2 Схемы неуправляемых выпрямителей

2.1 Общие сведения

В настоящее время все основные схемы выпрямления принято делить по числу фаз питающей сети на: схемы выпрямления однофазного тока и схемы выпрямления трехфазного тока. Кроме того, по способу формирования выходного напряжения схемы делятся на однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). Однополупериодными называются схемы, в которых для формирования кривой выходного напряжения используется только одна (например, положительная) полуволна напряжения питающей сети. Соответственно, двухполупериодными называются схемы, в которых для формирования кривой выходного напряжения используются обе полуволны напряжения питающей сети.

Кроме того, принято различать схемы по способу их построения на мостовые схемы и схемы с выводом нулевой точки трансформатора.

При работе выпрямителя без фильтра, кривая выходного напряжения имеет вид однополярных волн – "пульсов". Число таких волн за период напряжения питающей сети называется пульсностью схемы. Пульсность схемы выпрямления обозначается параметром , который можно рассматривать как произведение числа вторичных фаз трансформатора на некоторое (кодовое) число , причем для схем с выводом нулевой точки, и, соответственно, для мостовых схем. Пульсность схемы определяет кратность частоты первой гармоники пульсаций выходного напряжения выпрямителя по отношению к частоте питающей сети:

, (3.1)

где - частота первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения, Гц;

- частота напряжения питающей сети, Гц.

К основным схемам выпрямления однофазного тока принято относить однополупериодную схему (рис. 1.2), двухполупериодную с выводом нулевой точки трансформатора и однофазную мостовую схему. К основным схемам выпрямления трехфазного тока относятся однополупериодные схемы с выводом нулевой точки трансформатора, исполнение которых возможно в нескольких вариантах, в зависимости от способа включения обмоток трансформатора, и трехфазная мостовая схема.

В практических установках, особенно большой мощности, довольно часто используются, так называемые, каскадные схемы, состоящие из двух или более блоков, построенных на базе основных схем выпрямления. Эти блоки могут быть включены параллельно или последовательно, причем каждый блок может быть запитан от отдельной системы обмоток сетевого трансформатора или от отдельного трансформатора, с формированием трехфазной системы вторичных эдс, сдвинутых по фазе относительно системы входного напряжения на определенный угол. К таким схемам, относится выпрямитель по схеме "две обратных звезды с уравнительным реактором", а также выпрямитель по "12-фазной эквивалентной схеме".

Ниже дан анализ и расчетные соотношения для основных схем выпрямления однофазного и трехфазного тока при допущении об идеальности элементов схемы и при чисто активной нагрузке.

2.2 Однополупериодная схема выпрямления однофазного тока

( )

Схема выпрямителя показана на рис. 1.2, а развертки процессов в ней на рис. 1.3. В дальнейшем, если это не оговаривается особо, будем считать, что элементы схемы идеальны и, соответственно, коммутация тока в схеме происходит мгновенно. Для выбора элементов схемы необходимо иметь расчетные соотношения, позволяющие определить параметры трансформатора и диода. Перечень соответствующих величин был приведен в подразделе 1.3.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется соотношением:

, (2.2)

где - действующее значение эдс вторичной обмотки;

- "безразмерное время" (независимая переменная, в долях периода напряжения питающей сети);

- среднее значение выходного напряжения идеальной схемы выпрямления, равное среднему значению эдс холостого хода реального выпрямителя.

Решив (2.2) относительно получим величину эдс вторичной обмотки трансформатора, требуемую для получения заданного среднего значения выходного напряжения:

. (2.3)

Поскольку мгновенное значение тока во всех элементах схемы одинаково, то амплитуда анодного тока равна:

. (2.4)

Соответственно, среднее значение тока диода равно среднему значению тока нагрузки :

. (2.5)

Из (2.5) следует, что амплитуда анодного тока диода в этой схеме, приблизительно, в 3 раза больше его среднего значения. Это отношение ( ) называется кратностью анодного тока и в большинстве схем приблизительно равно трем.

Амплитуда обратного напряжения на диоде, необходимая для выбора диода, определяется амплитудой эдс вторичной обмотки трансформатора:

. (2.6)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора можно вычислить по (1.12) или (1.15) и с учетом (2.5) будем иметь:

. (2.7)

При расчете действующего значение тока первичной обмотки трансформатора необходимо учесть, что постоянная составляющая тока вторичной обмотки, равная среднему значению тока нагрузки , в первичную обмотку не трансформируется.

С оответствующие кривые токов первичной и вторичной обмоток трансформатора показаны на рис. 2.1(а) и 2.1(б). Таким образом, нагрузочная составляющая тока первичной обмотки (т.е. приведенный к первичной обмотке ток нагрузки трансформатора) не содержит постоянной составляющей и определяется соотношением:

, (2.8)

где , - числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, соответственно.

- коэффициент трансформации трансформатора.

Соответственно, действующее значение тока первичной обмотки трансформатора можно найти по определению:

(2.9)

Используя (2.3) и (2.7), можно определить расчетную мощность вторичной обмотки трансформатора:

. (2.10)

Соответственно, через (2.3) с учетом (1.2) и (2.9), можно определить мощность первичной обмотки трансформатора:

. (2.11)

Следовательно, типовая мощность трансформатора может быть найдена с использованием (2.10) и (2.11):

. (2.12)

Уравнение (2.12) показывает, что типовая мощность трансформатора значительно превышает мощность, отдаваемую в нагрузку. Увеличение расчетной мощности обмоток трансформатор объясняется искажением формы тока в обмотках, а коэффициент в (2.12) показывает, какую мощность можно было бы передать через трансформатор при синусоидальной форме токов в обмотках.

Плохое использование активных материалов трансформатора, а также плохая форма выпрямленного напряжения, являются существенными недостатками простейшей схемы выпрямления. Кроме того, на практике, наличие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке приводит к несимметричному перемагничиванию сердечника, вызывающего уменьшение магнитной проницаемости магнитопровода и соответствующее увеличение тока намагничивания трансформатора. Это заставляет еще больше увеличивать расчетную мощность трансформатора. Перечисленные недостатки приводят к тому, что данная схема используется лишь в маломощных, вспомогательных источниках питания, в которых простота схемы, содержащей лишь один диод, оказывается решающим фактором.