Назначение, классификация, обобщенная структурная схема выпрямителей. Технические параметры выпрямителей. Однофазные и трехфазные выпрямители: схемы, принцип работы, основные параметры (выпрямленное напряжение, коэффициент пульсаций, ток диода, обратное напряжение диода):
Назначение, классификация, обобщенная структурная схема выпрямителей:
Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят:
· силовой трансформатор (СТ),
· вентильный блок (ВБ),
· фильтрующее устройство (ФУ),
· цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН).
Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.
Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.
Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U 2 определяет значение выпрямленного напряжения Uн (или Ud).
Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U 1, I 1 с частотой f 1, и цепь нагрузки с Uн, Iн (или Ud, Id). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются бестрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.
Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знаки постоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.
Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включенные резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включенные конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.
При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.
Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.
Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:
1) по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100кВт);
2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);
3) по пульсности (р) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U1;
4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U2 за период питающего напряжения:
- однополупериодные;
- двухполупериодные;
- m-полупериодные.
Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) – управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители. Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:
а) на активную нагрузку;
б) на активно-индуктивную нагрузку;
в) на активно-емкостную нагрузку;
Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются. Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей. Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся:
- величины выпрямленного напряжения и мощности;
- частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;
- число диодов и величина обратного напряжения на них;
- коэффициент полезного действия (к.п.д.);
- коэффициент мощности и другие энергетические показатели.
При расчете выпрямителя большое значение имеет также коэффициент использования трансформатора по мощности, который определяется как:
,
где Ud, Id - средние значения выпрямленного напряжения и тока, U1, I1 - действующие значения первичного напряжения и тока, U2, I2 - действующие значения вторичного напряжения и тока.
При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.
Технические параметры выпрямителей:
Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.
Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.
Напряжение сети U Сети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.
Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.
Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.
Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают Коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.
Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.
Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.
Однофазные и трехфазные выпрямители: схемы, принцип работы, основные параметры (выпрямленное напряжение, коэффициент пульсаций, ток диода, обратное напряжение диода):
Однофазные выпрямители:
Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяют три схемы:
1. однополупериодная;
2. двухполупериодная мостовая;
3. двухполупериодная трансформаторная (с выводом средней точки).
Однополупериодная схема - в которой ток проходит через вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника. Двухполупериодные схемы - в которых ток проходит через вентильную группу в течение двух полупериодов переменного напряжения источника. Рассмотрим соотношения параметров в выпрямителях при следующих допущениях:
1. Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора и активное сопротивление его обмоток равны нулю;
2. Сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном равно бесконечности.
Однополупериодный однофазный выпрямитель Временные диаграммы напряжений и токов: Определим постоянную составляющую выпрямленного тока:
.
Так как, то
.
Но так как, т.е., то
или
.
Постоянная составляющая напряжения, выраженная через максимальное значение:
.
Постоянная составляющая напряжения, выраженная через действующее значение:
Таким образом, в данной схеме максимальное напряжение на диоде
,
т.е. напряжение на диоде в три раза больше, чем на нагрузке.
Среднее значение тока диода в этой схеме.
Величину пульсаций выпрямленного напряжения характеризуют коэффициентом пульсаций
,
где U1m - амплитуда переменной составляющей напряжения, изменяющегося с частотой повторения импульсов, т.е. амплитуда первой гармоники.
Для однополупериодной схемы
, а.
Недостатки схемы:
1. большое значение коэффициента пульсаций;
2. напряжение на нагрузке почти в 3 раза меньше, чем на диоде;
3. постоянная составляющая выпрямленного тока значительно меньше тока во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к его недостаточному использованию по току.
Двухполупериодная мостовая схема
I0 в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме. Поэтому:
;
;
Частота выпрямленного тока в 2 раза больше, чем у сети.
.
Двухполупериодная схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора
Это фактически сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на нагрузочный резистор Rн в различные фазы. Соотношения параметров в данной схеме такие же, как и в мостовой схеме. Преимущества двухполупериодных выпрямителей по сравнению с однополупериодным: Среднее значение выпрямленных тока и напряжения в 2 раза больше, а пульсации меньше. Но двухполупериодные выпрямители имеют более сложную конструкцию и стоимость.
Сравнение двухполупериодных схем:
1. Мостовая схема конструктивно проще, ее габариты, масса и стоимость ниже, чем трансформаторной схемы.
2. Максимальное обратное напряжение на закрытых диодах в мостовой схеме в 2 раза меньше (на каждый из двух диодов приходится половина напряжения).
3. Но в мостовой схеме необходимо в 2 раза больше диодов.
При выпрямлении токов I >Iпрmax для одного диода параллельно включают однотипные диоды с добавочными сопротивлениями:
Величины токов определяются их сопротивлениями в прямом направлении. Но сопротивления диодов в прямых направлениях Дпр даже для однотипных диодов различны. Для выравнивания токов диодов последовательно включают добавочные сопротивления. Причем Rд в 5…10 раз больше Rдпр.
При выпрямлении напряжения, превышающего максимально допустимое для диода Uобр.max, используют последовательное соединение диодов, шунтированных резисторами. При этом обратное напряжение на диодах распределяется в соответствии с их обратными сопротивлениями Rд.обр. Для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы Rш, величина которых равна:
Rш=(0,1…0,2) Rд.обр.
Трехфазные выпрямители:
Если для маломощных схем постоянного тока применяют однотактные или мостовые однофазные выпрямители, то для питания более мощных нагрузок необходимы порой выпрямители трехфазные. Трехфазные выпрямители позволяют получать большие величины постоянных токов с малыми уровнями пульсаций выходного напряжения, что сказывается на снижении требований к характеристикам сглаживающего выходного фильтра. Итак, для начала рассмотрим однотактный трехфазный выпрямитель, изображенный на рисунке ниже: В приведенной на рисунке однотактной схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены всего три выпрямительных диода. Нагрузка присоединена к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды диодов, и общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора. Давайте теперь рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, имеющих место во вторичных обмотках трансформатора и на одном из диодов трехфазного однотактного выпрямителя:
Принципиальная схема работы трехфазного преобразователя
Некоторым устройствам постоянного тока требуется большее напряжение питания, чем может дать однотактная схема, приведенная выше. Поэтому в некоторых случаях больше подходит схема трехфазного двухтактного выпрямителя. Принципиальная его схема приведена на рисунке ниже. Как мы уже отмечали, требования к фильтру снижаются, вы сможете увидеть это по диаграммам. Данная схема известна как трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова: Взгляните теперь на диаграммы и сравните их с однотактной схемой. Выходное напряжение в мостовой схеме легко представляется в виде суммы напряжений как бы двух однотактных выпрямителей, работающих в противоположных фазах. Напряжение Ud = Ud1+Ud2. Количество фаз на выходе очевидно больше и частота пульсаций сети больше. В данном конкретном случае – шесть фаз постоянного напряжения вместо трех, которые были в однотактной схеме. Вот почему требования к сглаживающему фильтру снижаются, и в некоторых случаях без него можно полностью обойтись.Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов. Мостовое включение можно рассмотреть как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа. Два трансформатора будто бы объединены в один. В каждый момент прохождения тока через диоды – в процессе участвуют одновременно два диода — по одному из каждой группы Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы. Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений (см. диаграммы). Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими. Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки. Таким же образом можно получить от трехфазного трансформатора более шести фаз постоянного напряжения: девять, двенадцать, восемнадцать и даже больше. Чем больше фаз (чем больше пар диодов) в выпрямителе, тем меньше уровень выходных пульсаций напряжения.
