Рисунок 6 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.
Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции y=Em*(sin(w*t))І.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна:
Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно, то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно, больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора.
Частота пульсаций равна, где -- частота сети.
- Два полных моста параллельно
Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом.
Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 90°
- Два четвертьмоста параллельно
- Два полумоста параллельно
- Два полумоста последовательно
- Два полных моста параллельно
На двух параллельных полных мостах.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: то есть в раз больше, чем в однофазном полномостовом.
В режиме холостого хода и близких к нему ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратно смещает (закрывает) диоды моста с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно. При увеличении нагрузки (уменьшении) появляются и увеличиваются отрезки периода, на которых оба моста работают параллельно на общую нагрузку, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно. В режиме короткого замыкания оба моста работают параллельно на нагрузку на всём периоде, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
- Два полных моста последовательно
На двух последовательных полных мостах.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна: то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом.
Трёхфазные выпрямители
- Три четвертьмоста параллельно (схема Маткевича)
Наиболее распространены трёхфазные выпрямители по схеме Миткевича В. Ф. (на трёх диодах, предложена им в 1901 г.) и по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах, предложена в 1923 г.).
Выпрямитель по схеме Миткевича является четвертьмостовым параллельным, по схеме Ларионова -- полумостовым параллельным.
Рисунок 7 - Три четвертьмоста параллельно (Миткевича В. Ф.)
Рисунок 8 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)
Площадь под интегральной кривой равна:
ЭДС равна:
На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды в ветвях с меньшей на данном отрезке периода ЭДС и относительное эквивалентное активное сопротивление равно сопротивлению одной ветви При увеличении нагрузки (уменьшении) появляются и увеличиваются отрезки периода, на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно и относительное эквивалентное активное сопротивление на этих отрезках равно В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Частота пульсаций равна, где -- частота сети.
- Три разделённых полумоста параллельно (три «с удвоением напряжения» параллельно)
- Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником («треугольник-Ларионов»)
Рисунок 9 - Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником
Рисунок 10 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)
В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.
В выпрямителе "треугольник-Ларионов" потери в меди больше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».
Кроме этого, выпрямители Ларионова А.Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.
В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна:, то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.
В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (). Малый период равен 60° (р / 3), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (р / 6), которые зеркально симметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.
На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.
В начальный момент () ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,86*Em, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,86) и одинаковыми сопротивлениями по 3*r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3*r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,86, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема является параллельным включением двух ветвей, в одной из которых большая ЭДС и её сопротивление равно 3*r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2*3*r=6*r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно
Частота пульсаций равна, где -- частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна.
Относительная амплитуда пульсаций равна.
- Три полумоста параллельно, объединённые звездой («звезда-Ларионов»)
Рисунок 11 - Три полумоста параллельно, объединённые звездой
Рисунок 12 - Вид ЭДС схемы "Звезда-Ларионов"
Выпрямитель звезда-Ларионов (шестипульсный) применяется в генераторах электроснабжения бортовой сети почти на всех средствах транспорта (автотракторных, водных, подводных, воздушных и др.). В электроприводе тепловозов и дизель-электроходов почти вся мощность проходит через выпрямитель звезда-Ларионов.
Площадь под интегральной кривой равна:
.
Средняя ЭДС равна:
,
то есть в раз больше, чем в схемах «треугольник-Ларионов» и «три параллельных полных моста» и вдвое больше, чем в схеме Миткевича.
В этом выпрямителе есть большой период равный 360° и малый период, равный 60°. В большом периоде помещаются 6 малых периодов. Малый период в 60° состоит из двух зеркально симметричных частей по 30°, поэтому для описания работы этой схемы достаточно разобрать её работу на одной части в 30° малого периода.
В начале малого периода () ЭДС в одной из ветвей равна нулю, в двух других -- по 0,86*Em. Эти две ветви включены последовательно. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно Далее, одна из ЭДС. увеличивается от 0,86 до 1,0, другая уменьшается от 0,86 до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5.
