3. Структурная и функциональные электрические схемы выпрямителя

Структурная схема простейшего выпрямителя, как правило, является трехэлементной (рисунок 1.2, а).

Рисунок 1.2 - Структурная (а) и функциональные (б, в) электрические схемы выпрямителя

Схема содержит, как было сказано выше, трансформатор Т, блок вентилей БВ и сглаживающий фильтр Ф. Сглаживающий фильтр в выпрямителях для ЭПУ практически всегда обязателен.

Первичное электропитание самого выпрямителя ЭПУ осуществляется либо от промышленной сети однофазного или трехфазного тока частоты 50 Гц, либо от электростанций (генераторов) 200 - 220 В частоты 400 Гц трехфазного тока.

Функциональные электрические схемы выпрямителей однофазного и трехфазного токов изображены на рисунке 1.2,б;в. При питании от сети трехфазного тока используется трехфазный трансформатор и одна из схем выпрямления трехфазного тока (чаще всего - схема Ларионова).

Обозначения электрических величин на схемах:

- мгновенные значения напряжений и токов обмоток однофазного трансформатора;

- мгновенные значения линейных напряжений и токов обмоток трехфазного трансформатора;

- мгновенные и средние значения выпрямленных напряжений и токов.

1.6 Общие основы методики расчёта полупроводникового выпрямителя

Проектирование источников вторичного электропитания, и в том числе

ИВЭ - выпрямителей является для их разработчиков сложной инженерно-технической задачей в силу необходимости учета множества часто противоречивых требований к ИВЭ.

Одной из проблем является выбор или разработка такой методики расчёта ИВЭ, которая бы учитывала влияние основных дестабилизирующих факторов.

В этом смысле и методика расчёта простейшего выпрямителя также должна обеспечивать учет влияния характера и изменений нагрузки, наличия рассеяния магнитного потока трансформатора, оптимальный выбор схемы

сглаживающего фильтра и его элементов, подбор вентилей и т.д.

Электромагнитный расчёт выпрямителя по методике, рекомендуемой в

данном руководстве, базируется на методических рекомендациях, изложенных в учебниках и методических разработках.

Можно выделить четыре этапа такого расчёта.

1. Выбор электрической схемы выпрямления и типа вентилей.

2. Расчёт трансформатора.

3. Расчёт сглаживающего фильтра.

4. Расчет нагрузочной и энергетических характеристик выпрямителя. Методика расчета на каждом этапе рассмотрена отдельно с необходимыми рекомендациями и проиллюстрирована полным расчетом для двух вариантов нагрузки - активно-индуктивной (на входе фильтра - дроссель) и активно-емкостной (на входе фильтра - конденсатор).

Все необходимые для расчёта справочные данные помещены в Приложении.

1.7 Выбор схемы выпрямления и типа вентилей

Выбор схемы выпрямления. В ЭПУ находят наибольшее применение ИВЭ- выпрямители с блоками вентилей, собранными на основе следующих типовых схем выпрямления:

- однотактных схем выпрямления однофазного напряжения (схема со

средней точкой, рисунок 1.3,а) и трехфазного напряжения (схема Миткевича, рисунок 1.3,б);

Рисунок 1.3 - Однотактные схемы выпрямления однофазного и трехфазного токов

- мостовые схемы выпрямления однофазного и трехфазного (схема Ларионова) напряжений, рисунок 1.4 а, б.

Рисунок 1.4 - Мостовые схемы выпрямления однофазного и трехфазного токов

Сравнительные характеристики и параметры указанных схем выпрямления при работе на активную нагрузку приведены в таблице 1.4.

По большинству показателей и характеристик (см. таблицу 1.4) мостовые схемы лучше, наиболее широко применяются в ИВЭ ЭПУ, и могут поэтому быть рекомендованы для использования в проектируемых выпрямителях при выполнении контрольной работы.

Студентам рекомендуется осветить в пояснительной записке обоснование выбора той или иной схемы выпрямления на основе конкретного анализа параметров и характеристик этих схем по данным таблицы 1.4.

Таблица 1.4 - Основные параметры схем выпрямления при работе на

активную нагрузку

Параметр	Схемы выпрямления и их параметры
	Двухфазная со средней точкой	Однофазная мостовая	Трехфазная однотактная (Миткевича)	Трехфазная мостовая (Ларионова)
1	2	3	4	5
Действующее значение напряжения вторичной обмотки	2,0∙1,11	1,11	0,85 (фазное)	0,43 (фазное)
Действующее значение тока вторичной обмотки	0,73	1,11	0,58	0,82
Действующее значение тока первичной обмотки	1,11∙	1 M∙	0,48∙	0,82∙
Типовая мощность трансформатора	1,48	1,23	1,35	1,05
Обратное напряжение вентиля	3,14	1,57	2,09	1,05
Среднее значение прямого тока вентиля	0,5	0,5	0.33	0,33
Действующее значение прямого тока вентиля	0,78	0,78	0,58	0,58
Амплитуда тока вентиля	1,57	1,57	1,21	1,05
Частота пульсаций выпрямленного напряжения
Коэффициент пульсаций	67	61	25	5,7

где п - коэффициент трансформации, — частота напряжения сети. Следует также учесть, что однофазная мостовая схема выпрямления

находит наибольшее применение в маломощных и средней мощности выпрямителях при низких напряжениях и токах, не превышающих 1А и при работе на емкостную нагрузку, то есть со сглаживающим фильтром с емкостным входом. При токе нагрузки 1А и выше даже при малых выпрямленных напряжениях нужно применять фильтры, начинающиеся с индуктивности. Такие фильтры ограничивают пиковые токи через вентиль, поскольку эти пиковые токи при чисто емкостном фильтре создают перенапряжение на конденсаторе, что особенно опасно для полупроводниковых схем.

При значительных нагрузках более 2А, а также при повышенных напряжениях от 100В до 1000В обязательно применение трехфазной схемы выпрямления и сглаживающего фильтра с индуктивной реакцией, то есть с фильтра, на входе которого включен дроссель.

Выбор типа вентилей. Выбор типа вентилей зависит от схемы выпрямления и средних значений, выпрямленных напряжения и тока , а также от требуемого коэффициента пульсаций (в %) на выходе выпрямителя.

В ИВЭ- выпрямителях наиболее широко используются кремниевые полупроводниковые диоды, хорошо себя зарекомендовавшие и в маломощных, и в мощных выпрямителях, в том числе и при высоких обратных напряжениях до нескольких тысяч вольт и десятках и сотнях ампер прямого тока.

Именно этот тип вентилей и рекомендуется использовать при выпол­нении расчёта выпрямителя в контрольной работе.

Основными параметрами вентилей, используемыми при выборе вентиля и расчёте выпрямителя являются: (или ) - максимально допустимое среднее значение прямого тока через вентиль; - максимально допустимое значение (амплитуда) обратного напряжения на вентиле; (или ) - прямое среднее напряжение на вентиле при токе . Для кремниевых диодов оно не превышает 1В; - значение тока через диод в обратном направлении при .

Шунтирование каскада вентилей. При выборе вентилей для снижения обратного напряжения на одном вентиле часто приходится ставить в каждое плечо выпрямителя по два и более вентилей последовательно, как это показано на рисунке 1.5, а.

Рисунок 1.5 - Последовательное включение вентилей (а) и их шунтирование резисторами (б)

Параметры вентилей, в частности - внутреннее сопротивление вентиля прямому току, имеют для каждого типа вентиля некоторый “разброс”, то есть - не одинаковы.

Оценить значение можно по формулам [5]:

а) при емкостной нагрузке б) при индуктивной нагрузке

; (1.1) . (1.2)

Шунтирующие резисторы в цепи последовательно включенных вентилей выполняют две функции - выравнивают обратные напряжения на вентилях и несколько уменьшают обратные токи через вентили.

Диапазон значений, в пределах которого лежит искомое значение сопротивления шунтирующего резистора, можно оценить расчётом по формулам, учитывающим возможное рассогласование обратных напряжений на вентилях при их последовательном соединении. Это рассогласование обычно лежит в пределах 20...50% и учитывается коэффициентом рассогласования обратных напряжений =0,2...0,5:

, (1.3,a)

(1.3,б)

где - обратный ток одного вентиля; - допустимое обратное напряжение на одном вентиле; - максимальное обратное напряжение на всей группе N последовательно соединенных вентилей.

Оценив рассчитанный диапазон значений сопротивлений, в его пределах выбирается (задается) искомое значение сопротивления шунтирующего резистора, а затем по справочнику выбирается тип резистора.

Неудобство использования формул (1.3,а, б) в том, что не во всех справочниках по диодам приводятся значения обратных токов.

По этой причине в инженерной практике для сокращения вычислений или при отсутствии справочных данных по обратным токам вентилей можно использовать следующие рекомендации по выбору значений сопротивления (на каждые 100 В обратного напряжения на одном диоде): для маломощных диодов с допустимыми прямыми токами < 0,3 А = 80..100 кОм; для мощных диодов с > 5 А = 10... 15 кОм; для диодов средней мощности = 15... 100 кОм.

Выбор типа диодов осуществляется по таблице П4 Приложения.