Назначение и параметры выпрямителей, эквивалентные схемы нагрузок

Выпрямители

Выпрямителями называются устройства, преобразующие пере­менный электрический ток в постоянный.

Источником электроэнергии на промышленных предприятиях и судах обычно является электрическая сеть переменного тока.

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

В то же время существует большое число потребителей, для, ко­торых необходим постоянный ток, — это электроприводы постоян­ного тока, электронные устройства, электросварочные агрегаты, системы возбуждения синхронных генераторов и т. д. Питание электроэнергией потребителей постоянного тока от сети перемен­ного тока осуществляется через выпрямители.

На рис. 1 представлена структурная схемами графики напря­жений выпрямителя. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы (группы выпрямительных диодов или тиристо­ров) и сглаживающего фильтра. При подаче на вход выпрями­теля - на первичную обмотку трансформатора - переменного на­пряжения u₁(t)на выходе выпрямителя - на нагрузке - появляется постоянное напряжение u.

Трансформатор предназначен для получения на нагрузке необ­ходимого постоянного напряжения U. Как будет показано ниже, величина U зависит от действующего значения переменного напря­жения U₂ на вторичной обмотке трансформатора. Выбирая коэф­фициент трансформации трансформатора можно при заданном действующем значении напряжения сети U₂ получить такое напря­жение U₂, чтобы обеспечить на нагрузке необходимый уровень по­стоянного напряжения U.

Вентильная группа преобразует переменное напряжение u₂(t), поступающее со вторичной обмотки трансформатора, в постоянное по знаку напряжение U₃. Фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения U₃ и применяется в тех случаях, когда пуль­сации напряжения U₃ на выходе вентильной группы превышают допустимые для данной нагрузки.

Выпрямители подразделяют на группы следующим образом:

1.однофазные и трехфазные - в зависимости от числа фаз входного переменного напряжения.

2.управляемые и неуправляемые - в зависимости от того, позволяет схема выпрямителя регулировать выходное постоянное напряжение или нет;

3.маломощные (с выходной мощностью до 1 кВт), средней мощ­ности (до 100 кВт) и большой мощ­ности (более 100 кВт).

Для маломощных выпрямите­лей применяют однофазные схемы выпрямления. Для выпрямителей средней и большой мощности ис­пользуют, как правило, трехфазные схемы выпрямления, так как мощные трехфазные трансформа­торы легче и меньше по габа­ритам, чем однофазные той же мощности.

К основным параметрам и характеристикам выпрямителей отно­сятся:

-средние значения выпрямленного напряжения и тока U_ср, I_ср;

-коэффициент пульсаций

,

где U_оснm - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

-внешняя характеристика

;

-регулировочная характеристика U_ср=f(α), где α-угол управления тиристорами(используется только для управляемых выпрямителей).

Режим работы выпрямителя зависит от вида фильтра и потребителя. Как уже было отмечено, выпрямители используются для питания электроэнергией постоянного тока большого числа разно­образных потребителей, по при анализе работы выпрямителей все потребители и фильтры можно привести к нескольким видам эк­вивалентных схем, состоящих из идеализированных элементов R,L, С и источника ЭДС Е. Эквивалентные схемы фильтра и потре­бителя в дальнейшем будем называть нагрузкой выпрямителя.

Наиболее распространенными видами нагрузки выпрямителей средней и большой мощности являются активно-индуктивная на­грузка (рис. 2, а) и активно-индуктивная нагрузка, содержащая ЭДС (рис. 2, б). Примером активно-индуктивной нагрузки являются обмотки возбуждения двигателей постоянного тока и синхронных генераторов. Активно-индуктивная нагрузка, содержащая ЭДС, - эквивалентная схема обмотки якоря двигателей постоянного тока, сварочных устройств с индуктивным фильтром. ЭДС нагрузки имеет направление, противоположное направлению вы­прямленного напряжения, поэтому ее называют встречной.

В этом разделе будет рассмотрена работа выпрямителей на два назван­ных вида нагрузки. Работа реальных выпрямителей на активную нагрузку практически не встречается, но для понимания прин­ципа действия выпрямителей мы рассмотрим и этот случай (рис. 2, в).

Рис.2. Схемы нагрузок выпрямителей

При анализе работы выпрямителей будем предполагать, что трансформатор и выпрямительные диоды идеальные, т. е.:

1)активные сопротивления обмоток трансформатора равны
нулю, магнитные потоки рассеяния и потери в стали отсут­ствуют;

2)электрическое сопротивление диода при прямом напряжении равно нулю, при обратном - бесконечно велико.