2233

а

б

Рис. 7. Временные диаграммы входного (а) и выпрямленного (б) напряжений однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя

Коэффициент пульсации такой же, как и в схеме с нулевой точкой

Р = 0,67.

Сравнив эти типы выпрямителей, можно заключить, что выходные параметры Uн.ср I н.ср, Р у них одинаковы. Материальные затраты: у мостового выпрямителя 4 диода,у выпрямителя с нулевой точкой 2 диода.

Мостовой выпрямитель имеет трансформатор с двумя обмотками, тогда как двухдиодный выпрямитель требует трехобмоточный трансформатор. Преимуществом мостового выпрямителя является меньшее обратное максимальное напряжение на диоде. Однофазные двухполупериодные выпрямители применяют для питания нагрузочных устройств малой и средней мощностей.

Трехфазные выпрямители

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощности. Существуют два основных типа выпрямителей: с нулевой точкой (однополупериодные) и мостовые (двухполупериодные). Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя с нулевой точкой приведена на рис. 8.

10

Рис. 8. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя с выводом

Трехфазный однополупериодный (с нулевой точкой) выпрямитель

В этом выпрямителе к нагрузке подводятся только положительные полупериоды фазных напряжений UA, UB, UC. В любой момент времени по нагрузке протекает ток той обмотки трансформатора, которая имеет наибольшее напряжение положительного направления. По существу, это трехфазный однополупериодный выпрямитель.

а

б

Рис. 9. Временные диаграммы входных фазных (а) и выходного на нагрузке (б) напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя

Из диаграммы (рис. 9) видно, что каждая обмотка и вентиль работают только в течение 1/3 периода, поэтому средние значения напряжения и тока нагрузки равны их средним значениям за 1/3 периода:

11

Коэффициент пульсаций р=0,25. Максимальное обратное напряжение на каждом закрытом диоде равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора

Uобр.max = 32Uф Umax.лин 2,09Uн.ср.

Средний и максимальный прямые токи диодов определяются выражениями

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, средние значения выпрямленного тока в которых составляют сотни ампер, а напряжение десятки киловольт. К достоинствам следует отнести высокую надежность, что определяется минимальным количеством диодов. Недостатком этого выпрямителя является подмагничивание сердечника постоянным током, что приводит к снижению КПД.

Трехфазный мостовой выпрямитель

Этот тип выпрямителя имеет 6 диодов (рис. 10), но по всем показателям превосходит выпрямитель с нулевой точкой.

Рис. 10. Трехфазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель

12

Здесь происходит двухполупериодное выпрямление линейного напряжения. Отрицательный полупериод тока протекает по нагрузочному резистору в том же направлении, что и положительный. Как и в трехфазном однополупериодном выпрямителе, каждая пара диодов работает поочередно, но только в течение 1/6 периода, когда одно из линейных напряжений больше остальных. Анализ работы удобно провести с помощью временных диаграмм напряжений и токов (рис. 11, а, б).

t1 t2 t3

а

б

Рис. 11. Временные диаграммы фазных линейных (а) и выпрямленного напряжений (б)

На рис. 11, а приведена диаграмма фазных напряжений, относительно которой строится диаграмма линейных напряжений, подводимых через диоды к нагрузочному резистору. Следует отметить, что колебания линейных напряжений опережают по фазе колебания фазных на 30 , и амплитуда

линейных в 3 раз больше амплитуды фазных, что известно из курса электротехники.

13

В интервале времени t1 t2 наибольшего значения достигает положительная полуволна линейного напряжения UAB, и через диоды В1, В4 и нагрузочный резистор протекает ток. В интервале t2 t3 наибольшего значения достигает отрицательная полуволна линейного напряжения UCA и под его воздействием через диоды В1, В6 проходит отрицательная полуволна линейного тока, причем по резистору ток течет в том же направлении.

Из временных диаграмм видно, что среднее значение выпрямленного напряжения равно среднему за интервал t1 t2, т.е. 1/6 периода.

где Uл – действующее значение линейного напряжения; Uф действующее значение фазного напряжения.

Как и в трёхфазном однополупериодном выпрямителе, максимальное значение обратного напряжения, приложенного к диоду, равно амплитуде линейного напряжения:

Uобр. max =U ф.max 3 1,045Uн.ср .

Следовательно, диоды в этом выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению, близкому к Uн.ср. КПД этого выпрямителя выше, чем у выпрямителя с нейтральным проводом. Коэффициент пульсаций снизился до р=0,057.

Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.

Коэффициенты пульсации для рассмотренных выпрямителей имеют следующие значения:

Однофазный однополупериодный…………. 1,57 Однофазный двухполупериодный…………. 0,67 Трехфазный с нейтральным выводом……... 0,25 Трехфазный мостовой………………………. 0,057

В подавляющем большинстве случаев напряжение с такими пульсациями непригодно для питания электронных устройств. В зависимости от назначения этих устройств коэффициент пульсации может достигать величины р=10-7. Для получения таких коэффициентов используют различные фильтры.

