Лекция №27

Тема лекции: Выпрямление переменного тока

План лекции:

1. Электрические вентили.

2. Схемы выпрямителей.

3. Методы расчета нелинейных цепей переменного тока.

1. Электрические вентили.

Нелинейные сопротивления с резко выраженной несимметрией характеристики относительно начала координат, т.е. с односторонней проводимостью называются электрическими вентилями.

Электрические вентили являются безынерционными нелинейными элементами, т.е. у них статическая характеристика совпадает с динамической характеристикой. Они применяются для выпрямления переменного напряжения. Под выпрямлением переменного напряжения понимают процесс преобразования переменного напряжения в постоянное или пульсирующее.

Выпрямители – это устройства, предназначенные для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Выпрямители состоят из трансформатора, вентильной схемы, фильтра.

Важным параметром выпрямителя есть кратность пульсаций выпрямленного напряжения m – отношение частоты пульсации выпрямленного напряжения к частоте сети.

Выпрямители классифицируются:

- по числу фаз – однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные);

- по управлению – неуправляемые (на диодах) и управляемые (на тиристорах).

По принципу действия выпрямители бывают однотактные и двухтактные. В однотактных (однополупериодных) схемах ток во вторичной обмотке трансформатора протекает только один раз за период напряжения сети и только в одном направлении.

Самый важный узел выпрямителя – вентильная схема.

2. Схемы выпрямителей

Рассмотрим некоторые схемы выпрямителей.

1. Однофазная однополупериодная (рис. 27.1), неуправляемая, m = 1.

На рис. 27.2 показан графический метод нахождения формы кривой тока. На этом графике i(u_н) – характеристика линейного сопротивления R_н, i(u_д) – характеристика вентиля, i(u) – результирующая этих двух характеристик, напряжение на входе – u(t), график тока – i(t).

П ри анализе и расчете выпрямителя используют метод кусочно-линейной аппроксимации, т.е. характеристику цепи рис. 27.1 можно представить как результирующую характеристику двух последовательно соединенных элементов: линейного сопротивления с характеристикой i(u_н) и идеального вентиля с характеристикой i(u_д). Идеальным вентилем будем считать вентиль, имеющий сопротивление, равное нулю при положительных значениях u и i (R_пр=0), и бесконечно большое сопротивление при отрицательных значениях u и i (R_обр=∞) (рис. 27.3).

Если к такой цепи приложить синусоидальное напряжение , то ток будет представлять периодическую несинусоидальную функцию в виде положительных полуволн синусоиды.

При .

При ,

где . Угол , после которого ток до конца цикла равен нулю, называют углом отсечки. В данном примере угол отсечки - .

, где к – четные гармоники.

Здесь постоянная составляющая тока (среднее значение)

.

Действующее значение тока

.

Активная мощность, подводимая к вентилю и нагрузке

.

Полная мощность, подводимая к цепи

,

Коэффициент мощности меньше 1: .

Т.к. сопротивление нагрузки активное, реактивная мощность равна 0, значит мощность искажений

.

Полезная мощность, отдаваемая нагрузке, определяется мощностью постоянной составляющей

.

Эффективность, с которой переменный ток преобразуется в постоянный ток, можно оценить коэффициентом

.

При .

Следует отметить, что когда диод закрыт, к нему приложено максимальное обратное напряжение, равное амплитудному напряжению. Необходимо выбирать диод по устойчивости к обратному напряжению.

2. Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом (рис. 27.4), m = 2.

Вторичная обмотка трансформатора имеет вывод – нулевой вывод. w₂=w₂₂=w₂₁, поэтому напряжения относительно нулевой точки тоже одинаковые. U₂₁=U₂₂, но противоположны по фазе. Коэффициент трансформации n=w₁/w₂. Первую полуволну ток пропускает диод VD1, а вторую полуволну ток пропускает диод VD2 . По нагрузке ток течет каждую полуволну в одинаковом направлении.

