Общие сведения
Выпрямителем называется статическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.
Процесс выпрямления осуществляется непосредственно вентильными элементами схемы выпрямления и заключается в том, что нагрузка циклически переключается с одной фазы источника переменного напряжения на другую. В настоящее время разработано и применяется на практике много схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Выбор той или иной схемы определяется свойствами применяемых вентилей и условиями работы выпрямителя.
Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчете служат выпрямленные напряжения Ud и ток Id, а также действующее значение напряжения питающей сети Ux.
Устройство и основные элементы выпрямителей
Выпрямитель представляет собой электрический агрегат, который состоит в общем случае из следующих основных элементов (рис. 1): силового трансформатора 1. служащего для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя, а также для электрического разделения цепи выпрямленного тока с питающей сетью, что необходимо при заземленной нагрузке; блока вентилей 2, соединенных по определенной схеме и обеспечивающих протекание тока в цепи нагрузки в одном направлении, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее; сглаживающего фильтра 3, который ослабляет пульсации выпрямленного напряжения в цепи нагрузки 4. Если выпрямитель управляемый, то в него входит еще узел 6, содержащий систему управления вентилями. Для защиты выпрямителя от повреждений при аварийных режимах в его схему может входить блок защиты и сигнализации 5, а для поддержания с определенной точностью значения Uвых при изменениях напряжения питающей сети Uc и сопротивления нагрузки RH — стабилизатор напряжения или тока.
Рис 1. Структурная схема (а) и кривые напряжений (б) выпрямителя.
В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутствовать отдельные элементы, например фильтр 3 при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера или силовой трансформатор 1 в случае бестрансформаторного включения выпрямителя, что может иметь место в мостовых схемах выпрямления.
В зависимости от количества выпрямленных полупериодов питающего напряжения схемы выпрямления подразделяются на одно полупериодные и двухпопупериодные. По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.
Выпрямители однофазного тока
При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных устройств промышленной электроники, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.
Сущность процесса выпрямления представлен на примере простейшей однофазной однотактной схемы выпрямления. В этой схеме (рис. 2 а) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение U2 которой изменяется по синусоидальному закону U2 = Umax2 sin(x). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля V1, имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение U2 оказывается приложенным к резистору Rd. через который начинает протекать ток нагрузки. Индекс d используется для обозначения элементов, токов и других величин на стороне постоянного тока.
Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Достоинства выпрямителя: простота схемы и питающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.
Данная схема широко применяется для снятия квалификационных параметров силовых диодов и тиристоров, когда в испытуемом вентиле обеспечиваются однополупериодный синусоидальный прямой ток и синусоидальное обратное напряжение.
Двухполупериодная однофазная схема со средней точкой представлена на рис. 2, б. Схема состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток.
Свободные концы вторичных обмоток а и b присоединяются к анодам вентилей VI и V2, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка R включается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом О трансформатора, который служит отрицательным полюсом.
Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформатора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений U2а и U2Ь (рис. 2 г), в качестве которых обычно принимают направления, совпадающие с проводимостями вентилей.
При изменении напряжения в точках а и b по закону U2 = U2m sin(x) в тот полупериод, когда напряжение в обмотке Оа положительно, ток проводит вентиль VI, анод которого положителен по отношению к катоду, связанному через резистор Rd с точкой О вторичных обмоток. Анод вентиля V2, так же как вывод b обмотки Ob, в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выводу О и, следовательно, тока не пропускает. Вентиль V1 будет находиться во включенном (проводящем) состоянии до тех пор, пока ток Ib1, протекающий через него, не станет равным нулю.
В следующий полупериод, когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток будет пропускать вентиль V2. В результате к нагрузке Rd будет теперь приложено напряжение U2b, а ток Id будет равен току Ib2 вентиля V2. Вентиль V1 выключится, так как к нему будет приложено обратное напряжение. Спустя полупериод, начиная с момента времени t2, процесс повторяется: ток будет проводить вентиль VI, а вентиль V2 выключится и т.д.
Ток Id в нагрузке все время течет в одном направлении — от катодов вентилей к нулевой точке О вторичных обмоток трансформатора, и на резисторе Rd появляется выпрямленное пульсирующее напряжение Ud, содержащее постоянную и переменную составляющие.
Рис. 2. Однофазные выпрямители. а) - однополупериодная схема; б) - двухполупериодная схема; в) и г) -, диаграммы напряжений и токов на элементах схем выпрямления.
Однофазная мостовая схема состоит из трансформатора Тс двумя обмотками и четырех диодов VI - V4, соединенных по схеме моста (рис. 3 а). К одной диагонали моста (точки 1,3) присоединяется вторичная обмотка, а в другую (точки 2, 4) включается нагрузка Rd. Общая точка катодов вентилей VI и V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрицательным—точка связи анодов вентилей V3 и V4.
Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения Uг, соответствующая полярность которого обозначена без скобок, проводят ток вентили VI и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения Uг будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили VI и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение Uо6р = Uг.
Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 3 в) будут такими же, как для однофазного двух полу периодного выпрямителя со средней точкой.
Рис 3. Однофазный мостовой выпрямитель. а) — схема включения; б) и в) — временные диаграммы напряжений и токов на элементах схемы.
Ток Id в нагрузке проходит все время в одном направлении — от соединенных катодов диодов V1 и V2 к анодам диодов V3 и V4. Ток I2 во вторичной обмотке трансформатора (рис. 3 6) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком.