Краткие сведения из теории

Большое число потребителей требуют для своей работы энергию постоянного тока. Преобразование энергии переменного тока в пос­тоянный осуществляется с помощью выпрямителей. Основными элемен­тами выпрямителей являются; диод, преобразующий переменный ток в постоянный; трансформатор, согласующий напряжение на входе выпрямителя с напряжением сети; фильтр для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

В ряде случаев на выходе выпрямителя устанавливается элек­тронный стабилизатор, поддерживающий постоянство выпрямленного напряжения при уменьшении напряжения сети и тока нагрузки.

Наиболее простой является схема однополупермодного выпрями­теля, показанная на рис. 3а. Напряжение переменного тока подво­дится к диоду и последовательно включенной с ним активной наг­рузке.

Вследствие односторонней проводимости диода, на нагрузке образуются импульсы напряжения полусинусоидальной формы. Во вре­мя отрицательного полупериода приложенного напряжения диод закрыт. Напряжение на нагрузке:

где U₂ - действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Действующее значение тока

Разлагая кривую напряжения на нагрузке (рис. 3б) в ряд Фурье, увидим, что она состоит из постоянной составляющей и ряда пере­менных составляющих синусоидальной формы (гармоники):

Наибольшую амплитуду имеет первая гармоника напряжения, равная

Пульсации напряжения на выходе выпрямителя оцениваются коэффи­циентом пульсации q, равным отношению наибольшей амплитуды гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения:

Диод в однополупериодной схеме должен выдерживать обратное нап­ряжение, равное амплитуде U_{2 MAX} = (риc. 3).

Недостатками рассмотренной схемы являются: большие размеры и вес трансформатора вследствие плохого использования обмоток; значительная величина обратного напряжения; большая амплитуда тока, протекающего через диод и низкая частота пульсаций, что при­водит к увеличению размеров и веса сглаживающих фильтров.

Эти недостатки устраняются в двухполупериодных схемах вып­рямления. На рис.4 приведена однофазная мостовая схема выпрямле­ния. В схеме имеются две группы вентелей, которые образуют мост. В одну из диагоналей моста включен источник питания переменного напряжения, в другую – нагрузочное сопротивление.

Одну половину периода два диода (VД1, VД2) в противолежащих плечах моста проводят ток, а другие два диода заперты, на них действует обратное напряжение, равное U_{2 MAX}. Вторую половину пе­риода два других диода (VДЗ, VД4) проводят ток, а два первых диода заперты.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке

Действующее значение тока нагрузки

Коэффициент пульсации , где – максимальное значение второй гар­моники напряжений (первая гармоника в разложении кривой в ряд Фурье отсутствует).

Мостовая схема двухпериодного выпрямления обладает рядом существенных преимуществ: на вторичной обмотке трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения требуется вдвое меньшее напряжение; отсутствует намагни­чивание сердечника; через диод протекают токи, меньшие по ампли­туде; схема имеет более низкий коэффициент пульсаций и большую частоту пульсаций.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления, предложенной А.Н. Ларионовым, совмещаются принципы однофазной мостовой схемы вып­рямителя и многофазного выпрямления (рис.5). Половина диодов цепи образуют группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины - все анодные. В каждый данный момент рабо­тает тот диод первой группы, у которого анодный вывод в это вре­мя имеет положительный наибольший потенциал, а вместе с ним диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал.

Среднее значение выпрямленного напряжения

где m - число пульсаций; U_MAX – максимальное значение напря­жения.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в такой схеме равна удвоенному числу фаз, выпрямителей, т.е. шесть пульсаций за период

;

При разложении кривой напряжения (рис.4б) в ряде Фурье макси­мальное значение основной гармоники пульсаций будет равно:

Коэффициент пульсации

К достоинствам выпрямителей трехфазного тока следует от­нести: возможность получения большой мощности; малые пульсации у выпрямленного напряжения.

Для сглаживания пульсаций напряжений на нагрузке в схемах выпрямления применяются фильтры, состоящие из реактивных эле­ментов -емкостей и индуктивностей. Включение емкости параллель­но нагрузке ограничивает пульсации в кривой напряжения. При условии конденсатор создает в цели выпрямителя значи­тельную емкостную составляющую тока. При наличии емкости в схе­ме выпрямителя (риc. 6а) во время положительных полупериодов ем­кость С заряжается через проводящий диод, во время отрицательных полупериодов разряд емкостей происходит через R , которое много больше сопротивления проводящего диода. Поэтому емкость не успе­вает заметно разрядиться за паузу между импульсами тока. Напря­жение U , а следовательно и ток в нагрузке остается практи­чески постоянным. Для снижения уровня пульсаций емкость фильтра следует увеличивать.

Часто используется Г-обраэный LС фильтр, состоящий из ин­дуктивности, включенной последовательно с нагрузкой и емкости, шунтирующей последнюю (риc. 6б). Для получения хорошего сглажи­вания в С-фильтре должны выполняться условия:

w_О.Г.L>>R_Н; ,

где - угловая частота основной гармоники.

Емкостный фильтр с последовательно включенным активным со­противлением R_Ф (рис. 6в) применяется в тех случаях, когда это сопротивление используется одновременно как делитель напряжения.

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 12

УКАЖИТЕ НОМЕР ПРАВИЛЬНОГО ОТВЕТА:

12.1. Полупроводник с электронной проводимостью получается при добавке к четырехвалентному кремнию элемента

1. трехвалентного

2. четырехвалентного

3. пятивалентного

12.2. Вольтамперная характеристика диода показана на рисунке

1) 3)

2. 4)

12.3. Если через диод проходит ток, полупроводники

1. I – n – типа; I I – р – типа

2. I – р – типа; I I – n – типа

3. I и I I – n – типа

4. I и I I – р – типа

12.4. Для заданной схемы выпрямления форма кривой выпрямленного напряжения показана на рисунке

12.5. В заданной цепи величина выпрямленного напряжения

1 ) 20 В 3) 10 В

2) 18 В 4) 9 В

Рис. 1. Схема для снятия вольт-амперной характеристики диода

Рис. 2. Схема опытной установки

Рис. 3. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 4. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Рис. 5. Трехфазная мостовая схема выпрямителя

Рис. 6. Фильтры для сглаживания пульсаций напряжения