Эквивалентная схема при этом представляет собой две последовательно включенные ветви, в одной из которых одна ЭДС и её сопротивление равно сопротивлению одной обмотки 3*r, в другой две параллельно включенные ЭДС с сопротивлением 3*r каждая, эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей равно 3*r/2. Эквивалентное активное внутреннее сопротивление всей цепи равно. В режимах близких к холостому ходу (при малых нагрузках) в параллельных ветвях э.д.с. в ветви с большей э.д.с. обратносмещает (закрывает) диод в ветви с меньшей э.д.с., при этом изменяется эквивалентная схема. При увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на нагрузку параллельно. В режиме короткого замыкания отрезки параллельной работы увеличиваются до длины всего периода, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Частота пульсаций равна, где -- частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна
.
Относительная амплитуда пульсаций равна.
- Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно (6 диодов)
Рисунок 13 - Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно (6 диодов)
Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.
Площадь под интегральной кривой равна:
.
Средняя ЭДС равна:, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».
- Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)
Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.
- Три полных моста параллельно (12 диодов)
Рисунок 14 - Три полных моста параллельно (тип 1)
Рисунок 15 - Три полных моста параллельно (тип 2)
Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А.Н.
По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А.Н., а выпрямитель Ларионова А.Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».
Рисунок 16 - Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)
Площадь под интегральной кривой равна:
.
Средняя ЭДС равна:, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».
В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно сопротивлению одного моста При увеличении нагрузки (уменьшении) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.
Выпрямитель «три параллельных полных моста» на холостом ходу имеет такую же среднюю ЭДС, как в выпрямителе «треугольник-Ларионов» и такие же сопротивления обмоток, но, так как у него схема с независимыми от соседних фаз диодами, то моменты переключения диодов отличаются от моментов переключения диодов в схеме «треугольник-Ларионов». Нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.
Частота пульсаций равна, где -- частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна
.
Относительная амплитуда пульсаций равна.
- Три полных моста последовательно (12 диодов)
Рисунок 17 - Три полных моста последовательно (12 диодов)
Площадь под интегральной кривой равна:
Средняя ЭДС равна:, то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».
Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть.
Частота пульсаций равна, где -- частота сети.
Этот выпрямитель имеет наибольшую среднюю ЭДС и может найти применение в высоковольтных источниках напряжения (в установках электростатической очистки промышленных и др.).
N-фазные выпрямители
Как и трёхфазные, многофазные выпрямители могут быть полномостовыми, полумостовыми и четвертьмостовыми, параллельными раздельными, параллельными объединёнными звёздами, параллельными объединёнными кольцами, последовательными, параллельно-последовательными.
Двенадцатипульсовый статический выпрямитель
Представляет собой параллельное (или иногда последовательное) включение двух выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз входных трёхфазных токов. При этом вдвое увеличивается число выпрямленных полупериодов по сравнению с обычным выпрямителем Ларионова из-за чего уменьшается относительная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения и вдвое увеличивается частота пульсаций выпрямленного напряжения, что также облегчает сглаживание выпрямленного напряжения.
Выпрямители с умножением напряжения
Выпрямители с умножением напряжения применяются в тех случаях, когда по каким-то причинам входное переменное напряжение должно быть ниже, чем выходное постоянное. К примеру, в отечественных телевизорах, начиная с некоторых моделей от последних серий УЛПЦТИ и вплоть до 4УСЦТ применялся умножитель высокого напряжения в цепи анода кинескопа.
- Выпрямитель Вилларда
Состоит из конденсатора, включенного последовательно с обмоткой, и диода, включенного параллельно нагрузке. Во время отрицательного полупериода ток течёт по цепи: «источник переменного тока -- конденсатор -- диод», конденсатор заряжается. Во время положительного полупериода заряженный конденсатор включается последовательно с трансформатором, напряжения на них складываются.
