Краткие теоретические сведения

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от числа фаз переменного напряжения различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Выпрямитель содержит трансформатор Т, необходимый для преобразования напряжения сети U _c до величины U ₂, определяемой требованиями нагрузки; вентильную группу В, которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение U ₂ преобразуется в пульсирующее; фильтр Ф, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Выпрямитель может быть дополнен схемой стабилизации, подключаемой к выходу фильтра и предназначенной для поддержания напряжения на нагрузке неизменным при изменении напряжения U ₂ на трансформаторе.

Основными показателями работы выпрямителя являются средние значения выпрямленного тока I_d и напряжения U_d:

, (1)

, (2)

где T – период изменения выходного тока (напряжения);

мощность нагрузочного устройства

; (3)

коэффициент пульсаций

, (4)

где U _{осн m} – амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения;

коэффициент использования вентилей по напряжению

, (5)

где U _{обр т} – максимальное обратное напряжение на вентиле; U _{обр доп} – допустимое обратное напряжение вентиля;

коэффициент использования вентиля по току

, (6)

где I _а – среднее значение тока, протекающего через диод, I _ан – номинальное значение тока вентиля;

типовая мощность трансформатора

, (7)

где , ;

коэффициент полезного действия

, (8)

где P _тр и P _д – потери в трансформаторе и диодах.

Основной характеристикой выпрямителя, как и любого источника питания, является внешняя (нагрузочная) характеристика U_d = f (I_d). Она позволяет определить номинальное значение выпрямленного напряжения и выходное сопротивление выпрямителя

. (9)

Свойства выпрямителя в значительной степени зависят от характера нагрузки на его выходных зажимах, которая может быть активной (омической), начинающейся с индуктивности и начинающейся с емкости.

Однофазная мостовая схема (рис. 2) строится на однофазном трансформаторе Т. Диодная группа образует мост, к одной диагонали которого подводится переменное напряжение, а в другую диагональ включается нагрузка. Диоды работают парами поочередно (рис. 3): в положительные полупериоды напряжения U ₂ ток проводят диоды VD 2 и VD 3, иначе – диоды VD 1 и VD 4.

Рис. 2. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя

Рис. 3. Диаграммы токов и напряжений

Через нагрузку протекает пульсирующий ток в оба полупериода напряжения u ₂. Преимуществами данной схемы выпрямления (по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления) являются увеличение среднего значения выпрямленного тока и напряжения в два раза и значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, при этом значение обратного напряжения на закрытых диодах такое же, как и в однополупериодной схеме выпрямления.

Схемы выпрямления трехфазного тока применяются в основном для питания потребителей большой и средней мощности. Они равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора, низким уровнем пульсаций. Ниже рассматриваются две часто применяемые схемы.

Трехфазные выпрямители с нейтральным выводом строятся на трехфазном трансформаторе (рис. 4), вторичные обмотки которого соединяются «звездой». Нагрузка включается между объединенными катодами диодов и нулевой точкой трансформатора. Из временных диаграмм (рис. 5) видно, что диоды проводят ток поочередно, каждый – в течение одной трети периода, когда потенциал начала одной фазы более положителен, чем двух других. Два других диода в этот период закрыты.

Рис. 4. Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

Рис. 5. Диаграммы токов и напряжений

Такая схема нашла применение на средних мощностях (P_d > 1 кВт) при невысоких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Достоинство такого выпрямителя – высокая надежность (минимальное число диодов) и низкое значение k _п (по сравнению с однофазной схемой выпрямления). Недостаток схемы – подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что приводит к снижению его КПД.

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 6) можно рассматривать как два трехфазных выпрямителя, соединенных последовательно. Первый содержит диоды VD 1, VD 3, VD 5, второй – диоды VD 2, VD 4, VD 6. В результате среднее значение выпрямленного напряжения в два раза превышает напряжение в трехфазной схеме с нулевым выводом. Ток в нагрузке и двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение. Из временных диаграмм (рис. 7) видно, что в интервале времени t ₁ – t ₂ открыты диоды VD 1, VD 4, t ₂ – t ₃ – VD 1, VD 6, t ₃ – t ₄ – VD 3, VD 6 и т. д. Продолжительность работы каждого из диодов составляет 1/3 периода. Схема Ларионова обеспечивает наилучшие показатели использования трансформатора и диодов, дает минимальное значение коэффициента пульсаций и получила высокое распространение. Основные параметры рассмотренных схем выпрямления приведены в табл. 1.

Рис. 6. Трехфазный мостовой выпрямитель

Рис. 7. Диаграммы токов и напряжений

Обязательной принадлежностью выпрямителя является сглаживающий фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую выпрямленного напряжения и снижающий его пульсации. Основным параметром, характеризующим работу сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания S. Он равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

. (10)

Простейшими фильтрами являются конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр, рис. 8, а), и дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (индуктивный фильтр, рис. 8, б).

