Лекция 5. Выпрямители

Принцип действия

Преобразование входного переменного напряжения сети ~U_c в постоянное выходное (выпрямленное) напряжение U_d достигается путем применения специальных устройств, называемых выпрямителями. В большинстве неуправляемых выпрямителей используются полупроводниковые диоды.

Р ассмотрим принцип выпрямления напряжения на примере включения диода по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис.1).

В момент времени t = 0 напряжение на диоде VD1 становится положительным (+ на аноде, - на катоде). Диод открывается, через него начинает протекать ток и на нагрузке Z_н появится напряжение, которое будет изменяться по кривой U_н. В момент времени t₁ напряжение U_н становится равным нулю и диод закрывается, т.к. к нему приложено напряжение отрицательной полуволны. На интервале t₁ – t₂ ток через нагрузку не протекает. В момент t₂ напряжение на диоде VD1 опять становится положительным и работа схемы повторяется.

Основные силовые схемы выпрямителей

Количественные показатели работы силовой схемы характеризуются следующими коэффициентами:

1. коэффициентом схемы К_сх=U_d/U₂,

где U₂ - напряжение вторичной обмотки трансформатора,

U_d - среднее значение выпрямленного напряжения;

2. коэффициентом пульсаций К_п=U_пmax/U_max=1 - cos(180/р),

где U_пmax - максимальная амплитуда пульсаций,

U_max - амплитуда выпрямленного напряжения,

р – число пульсаций за период (р=2 для однофазной мостовой схемы,

р=3 для трехфазной нулевой схемы и р=6 для трехфазной мостовой схемы);

3. коэффициентом использования трансформатора К_и=S_т/P_d,

где S_т - полная мощность трансформатора,

P_d - выпрямленная мощность в нагрузке.

Отметим следующие соотношения для расчета тока и напряжения диода, используемые при выборе диодов:

1. средний ток через диод

I_д= I_d/(n* К_о) ,

где К_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения диода (К_о=1 при водяном охлаждении, К_о=0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о=0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);

I_d - средний выпрямленный ток,

n - число тактов выпрямления схемы, n=2 (однофазная), n=3 (трехфазная);

2. максимальное напряжение диода,

U_{обр.макс.} = k_зап   U_2н ,

где k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение напряжения, К_зап=1,25…2,0;

m – число фаз.

Однофазная мостовая схема

Схема выпрямителя и диаграммы ее работы показана на рис.2. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD4 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9; К_п=1,0; К_и=1,1.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап* *U₂, I_vs=I_d /(2*K_o).

Достоинства схемы:

- небольшое число диодов,

- небольшие габариты и вес.

Недостатки схемы:

- неравномерная загрузка трехфазной сети и ограниченная вследствие этого установленная мощность схемы (P_d < 10 кВт),

- высокий коэффициент пульсаций (без сглаживающего фильтра К_п=1,0).

Трехфазная нулевая схема

С хема выпрямителя и диаграммы ее работы показана на рис.3. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD3 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=1,17; К_п=0,5; К_и=1,35.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап* *U₂, I_vs=I_d /(3*K_o).

Достоинства схемы (по сравнению с однофазной мостовой):

- меньшее число диодов,

- ниже коэффициент пульсаций,

- небольшие габариты и вес,

- равномерная загрузка трехфазной сети и большая вследствие этого установленная мощность схемы (P_d < 50 кВт).

Недостатки схемы:

- завышенная мощность силового трансформатора вследствие подмагничивания его вторичной обмотки выпрямленным током.

Трехфазная мостовая схема

Схема выпрямителя показана на рис.4. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VD1 - VD6 - диоды силовой схемы, L_d - сглаживающий дроссель, R_н - нагрузка.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=2,34; К_п=0,13; К_и=1,05.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_{обр.макс} =К_зап* *U₂, I_vs=I_d /(3*K_o).

Достоинства схемы (по сравнению с трехфазной нулевой):

- наивысшая установленная мощность схемы (до 3000 кВт),

- ниже коэффициент пульсаций,

- отсутствие подмагничивания силового трансформатора, и вследствие этого, наилучший коэффициент его использования.

Недостатки схемы:

- большее число силовых диодов,

- больше габариты и вес.