Особенность данного выпрямителя в том, что в качестве сглаживающего фильтра обязательно должен использоваться дроссель, так как конденсатор во время отрицательного полупериода будет разряжаться.
- Выпрямитель Грейнахера
Этот выпрямитель содержит 2 диода. Принцип действия тот же, что и у выпрямителя Вилларда, но в качестве сглаживающего фильтра можно использовать конденсатор. Такая схема часто используется в качестве амплитудного детектора в радиоприёмниках.
- Мостовой удвоитель напряжения
Мостовой удвоитель напряжения напоминает мост Гретца, но в отличие от него в одном из плеч моста вместо диодов установлены конденсаторы. За счёт этого во время каждой полуволны во входную цепь подключается то один, то другой конденсатор, а напряжение на выходе выпрямителя складывается из напряжений на двух конденсаторах.
Преобразователи переменного тока в постоянный с изменения параметров
Преобразователем переменного тока в постоянный с изменением параметров являются тиристорные выпрямители.
Тиристорные выпрямители охватывают средний и верхний диапазоны мощностей. Именно при высоких выходных напряжениях и больших токах тиристор -- наиболее удачный полупроводник в электротехнике. Управление осуществляется комбинированным транзисторно-тиристорным силовым элементом. Как правило, в выпрямителях применяются мостовые коммутируемые схемы выпрямления. Тиристорные выпрямители применяются как для непосредственного питания потребителей, так и, одновременно, для подзаряда аккумуляторных батарей в устройствах бесперебойного электропитания.
Типовые схемы
Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах
На первых двух рисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 в (Рисунок 18) и от 0,5 до 15 в (Рисунок 19).
В течение одного полупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катода напряжение.
Рисунок 18 - Принципиальная схема выпрямителя №1
Пока на управляющий электрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска, тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольный угол задержки б между напряжениями на управляющем электроде и катоде прикладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание тока через тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярности напряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величины управляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинает работать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению к приложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания тока и приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленного тока (напряжения) нагрузки от максимума (б = 0) до нуля (б = р). Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. Диоды Д3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время, когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широких пределов регулировки б (0 -- р) применены RC - цепи.
В выпрямителе (Рисунок 19) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и в отрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, что приводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, к уменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этого явления включен диод Д3.
Рисунок 19 - Принципиальная схема выпрямителя №2
Тиристоры для выпрямителя ( Рисунок 18) желательно выбирать с близким значением сопротивления участка управляющий электрод -- катод. Если не удается подобрать одинаковые тиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительного сопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величины сопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток. Поочередно отключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя. Переменное сопротивление величиной 10 кОм подключается параллельно управляющему электроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток. Изменяя величину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.
Учитывая разброс параметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 и R2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется как остаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение не приводит к увеличению тока нагрузки. Максимальная величина R1 ограничивается сопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю. Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см (Рисунок 18), 250 кв.см - (Рисунок 19). Во всех вариантах использован трансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят провод марки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм. Данные вторичных обмоток: для варианта на Рисунок 18 - число витков 2х60 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на Рисунок 19 - число витков 2х64 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.
Преобразователи постоянного тока в переменный
Преобразователями постоянного тока в переменный являются инверторы.
Инвертор -- устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток[1] с изменением величины напряжения или без и частоты. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде или дискретного сигнала.
Различают управляемы и неуправляемые инверторы. Управляемые инверторы выполняются на базе тиристоров(однофазные инверторы), неуправляемые выполняются на базе диодов(трехфазные, n-фазные инверторы).
Преобразователи постоянного тока в постоянный без изменением параметров
Преобразователями постоянного тока в постоянный без изменением параметров явряются однофазные инверторы.
Однофазный инвертор
Инвертор автомобильный. Преобразует постоянное напряжение бортовой сети (12В) в переменное напряжение бытовой электросети (220В).
Рисунок 20 - Синусоида, снятая в сети 220