Выпрямительные устройства и их характеристики
1. Структурная схема и параметры выпрямителей
ВЫПРЯМИТЕЛЬ — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.
Структурная схема выпрямителя
/>
Трансформатор регулирует напряжение до необходимой величины.
Вентильная группа содержит элементы с односторонней проводимостью: выпрямительные диоды в неуправляемых выпрямителях и тринисторы — в управляемых выпрямителях.
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Стабилизатор напряжения поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе Rн.
Существуют однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители.
2. Однофазные выпрямители. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяют три схемы:
однополупериодная;
двухполупериодная мостовая;
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:
Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора и активное сопротивление его обмоток равны нулю;
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:
большое значение коэффициента пульсаций />;
напряжение на нагрузке почти в 3 раза меньше, чем на диоде;
постоянная составляющая выпрямленного тока />значительно меньше тока />во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к его недостаточному использованию по току.
Двухполупериодная мостовая схема
/>/>
Iв 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.--PAGE_BREAK--
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:
Мостовая схема конструктивно проще, ее габариты, масса и стоимость ниже, чем трансформаторной схемы.
Максимальное обратное напряжение на закрытых диодах в мостовой схеме в 2 раза меньше (на каждый из двух диодов приходится половина напряжения).
Но в мостовой схеме необходимо в 2 раза больше диодов.
При выпрямлении токов I >Iпрmaxдля одного диода параллельно включают однотипные диоды с добавочными сопротивлениями:
/>
Величины токов определяются их сопротивлениями в прямом направлении. Но сопротивления диодов в прямых направлениях Rдпрдаже для однотипных диодов различны. Для выравнивания токов диодов последовательно включают добавочные сопротивления. Причем Rдв 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.
3. Сглаживающие фильтры
Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ).
Снижение пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания
/>,
где Kпи Kп’– коэффициенты пульсаций до и после фильтра.
Основными требованиями к сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.
У индуктивного элемента />, а у емкостного элемента
/>,
где k – номер гармоники.
Поэтому индуктивность устанавливают последовательно, а емкость – параллельно нагрузке.
Емкостной фильтр
/>
/>
Конденсатор заряжается до напряжения U2, когда U2 > Uс(интервал t1– t2). В течение интервала времени (t2– t3) напряжение Uс> U2– диод закрыт, а конденсатор разряжается через резистор Rнс постоянной времени />.
С момента времени t3Uс
То есть, когда диод пропускает ток конденсатор заряжается, а когда к диоду приложено обратное напряжение – конденсатор разряжается на нагрузку Rн.
Индуктивный фильтр
/>
/>
В течение положительного полупериода напряжения u2, когда ток i нарастает, индуктивная катушка Lфзапасает энергию, а в отрицательный полупериод – энергия расходуется на поддержание тока.
Длительность импульсов тока iнопределяется постоянной времени />. Чем больше индуктивность Lф, тем больше затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления />. Падает и среднее значение тока.
Обычно индуктивность Lфв однополупериодных схемах не применяют, а используют в двухполупериодных:
/>
Разновидности сглаживающих фильтров:
/>
LC- RC-фильтры; Г-, П-, Т- образные фильтры.
4. Внешние характеристики выпрямителей
Сопротивление нагрузки Rнпри работе изменяется, что вызывает изменение нагрузочного тока Iн.
Трансформаторы и вентили (диоды) имеют определенные величины активных сопротивлений Rтри Rпр. На этих сопротивлениях происходит падение напряжения от тока Iн, приводящее к изменению напряжения на нагрузке Uн. продолжение
--PAGE_BREAK--
Внешняя характеристика выпрямителя Uн(Iн).
/>,
где Uхх– выпрямленное напряжение при Iн=0;
/>— среднее значение падения напряжения на сопротивлении диода в прямом направлении;
/>— среднее значение падения напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора.
Внешняя характеристика определяет границы изменения нагрузочного тока, при котором выпрямленное напряжение не снижается ниже допустимой величины.
/>
1 – выпрямитель без фильтра (характеристика нелинейна из-за Rпр);
2 – Выпрямитель с емкостным фильтром;
В режиме ХХ (Iн=0) выпрямленное напряжение равно амплитудному значению Umхх, а без фильтра – среднему значению.
Для однополупериодного выпрямителя
/>;
Для двухполупериодного —
/>.
При росте тока нагрузки кривая 2 падает более резко, поскольку падение происходит также за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление, что снижает напряжение на нагрузке.
3 – Выпрямитель с Г-образным RC-фильтром. Дополнительное снижение напряжения вызвано падением напряжения на последовательно включенном резисторе Rф.