1.4. Двухполярные схемы выпрямления

Однополупериодная схема. Данная схема (рис. 1.8) позволяет на выходе получить два одинаковых по амплитуде напряжения одно со знаком + ( ), другое со знаком – ( ).

Первичная обмотка трансформатора Тр включается в сеть переменного тока (рис. 1.8, а), а к вторичной обмотке через диоды VD1, VD2 подключается нагрузка R1 и R2. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение   то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает переменное напряжение   (рис. 1.8, б).

 

 

Рис. 1.8. Двухполярная однофазная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б, в)

 

 Допустим, что при положительном полупериоде напряжения точка а (рис. 1.8) имеет положительный потенциал относительно точки б. В результате этого через диод VD1 и нагрузку R2 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, через диод VD2и нагрузку R1 пройдет ток   и выпрямленное напряжение   за этот полупериод также будет равно напряжению на второй обмотке трансформатора, но с противоположным знаком относительно земли.

 На рис. 1.8, б представлены кривые выпрямленного тока   и выпрямленного напряжения  при активной нагрузке.

Мостовая схема. В схему (рис. 1.9, а) включают четыре диода по схеме измерительного моста. К одной диагонали моста подводится переменное напряжение  , а к другой диагонали присоединяется две нагрузкиR1 и R2, средняя точка которых соединена со средней точкой о трансформатора.

За первый полупериод, когда точка а имеет положительный потенциал, а точка о – отрицательный, ток   проходит от точки а через диод  VD2, резистор    к точке о, а также ток проходит от точки б через диодVD3 и нагрузку R1 к точке о. Диоды VD1 и VD4 за этот полупериод находятся под обратным напряжением. За второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток  проходит от точки а через диод VD1 ирезистор R1 к точке о, а также через диод VD4 и резистор R2 к точке о. Диоды VD2 и VD3 в это время находятся под обратным напряжением.  Таким образом, на выходе данного выпрямителя получается двухполярное напряжение на нагрузке R1 со знаком – ( ) и на нагрузке R2 со знаком + ( ).

Рис. 1.9. Двухполярная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б)

 

На рис. 1.9, б представлены кривые выпрямленного тока   и выпрямленного напряжения  при активной нагрузке.

1.5. Трехфазные схемы выпрямления

 

Однополупериодная схема выпрямления. Первичную обмотку трансформатора   в зависимости от напряжения сети соединяют звездой или треугольником, а вторичную для получения нулевой точки 0 – всегда звездой (рис. 1.10, а).

Начало вторичных обмоток a, b и c соединяют с анодами диодов  VD1, VD2 и VD3. Нагрузка    включается между общей точкой   катодов диодов и нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора 0. На рис. 1.10,б представлены кривые фазных напряжений  ,  ,  , которые имеют одинаковую частоту и амплитуду, но сдвинуты относительно друг друга на угол 120°.

В промежуток времени   (т. е. в течение 1/3 периода) диод VD1 находится под наибольшим положительным напряжением. Это значит, что точка a имеет положительный потенциал относительно точки 0.Поэтому ток проходит от точки a через диод VD1 и резистор   к точке 0.  В промежутке времени   наибольшее положительное напряжение возникает на второй обмотке (фазе) трансформатора, и ток проходит от точки b через диод VD2 , и резистор   к точке 0. В промежутке времени  ток будет проходить от точки c (рис. 1.10, а) через диод VD3 и   к точке 0.

 

Рис. 1.10. Трехфазная однополупериодная схема  выпрямления и диаграммы напряжений и токов

Таким образом, диоды VD1, VD2 и VD3 работают поочередно, каждый в течение 1/3 периода, а их токи через нагрузку проходят всегда в одном направлении – от точки   к нулевой точке 0. Следовательно, точка   является положительным полюсом для нагрузки, а точка   – отрицательным полюсом.

На рис. 1.10, в представлены кривые выпрямленного тока  и напряжения  , из которых видно, что по каждой вторичной обмотке ток проходит только в течение положительного полупериода. Постоянная составляющая этого тока вызывает вынужденное намагничивание сердечника и связанное с этим увеличение тока в первичных обмотках трансформатора. Так как напряжение на нагрузке достигает максимального значения 3 раза за один период, то частота основной гармоники в этой схеме в 3 раза больше частоты напряжения в сети:  . Данная схема имеет коэффициент пульсации  .

По сравнению с ранее рассмотренными схемами выпрямления однофазного переменного тока, трехфазная однополупериодная схема имеет меньший коэффициент пульсации и более высокую частоту пульсации выпрямленного напряжения. В результате этого уменьшаются размеры и масса сглаживающего фильтра, обеспечивается лучшее использование обмоток трансформатора по сравнению с однофазной однополупериодной схемой и схемой со средней точкой, равномерно нагружается сеть трехфазного переменного тока.

Основным недостатком трехфазной однополупериодной схемы является вынужденное намагничивание сердечника трансформатора  и связанное с этим увеличение тока первичной обмотки.

Мостовая схема. Схема (рис. 1.11, а) состоит из трехфазного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого можно соединять звездой и треугольником, и шести диодов. Катоды диодов VD1, VD2 иVD3 соединяются в общую точку  , которая является положительным полюсом выпрямительного устройства. Общая точка анодов   диодов VD4, VD5 и VD6 является отрицательным полюсом выпрямительного устройства.

На рис. 1.11, б представлены кривые фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора:  ;  ,  . Если потенциал нулевой точки обмоток принять равным нулю, то эти кривые будут изображать потенциалы точек a, b, c:

; ;  .

В течение времени  , равного 1/6 периода  , наибольшим положительным потенциалом обладает точка a, наибольшим отрицательным потенциалом – точка b. Поэтому ток в цепи проходит от точки а через диод VD1, сопротивление нагрузки R и диод VD5 к точке b.

В течение времени  , наибольшим положительным потенциалом по-прежнему обладает точка а,наибольшим отрицательным потен циалом – точка с. Поэтому ток проводят диоды VD1 и VD6. Рассуждая аналогично, можно убедиться в том, что за каждую 1/6 периода через нагрузку будет проходить ток в одном направлении – от общей точки катодов диодов VD1, VD2 и VD3 к анодной точке VD4, VD5 и VD6. Кривые выпрямленного тока   и напряжения   представлены на рис. 1.11, в. Под каждым импульсом выпрямленного тока указаны номера одновременно работающих диодов.

По вторичным обмоткам трансформатора токи проходят как в положительную, так и в отрицательную часть периода. В результате отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. Выпрямленный ток в трехфазной мостовой схеме достигает максимума 6 раз за период. Следовательно, частота основной гармоники выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты сетевого напряжения, т. е.  . Данная схема имеет коэффициент пульсации  .

 

Рис. 1.11. Трехфазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов (б, в)

Трехфазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед трехфазной однополупериодной схемой: лучшее использование обмоток трансформатора и отсутствие вынужденного намагничиваниясердечника, благодаря чему достигается значительное уменьшение размеров и массы трансформатора; меньшая величина и более высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет значительно уменьшить размеры, массу и стоимость сглаживающего фильтра.

Основным недостатком схемы является необходимость применения шести диодов вместо трех. Кроме того, последовательное включение двух работающих диодов (особенно высокоомных) приводит к уменьшению напряжения с увеличением тока нагрузки. Поэтому в трехфазной мостовой схеме обычно используют полупроводниковые диоды, обладающие небольшим внутренним сопротивлением.