Параметры схем выпрямления

Схема выпрямления	Число
	плеч	групп
Однополупериодное выпрямление однофазного тока (рис. 1.3, а)	1	1
Двухполупериодное выпрямление однофазного тока со средней точкой у вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3,б)	2	1
Двухполупериодное выпрямление по мостовой схеме (рис. 1.3, в)	2	2
Однополупериодная двухполярная (рис. 1.3, г)	1	1
Мостовая двухполярная мостовой схеме (рис. 1.3, д)	2	2
Однополупериодное выпрямление трехфазного тока (рис. 1.3, е)	3	1
Двухполупериодное выпрямление трехфазного тока по мостовой схеме (рис. 1.3, ж)	3	2

1.2. Классификация схем выпрямления

В электропитающих установках автоматики и связи применяются однофазные и трехфазные схемы выпрямления переменного тока. Все схемы можно классифицировать по общим для них параметрам: числу плеч и количеству групп. Плечом выпрямительной схемы называют цепь последовательного включения обмотки трансформатора и диода. Подключение диодов к обоим концам обмотки трансформатора образует двуплечную схему, а подключение диодов с разными направлениями пропускания тока – двухгруппную схему.

На рис. 1.3 и рис. 1.4 приведены основные схемы выпрямления, а в табл. 1.2 – число плеч и групп для этих схем.

Рис. 1.3. Основные схемы выпрямления: а – однофазная однополупериодная;

б – однофазная двухполупериодная со средней точкой; в – однофазная мостовая;

 г –однополупериодная двухполярная; д – мостовая двухполярная

Рис. 1.4. Трехфазные схемы выпрямления: а – трехфазная однополупериодная; б – трехфазная мостовая

1.3. Однофазные схемы выпрямления

Однополупериодная схема. Первичная обмотка трансформатора  Тр включается в сеть переменного тока (рис. 1.5,а), а к вторичной обмотке через диод VD1  подключается нагрузка  . Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение   то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает переменное напряжение  (рис. 1.5, б).

Допустим, что при положительном полупериоде напряжения точка а (рис. 1.5) имеет положительный потенциал относительно точки б. В результате этого через диод и нагрузку пройдет ток  . Выпрямленное напряжение   за этот полупериод будет равно напряжению на второй обмотке трансформатора. За отрицательный полупериод, когда изменится полярность в точках а и б, сопротивления диода можно будет принять равным бесконечности, а обратный ток – равным нулю.

Рис. 1.5. Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б)

 

Таким образом, ток во вторичной цепи будет проходить только за положительный полупериод напряжения. На рис. 1.5, в представлены кривые выпрямленного тока   и выпрямленного напряжения   при активной нагрузке.

Средним значением выпрямленного тока называется такое значение постоянного тока, при котором в течение периода через поперечное сечение проводника проходит такое же количество электричества, что и при выпрямленном токе. Графически среднее значение выпрямленного тока   выразится высотой прямоугольника (рис. 1.5, в) с основанием, равным  , и площадью, равной площади, ограниченной кривой тока с осью абсцисс за период.

Для рассматриваемой схемы

,                                                                      (1.1)

где      – максимальное значение тока;

,                                                                     (1.2)

где      – максимальное значение напряжения.

При положительном полупериоде сопротивление, а следовательно, и падение напряжения на диоде будут равны нулю. Во время отрицательного полупериода сопротивление диода можно считать бесконечно большим, а выпрямленный ток   и напряжение  , равными нулю. В результате этого напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к диоду.

Наибольшее значение обратного напряжения на диоде будет равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора

,                                                           (1.3)

Для рассматриваемой схемы действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора  .

Коэффициент пульсации   показывает соотношение между амплитудой напряжения первой гармоники и постоянной составляющей в выпрямленном напряжении:

,                                                                       (1.4)

где      – амплитуда напряжения первой гармоники;   – напряжение постоянной составляющей.

Амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения в соответствии с разложением в ряд Фурье:

,                                                                (1.5)

Среднее значение выпрямленного напряжения на основании того же ряда Фурье:

,                                                                  (1.6)

где   – число фаз выпрямления;  – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора (для трехфазных схем – действующее фазовое напряжение   вторичной обмотки).

Число фаз выпрямления зависит не только от числа фаз выпрямления переменного напряжения, но и от числа выпрямленных полупериодов. Следовательно, было бы более правильным называть величину тчислом импульсов выпрямленного тока за один период. Для различных схем выпрямления

,                                                                                                           (1.7)

где   – число фаз выпрямленного переменного напряжения;   – число выпрямляемых полупериодов.

Частота первой гармоники (основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения

   ,                                                                                                          (1.8)

где   – число фаз выпрямления;   – частота сети (50 Гц).

Коэффициент пульсации в процентах следующий:

.                                                                                                       (1.9)

Формула (1.9) справедлива для выпрямителя, работающего на чисто активную нагрузку при синусоидальной форме переменного напряжения, подведенного к выпрямительной схеме, и неискаженной форме кривой выпрямленного напряжения. По этой формуле можно подсчитать коэффициент пульсации для всех схем выпрямления, кроме однофазной однополупериодной. Для определения коэффициента пульсации однофазной однополупериодной схемы пользуются известными соотношениями:

                                                                                         (1.10)

где   – максимальное значение выпрямленного напряжения.

