3.4. Выпрямители

3.4.1. Классификация и основные параметры выпрямителей

Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя подключают регулятор или стабилизатор (они могут быть включены на стороне постоянного или переменного тока выпрямителя). Режим работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока.

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления. Все схемы делятся на однотактные и двухтактные.

К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или часть его). Отношение частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети в однотактных схемах равно числу фаз вторичной обмотки трансформатора.

К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, в противоположных направлениях. Кратность пульсаций выпрямленного напряжения в таких схемах в два раза больше, чем число фаз вторичной обмотки трансформатора.

В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемыми (с регулируемым выпрямленным напряжением) и неуправляемыми.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

- среднее значение выпрямленного напряжения и тока (U_ср, I_ср);

- коэффициент полезного действия;

- коэффициент мощности.

3.4.2. Однофазные выпрямители

Для выпрямления однофазного переменного тока применяются три типа выпрямителей: однополупериодный; двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора и двухполупериодный мостовой.

Однофазная однополупериодная схема с трансформатором приведена на рис.3.11,а. Вентиль включен последовательно с нагрузочным резистором и вторичной обмоткой трансформатора.

Рассмотрим работу схемы при чисто активной нагрузке и идеальном вентиле. Ток в нагрузочном резисторе R_н появляется только в те полупериоды напряжения, когда потенциал точки "a" вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки "b", так как в этом режиме вентиль открыт. Когда же потенциал точки "a" отрицателен по отношению к потенциалу точки "b", вентиль закрыт, и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора равен нулю. Таким образом, ток в резисторе R_н имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из полупериодов напряжения. Поэтому данный выпрямитель называют однополупериодным. Временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя изображены на рис.3.11,б. Среднее значение однополупериодного выпрямленного напряжения вычисляется по формуле:

U_ср = U_2m/π.

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно

U_обр.m = U_2m.

Среднее значение тока вентиля

I_а.ср = I_ср.

Недостатками однополупериодной схемы являются:

-большие пульсации в кривой выходного напряжения, создаваемые переменной составляющей напряжения;

-недостаточно эффективное использование трансформатора, необходимого для получения требуемой величины выпрямленного напряжения.

Поэтому однополупериодные выпрямители применяют сравнительно редко, обычно для питания цепей малой мощности, например, электронно-лучевых трубок.

Схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис.3.12,а, соответствующие временные диаграммы токов и напряжений изображены на рис.3.12,б.

Двухполупериодное выпрямление достигается в этой схеме выполнением трансформатора с двумя вторичными обмотками и выводом общей (средней или нулевой) точки этих обмоток. В качестве положительных для U_2a и U_2b обычно принимают направления, совпадающие с проводящими в вентилях. В тот полупериод, когда напряжение в обмотке "oa" положительно, ток пропускает вентиль V₁ у которого анод положителен по отношению к катоду, связанному через сопротивление нагрузки R_н со средней (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатора. Полюс "b" обмотки "ob" в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выводу, и, следовательно, вентиль V₂ в этой части периода тока не

пропускает. В следующий полупериод ток проходит через вентиль V₂, а вентиль V₁ заперт.

Среднее значение выпрямленного напряжения

U_ср = 2U₂/π, U₂=U_2a=U_2b.

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно двойной амплитуде фазного напряжения:

U_обр.m = 2U_2m.

Среднее значение тока через вентиль (по условию симметрии)

I_а.ср = I_ср/2.

Мостовая схема изображена на рис.3.13, а временные диаграммы токов и напряжений соответствуют рис.3.12,б.

Схема имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором сопротивления заменены вентилями. К одной из диагоналей моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой - сопротивление нагрузки. При необходимости мост может быть включен в сеть переменного тока и без трансформатора. Это является одним из преимуществ мостовой схемы.

Вентили включены так, что в один из полупериодов ток проходит через одну пару вентилей, а в другой полупериод он проходит через другую пару вентилей. Через сопротивление нагрузки R_н ток идет в течение всего периода в одном направлении. Через вторичную обмотку трансформатора протекает чисто переменный ток.

Среднее значение выпрямленного напряжения и тока через вентиль получается таким же, как и в предыдущей схеме. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора

U_обр.m = U_2m.

Таким образом, максимальное обратное напряжение в мостовой схеме при одном и том же значении выпрямленного напряжения в два раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.

Сравнение трех типов выпрямителей позволяет выявить их преимущества и недостатки. Двухполупериодные выпрямители более эффективны: средние значения выпрямленных токов и напряжений у них в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей. Преимуществами однополупериодных выпрямителей яв­ляются простота конструкции и меньшая стоимость.

По причинам названным выше из двухполупериодных выпрямителей предпочтение отдают мостовым схемам. Недостатком мостовых схем является удвоенное количество вентилей.