14

Основными элементами фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки, резисторы, транзисторы. Параметром, характеризующим эффективность действия фильтров, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе.

q= рвх .

рвых

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры, по количеству фильтрующих звеньев – однозвенные, многозвенные.

Емкостные фильтры

Известно, что емкость для постоянного тока является бесконечно большим сопротивлением. В цепи с емкостью ток будет существовать до тех пор, пока она не зарядится до величины напряжения питающего источника постоянного напряжения. Если к выходу однополупериодного выпрямителя подключить емкость (рис. 12), то на холостом ходу она зарядится до амплитудного значения напряжения в момент t1 (рис. 13). Когда напряжение начнет уменьшаться, емкость разряжаться не будет, так как диод закрыт. При идеальном диоде напряжение на выходе не будет иметь пульсаций и будет равно амплитудному значению питающего напряжения.

При подключении нагрузочного резистора емкость будет разряжаться через резистор тем интенсивнее, чем меньше сопротивление резистора. В следующую положительную полуволну напряжение на емкости снова достигнет амплитудного значения с последующим разрядом через резистор. Таким образом, выпрямленное напряжение становится пульсирующим

(см. рис. 13).

В двухполупериодном выпрямителе физический процесс с емкостным сглаживающим фильтром аналогичен. Разница лишь в том, что положительные полуволны следуют друг за другом в два раза чаще. Но и в этом случае напряжение на холостом ходу будет равно амплитудному значению и не будет иметь пульсаций (рис. 14). Анализ работы емкостных фильтров показывает, что нагрузкой выпрямителей с такими фильтрами должны быть потребители с высокоомным входом. Мощность потребителей не более нескольких десятков ватт.

15

Рис.12. Однофазный однополупериодный выпрямитель с емкостным фльтром

t1

Рис.13. Временные диаграммы выходного напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром

uн

t1

Рис. 14. Пульсации напряжения в двухполупериодном выпрямителе с емкостным фильтром при различных нагрузках

Индуктивные фильтры

Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 15). Индуктивный элемент не представляет сопротивления постоянному току, но препятствует всякому изменению величины тока в нем. При возрастании тока индуктивность препятствует его нарастанию, накапливая энергию, при уменьшении тока она отдает накопленную энергию, препят-

16

ствуя уменьшению тока. На временной диаграмме напряжений (рис. 16) однополупериодного выпрямителя видно, что пульсации напряжения после фильтра уменьшаются.

Рис. 15. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем

Рис. 16. Временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром

Совершенно очевидно, что индуктивный фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше Lф и меньше Rн.

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощностей, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами.

Г-образные фильтры

Г-образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Бывают LC-типа (рис. 17, а) и RC-типа (рис.17, б ). Их применяют тогда, когда с помощью однозвенных фильтров не выполняется предъявляемое к ним требование с точки зрения получения необходимых коэффициентов сглаживания.

Снижение пульсаций LC фильтром объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора.

17

Рис. 17. Схемы Г-образных LC фильтра (а) и RC фильтра (б)

П-образные фильтры

П-образные фильтры относятся к многозвенным фильтрам, так как состоят из емкостного фильтра и Г-образного. Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих звеньев.

а б

Рис. 18. Схемы П-образных LC-фильтра (а) и RCфильтра (б)

Коофициент сглаживания П-образного фильтра

Q=qc qr .

Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость на-

пряжения на нагрузочном устройстве от тока: Uн f(Iн). Эти зависимости не являются прямыми линиями, параллельными оси абсцисс, что объясняется сопротивлениями обмоток трансформатора и диодов в прямом направлении. На сопротивлениях возникает падение напряжения, приводящее к снижению напряжения на выходе выпрямителя.

В выпрямителе без фильтра выпрямленные напряжения и ток связаны между собой зависимостью

Uн = Uн. х. х – Iн(Rпр + Rтр),

где Uн. х. х – напряжение на выходе выпрямителя на холостом ходу при Iн=0.

18

2

3 1

Рис. 19. Внешние характеристики выпрямителя с различными фильтрами

На рис. 19 изображена зависимость Uн = f(Iн) выпрямителя без фильтра (кривая 1). Кривая нелинейна, что объясняется нелинейностью вольтамперных характеристик диодов.

Кривая 2 на рис. 19 соответствует выпрямителю с емкостным фильтром. На холостом ходу выпрямленное напряжение равно амплитудному значению вторичного напряжения трансформатора. С ростом нагрузки кривая 2 асимптотически приближается к кривой 1 и при Rн=0 они придут в одну точку на оси абсцисс. Внешняя характеристика Г-образного RCфильтра имеет ещё более крутой наклон, чем кривая 2. Это вызвано дополнительным падением напряжения на последовательно включенном резисторе Rф.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

На практике часто возникает необходимость не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и управлять величиной выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного, так и в цепи выпрямленного напряжения. Для управления в цепи переменного напряжения используют специальные регулируемые трансформаторы, реостаты, потенциометры. Однако более экономичным и удобным способом является управление выпрямленным напряжением (током). Для этого используют управляемые выпрямители.

19