В разложениях напряжения на нагрузке и тока нагрузки отсутствует гармоника основной частоты.

Так для тока в нагрузке ряд Фурье запишется

Среднее и действующее значения тока нагрузки

, где .

Следовательно, при двухполупериодном выпрямлении постоянная составляющая тока вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении.

Активная мощность, подводимая к выпрямительному устройству

.

Активная мощность, отдаваемая нагрузке

.

Эффективность, с которой переменный ток преобразуется в постоянный ток, коэффициент

.

При .

Максимальное значение обратного напряжения равно удвоенному амплитудному.

3. Однофазная мостовая схема (рис. 27.5) m = 2.

Мостовой однофазный выпрямитель состоит из трансформатора и четырех выпрямительных диодов, соединенных в мостовую схему. Диоды VD1, VD3 составляют катодную группу, а диоды VD2, VD4 составляют анодную группу. В одну диагональ моста включена нагрузка, а во вторую –вторичная обмотка трансформатора. Через нагрузку ток течет всегда в одном направлении. Достоинство схемы – обратное напряжение на диоде в два раза ниже, чем в предыдущей схеме. Недостаток схемы – удвоенное количество диодов.

4. Трехфазная с нулевым выводом

(однополупериодная) схема (схема Миткевича) (рис. 27.6), m = 3.

В схеме диоды работают поочередно. Когда положительное фазное напряжение u_В превысит напряжение u_А, диод в фазе А запирается, начинает работать диод в фазе В. Затем, когда положительное фазное напряжение u_С превысит напряжение u_В, диод в фазе В запирается, начинает работать диод в фазе С, и т.д. Напряжение на нагрузке пульсирует с частотой в три раза большей частоты сети и имеет в своем составе кроме постоянной составляющей гармоники кратные трем.

5. Трехфазная мостовая (двухтактная) схема (схема Ларионова) (рис. 27.7), m = 6. Напряжение на нагрузке пульсирует с частотой в шесть раз большей частоты сети, и кроме постоянной составляющей содержит гармоники кратные шести.

3. Электрические фильтры

Схема выпрямителя дополняется сглаживающим фильтром, который снижает уровень пульсации выпрямленного напряжения.

Наиболее распространены пассивные сглаживающие фильтры, которые строятся на реактивных элементах, обладающих способностью накапливать энергию – дросселях и конденсаторах, у которых величина накопленной энергии составляет

Индуктивный фильтр – это дроссель, соединенный последовательно с нагрузкой. Фактически вместе с нагрузкой он представляет собой частотно-зависимый делитель напряжения. Эффект фильтрации будет в случае, если сопротивление дросселя переменной составляющей пульсирующего тока значительно больше активного сопротивления нагрузки. Тогда все постоянное напряжение будет прикладываться к (падение напряжения на идеальном дросселе отсутствует), а переменные составляющие делятся между и .

Емкостной фильтр – это конденсатор, который включается параллельно нагрузке. Если сопротивление конденсатора переменной составляющей пульсирующего тока значительно меньше активного сопротивления нагрузки , то происходит шунтирование нагрузки по переменному току (переменные составляющие делятся между и ), а постоянный ток весь пройдет через нагрузку, т.к. конденсатор не пропускает постоянной составляющей.

Схемы этих фильтров изображены на рис. 27.8.

Наряду с простыми фильтрами используются сложные фильтры.

Наибольшее применение имеют

Г-образные -фильтры и П-образные фильтры, которые представляют собой определенным образом соединенные дроссели и конденсаторы. Г-образные и П-образные фильтры бывают однозвенные и многозвенные.

Схема Г-образного фильтра изображена на рис. 27.9,а. Схема П-образного фильтра изображена на рис. 27.9,б.

Эффективность работы фильтра определяется коэффициентом сглаживания

,

где - пульсация на входе фильтра,

- пульсация на выходе фильтра.

ЛЕКЦИЯ №28

Тема лекции: Нелинейные магнитные цепи при постоянных