Для однополупериодной схемы  , а частота основной гармоники   равна частоте сети 50Гц.

Достоинством однофазной однополупериодной схемы является ее простота.

К недостаткам схемы относятся:

     большая величина и низкая частота пульсации, что приводит к увеличению размеров и стоимости фильтров;

     большое обратное напряжение на диоде;

     большое максимальное значение прямого тока через диод;

     намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока (вынужденное намагничивание), что приводит к увеличению сечения провода первичной обмотки и размеров всего трансформатора.

Из-за перечисленных недостатков однофазная однополупериодная схема применяется лишь в маломощных выпрямительных устройст­вах, где низкое использование трансформатора оправдывается экономией, полученной от применения в схеме одного диода.

Двухполупериодная схема. В схеме (рис. 1.6, а) используется трансформатор Тр, вторичная обмотка которого имеет нулевой вывод 0 (средняя точка). Поэтому схему часто называют схемой со средней точкой. В схеме применены два диода VD1 и VD2, аноды которых подключены к концам а и б вторичной обмотки. Между общей точкой   катодов диодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включена нагрузка .

 

Рис. 1.6. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б, в, г)

 

Синусоидальные напряжения  ,   вторичной обмотки трансформатора всегда равны по величине, но сдвинуты одно относительно другого по фазе на 180° (рис. 1.6, б). В первый полупериод, когда точка а (рис. 1,6, а) имеет положительный потенциал, а точка б отрицательный, ток   проходит от точки а через диод VD1и резистор   к точке 0. Диод VD2 в это время находится под обратным напряжением. Во второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток  проходит от точки б через диод VD2 и резистор   к точке 0. К диоду VD1 в это время подводится обратное напряжение. Таким образом, сопротивлению нагрузки   за оба полупериода переменного напряжения проходит ток в одном и том же направлении.

На рис. 1.6, в изображены кривые выпрямленного тока   и напряжения  . Общая точка   (рис. 1.6, а) катодов диодов является для нагрузки положительным полюсом, а средняя точка трансформатора – отрицательным полюсом.

В двухполупериодной схеме выпрямления в отличие от однофазной однополупериодной схемы по вторичной обмотке трансформатора Тр ток проходит в течение обоих полупериодов. При этом токи полуобмоток имеют противоположное направление. Следовательно, постоянная составляющая одного тока уравновешивает постоянную составляющую другого тока и вынужденное намагничивание трансформатора отсутствует. В результате этого по первичной обмотке трансформатора проходит синусоидальный ток   (рис.1.6, г).

Для данной схемы коэффициент пульсации  , а частота первой гармоники  .

По сравнению с однофазной однополупериодной схемой выпрямления данная схема имеет трансформатор с меньшими габаритными размерами и массой вследствие лучшего использования обмоток трансформатора и отсутствия вынужденного намагничивания; меньшие габаритные размеры и массу фильтра из-за увеличения частоты пульсации; амплитудный ток диода уменьшается в 2 раза.

Недостатком схемы является необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора. Схема может быть использована в выпрямителях с низким напряжением и значительным током нагрузки.

Мостовая схема. В схему (рис. 1.7,а) включают четыре диода по схеме измерительного моста. К одной диагонали моста подводится переменное напряжение  , а к другой диагонали присоединяется нагрузка  .За первый полупериод, когда точка а имеет положительный потенциал, а точка б – отрицательный, ток   проходит от точки а через диод  VD1, резистор    и диод VD3 к точке б. Диоды VD2 и VD4 за этот полупериод находятся под обратным напряжением. За второй полупериод, когда полярность точек а и бизменится, ток  проходит от точки б через диод VD2, резистор   и диод VD4 к точке а. Диоды VD1 и VD3 в это время находятся под обратным напряжением. Таким образом, ток через нагрузку   проходит в одном направлении за оба полупериода напряжения  .

Общая точка   катодов диодов VD1 и VD2 является для нагрузки положительным полюсом, а общая точка  анодов диодов VD3 и VD4 — отрицательным полюсом.

Ток  во вторичной обмотке трансформатора проходит оба полупериода и является синусоидальным (рис. 1.7, б). В нем нет постоянной составляющей и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует. На рис. 1.7, в представлены кривые выпрямленного тока   и напряжения  . Так как выпрямленный ток в однофазной мостовой схеме 2 раза за один период достигает своего максимального значения, частота основной гармоники будет в 2 раза больше частоты сетевого напряжения  .

Рис. 1.7. Однофазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б, в)

 

Данная схема имеет коэффициент пульсации  . По сравнению с однофазной двухполупериодной схемой выпрямления данная схема имеет следующие преимущества. Благодаря лучшему использованию обмоток трансформатора его габаритные размеры и масса меньше, не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки; напряжение на вторичной обмотке и обратное напряжение на диоде в 2 раза меньше. Схему широко используют в выпрямителях малой мощности (до 1кВт).