Таблица 1

Параметры типовых выпрямительных схем при активной нагрузке

Параметр	Схема выпрямления
однофазная мостовая	трехфазная
с нулевым выводом	мостовая
Число фаз m
Число групп вентилей q
Эффективное значение напряжения U 2	1,11 Ud	0,86 Ud	0,43 Ud
Максимальное обратное напряжение на вентиле U обр m	1,57 Ud	1,21 Ud	1,045 Ud
Частота основной гармоники f о.г	2 f c	3 f c	6 f c
Коэффициент пульсаций k п	0,67	0,25	0,057
Среднее значение прямого тока вентиля I a	Id / 2	Id / 3	Id / 3
Максимальное значение прямого тока вентиля I a m	1,57 Id	1,21 Id	1,045 Id
Ток первичной обмотки трансформатора I 1	(1,11/ k) Id	(0,472/ k) Id	(0,82/ k) Id
Ток вторичной обмотки трансформатора I 2	1,11 Id	0,576 Id	0,82 Id
Габаритная мощность трансформатора S тр	1,23 Pd	1,35 Pd	1,045 Pd

Пульсации на выходе емкостного фильтра определяются постоянной разряда конденсатора , поэтому такие фильтры целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором при небольшой мощности выпрямителя.

а

б

Рис. 8. Однополупериодный выпрямитель с различными фильтрами

Эффективность индуктивного фильтра зависит от его постоянной времени . Длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра

. (11)

Чем больше значение L _ф или меньше R _н, тем эффективнее фильтр. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощности с малым значением сопротивления нагрузки.

Если необходимо обеспечить коэффициент сглаживания 20 < S < 40, применяют Г-образные (LC -, RC -типа) (рис. 9) и многозвенные П-образные фильтры.

а

б

Рис. 9. Г-образные фильтры: а – LC -фильтр; б – RC -фильтр

В Г-образном LC -фильтре переменная составляющая выпрямленного напряжения снижается из-за сглаживающего действия C _ф и падения ее на L _ф. Постоянная составляющая на нагрузке R _н практически не уменьшается, так как активное сопротивление дросселя мало. Сопротивление конденсатора должно быть значительно меньше R _н, а сопротивление дросселя . Коэффициент сглаживания определяется по формуле:

. (12)

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузки R _н составляет несколько килоом, вместо L _ф целесообразно включать R _ф, что позволяет уменьшить массу, габариты и стоимость фильтра. Поскольку при этом несколько снижается напряжение на нагрузке, значение сопротивления R _ф выбирают из соотношения:

; (13)

.

Для RC- фильтра коэффициент сглаживания меньше, чем для LC -фильтра, и определяется он по формуле:

. (14)

П-образный фильтр (рис. 10) представляет собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров. Следовательно, коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания соответствующих фильтров:

, (15)

где S _c и S _г – коэффициенты сглаживания емкостного и Г-образного фильтров.

а

б

Рис. 10. Многозвенные П-образные фильтры

При сопротивлении нагрузки в несколько килоом используется CRC -фильтр (рис. 10, а), при малом R _н – CLC -фильтр (рис. 10, б).

Внешней характеристикой выпрямителя (рис. 11) называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем: U_d = f (I_d). В реальном выпрямителе значения сопротивления диодов и обмоток трансформатора не равны нулю, поэтому на этих сопротивлениях создается падение напряжения.

В результате для выпрямителей без фильтра (см. рис. 11, прямая 1) зависимость U_d = f (I_d) описывается следующим уравнением:

, (16)

где U_{d х.х} – напряжение холостого хода выпрямителя; R _пр – сопротивление открытых вентилей выпрямителя, включенных последовательно с нагрузкой; R _т – активное сопротивление обмотки трансформатора.

В выпрямителях с емкостным фильтром (см. рис. 11, кривая 2) внешняя характеристика берет начало из точки , так как при I_d = 0 конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. С ростом тока I_d кривая 2 спадает быстрее из-за уменьшения постоянной времени .

В случае использования индуктивного сглаживающего фильтра добавляется падение напряжения на внутреннем сопротивлении дросселя r _др и учитывается падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки рассеяния x_s:

, (17)

где , а параметры а и b приведены в табл. 2.

Внешняя характеристика выпрямителя с Г-образным RC -фильтром (см. рис. 11, кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2, из-за дополнительного падения напряжения на последовательно включенном резисторе R _ф.

Таблица 2

Параметры схем выпрямления

Параметр	Схема выпрямления
однофазная мостовая	трехфазная
с нулевым выводом	мостовая
a = Ud / U 2	1 / 1,11	1 / 0,86	1 / 0,43
b = I 2 / Id	1,11	0,576	0,82

Дата добавления: 2015-07-17