будет:
где U2 — действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения практически равно максимальному линейному напряжению питающей сети:
где Uab.m — максимальное линейное напряжение вторичной обмотки.
Из достоинств схемы нужно отметить то, что в такой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже, чем у однофазной двухполупериодной схемы и составляет 0,057.
На основе этой схемы можно создать двенадцати, восемьнадцати, двадцатичетырехфазные выпрямители. Для этого используются различные сочетания последовательного и параллельного соединения схем. Чем больше будет фаз и соответственно пар диодов, тем меньше будут выходные пульсации.
Кроме этих схем, могут применяться и управляемые схемы выпрямления, которые наряду с выпрямлением переменного тока обеспечивают и регулировку выходного напряжения (тока). Но об этом мы поговорим в следующий раз.
Область применения
Результаты сопоставления достоинств и недостатков Виенна-выпрямителя с другими сетевыми преобразователями с активной коррекцией коэффициента мощности представлены в
.
Меньшее напряжение на ключах Виенна-выпрямителя позволяет использовать МДП-транзисторы и работать с высокой частотой коммутации, при этом уменьшаются номиналы дросселей, улучшаются массогабаритные показатели, упрощается система управления. Однако по мере увеличения мощности преобразователя увеличиваются емкости конденсаторов фильтра и затраты на них. Поэтому область применения Виенна-выпрямителей ограничена мощностью нагрузки порядка 1-5 кВт.
Литература
- Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебное пособие. Изд. 3-е. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.
- Овчинников Д. А., Костров М. Ю., Лукин А. В., Малышков Г. М. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 6.
- Чаплыгин Е. Е., Нгуен Хоанг Ан. Спектральное моделирование корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 15.
- Чаплыгин Е. Е. Несимметричные режимы трехфазного преобразователя с коррекцией коэффициента мощности // Электричество. 2005. № 9.
Проверка элементов
Нередко в самодельных устройствах приходится использовать детали, уже бывшие в употреблении. Перед установкой все такие комплектующие должны быть проверены. Поскольку выпрямительная сборка представляет собой четыре диода, подключенных встречно-последовательно, а до выводов всех диодов можно добраться щупом, вопрос от том, как прозвонить диодный мост, решается элементарно.
Для этого достаточно измерить обычным омметром сопротивление каждого диода, ориентируясь на схему выпрямителя и цоколевку моста. В одной полярности щупов прибор должен показывать высокое сопротивление, в другой — низкое. Когда соответствующий диод пробит, в обоих положениях щупов сопротивление будет низким, если сгорел — высоким.
Мостовой тип устройства
Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением.
Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца.
Схема полноволнового трехфазного устройства. Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В).
Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.
Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы. Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки. Выпрямленное напряжение имеет такой вид.
Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:
U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12.
Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3).
Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В.
См. также
- однополупериодный выпрямитель ,
- двухполупериодный мостовой выпрямитель , мостовой выпрямитель ,
- двухполупериодный мостовой выпрямитель с фильтром ,
- полупроводниковый диод , вах диодов , классификация диодов , уго диодов ,
А как ты думаешь, при улучшении трехфазные выпрямители, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое трехфазные выпрямители,трехфазный выпрямитель и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Выбор выпрямительных диодов
При приобретении устройства необходимо руководствоваться такими параметрами:
- значениями вольт-амперной характеристики максимально обратного и пикового тока;
- максимально допустимым обратным и прямым напряжением;
- средней силой выпрямленного тока;
- материалом прибора и типом монтажа.
Также стоит обратить внимание на то, что выпрямительные схемы отличаются по количеству фаз:
- Однофазные. Широко применяются для бытовых электроприборов. Существуют диоды автомобильные и для электродуговой сварки.
- Многофазные. Незаменимы для промышленного оборудования, общественного и специального транспорта.
Диод Шоттки
Отдельную позицию занимает диод Шоттки. Изобрели его в связи с растущими потребностями в развивающейся отрасли радиоэлектроники. Основное отличие его от остальных диодов заключается в том, что в его конструкцию заложен металл-полупроводник как альтернатива p-n переходу. Соответственно, диод Шоттки обладает своими, уникальными свойствами, которыми не могут похвастаться кремниевые выпрямительные диоды. Некоторые из них:
- оперативная возобновляемость заряда благодаря его низкому значению;
- минимальное падение напряжения на переходе при прямом включении;
- ток утечки обладает большим значением.
При изготовлении диода Шоттки применяют такие материалы, как кремний и арсенид галлия, но иногда применяется и германий. Свойства материалов немного отличаются, но в любом случае, максимально допустимое обратное напряжение для выпрямителя Шоттки составляет не более 1200 V.
В противовес всем достоинствам конструкция данного вида имеет и минусы. Например, в сборке моста устройство категорически не воспринимает превышение обратного тока. Нарушение условия приводит к поломке выпрямителя. Также малое падение напряжения происходит при невысоком напряжении около 60-70 V. Если значение превышает этот показатель, то устройство превращается в обыкновенный выпрямитель.
Диод-стабилитрон
Для стабилизации напряжения используют специальное приспособление, способное работать в режиме пробоя, – стабилитрон, зарубежное название которого «диод Зенера». Выполняет свою функцию устройство, работая в режиме пробоя при напряжении обратного смещения. Возрастание силы тока происходит в момент пробоя, одновременно опускается до минимума дифференциальное значение, вследствие чего напряжение стабильное и охватывает достаточно серьезный диапазон обратных токов.
Цепь полного цикла
Она представляет собой схему выпрямителя, которая преобразует напряжение AC в постоянное напряжение. Эти схемы называются полноволновым выпрямителем, поскольку он генерирует выходной сигнал полного цикла.
Преимущества трехфазных выпрямителей:
- Из-за их низкой стоимости по сравнению с центральным нажатием они широко используются в цепи питания.
- Это можно использовать для обнаружения амплитуды модулированного радиосигнала.
- Мостовые выпрямители могут использоваться для подачи поляризованного напряжения при сварке.
