16.2. Схемы неуправляемых выпрямителей

16.2.1. Однофазная однотактная (однополупериодная) схема

На рис. 203, а приведена схема неуправляемого выпрямителя, состоящего однофазного двухобмоточного трансформатора TV, диода VD и нагрузки выпрямителя R_Н. Действие схемы поясняется рис. 203, б , где показаны формы токов и напряжений, и заключается в следующем.

Пусть напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяется во времени по гармоническому закону u₂ = U_2msinωt. Тогда в течение первого полупериода при 0 ≤ ωt ≤ π диод будет находиться под воздействием прямого напряжения, полярность которого указана на схеме без скобок знаками «+» и «-», и в цепи, образованной вторичной обмоткой TV, диодом VD и нагрузкой R_Н, будет проходить импульс тока i₀. Форма этого тока при идеальных трансформаторе и диоде будет повторять форму вынуждающего его напряжения u₂. Проходя через нагрузку R_Н, импульс тока i₀ создаст на ней падение напряжение u_Н такой же формы. При ωt = π происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке (полярность указана на схеме знаками «+» и «-» в скобках) и диод в течение второго полупериода при π ≤ ωt ≤ 2π оказывается под воздействием обратного напряжения, а ток в цепи нагрузки отсутствует. Таким образом, за период преобразуемого напряжения ток в цепи нагрузки не меняет своего направления и на нагрузке получается напряжение постоянного тока пульсирующего характера, полярность которого указана на схеме. Выпрямленное напряжение u_Н содержит постоянную составляющую (рис. 204) U₀ (среднее значение) и бесконечный ряд гармонических составляющих , частота первой гармоники U_{~ 0} (рис. 204) которого равна частоте преобразуемого напряжения.

Рис. 203

Необходимо отметить, что в этой схеме за период преобразуемого напряжения ток i₀ не меняет своего направления и во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к постоянному подмагничиванию сердечника.

Из разложения в ряд Фурье напряжения на нагрузке получим связь между его средним значением напряжения U₀и амплитуднымU_2mи действующимU₂ значениями напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

;.

Аналогичным образом определяют ток.

Определение параметров диода: U_обр = U_2m = πU₀.

Амплитуда первой гармоники напряжения на нагрузке.

Рис. 204

Коэффициент пульсации напряжения на нагрузке;().

16.2.2 Однофазная мостовая схема или схема Греца

Она нашла широкое распространение на практике для обеспечения напряжения от десятков до сотен вольт и мощности до нескольких сотен ватт. При этом схема может работать на активную нагрузку, на емкостную и индуктивную. Схема приведена на рис. 205 и состоит из трансформатора TV, четырех диодов VD1... VD4, включенных по мостовой схеме, и нагрузки выпрямителя R_Н.

Принцип действия схемы сводится к следующему. Пусть напряжение на вторичной обмотке TV изменяется по гармоническому закону. Тогда в течение первого полупериода при 0 ≤ ωt ≤ π диоды VD2, VD4 будут находиться под воздействием прямого напряжения и в цепи, образованной вторичной обмоткой трансформатора, диодами VD2, VD4 и нагрузкой, будет проходить импульс тока i₀₁. Проходя через нагрузку R_Н, импульс тока i₀₁ создаст на ней падение напряжение u_Н такой же формы. В течение первого полупериода диоды VD1, VD3 заперты, так как находятся под воздействием обратного напряжения. При ωt = π происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке TV. Теперь в течение второго полупериода при π ≤ ωt ≤ 2π под воздействием прямого напряжения будут находиться диоды VD1, VD3, а диоды VD2, VD4 будут заперты. В цепи вторичной обмотки TV, открытых диодов VD1, VD3 и нагрузки, будет проходить импульс тока i₀₂ такой же формы, как и тока i_01.

Этот ток i₀₂ создаст на R_Н импульс напряжения, полярность которого такая же, как и в первом полупериоде.

Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки проходят два импульса тока, не меняя своего направления, и на нагрузке создается напряжение постоянного тока пульсирующего характера. Импульсы токов i₀₁ и i₀₂ во вторичной обмотке трансформатора направлены навстречу друг другу, потому их постоянные составляющие компенсируются, а TV работает в режиме без постоянного подмагничивания.

Рис. 205

Основные расчетные соотношения:

для определения основных параметров трансформатора

для определения основных параметров VD ; ;

для определения основных параметров пульсации напряжения на нагрузке

- амплитуда первой гармоники; .

Для уменьшения пульсаций напряжения во всех схемах выпрямителей используют сглаживающие фильтры - индуктивные L и емкостные С. При этом конденсатор включается параллельно сопротивлению нагрузки, а дроссель – последовательно .

В электротехнических устройствах используются и другие схемы выпрямителей, в том числе и трехфазные.

16.3. Управляемые выпрямители

Управляемым называют такой выпрямитель, у которого при неизменном входном напряжении можно регулировать выходное напряжение за счет изменения времени прохождения тока через вентиль, т.е. в таких выпрямителях осуществляется преобразование рода тока с одновременным регулированием уровня выходного напряжения.

Этот принцип заключается в следующем. Пусть имеется генератор переменного тока u₂ = U_2m sinωt с внутренним сопротивлением , равным нулю. Подключим к этому генератору через управляемый ключ S (функцию управления ключом осуществляет сигнал u_у ) нагрузку (рис. 206, а) и рассмотрим преобразование рода тока в течение одного периода приложенного напряжения.

Если в течение первого полупериода, начиная с момента, соответствующего ωt = α, ключ S замкнут, а в течение второго полупериода он разомкнут, то в нагрузке будет проходить ток i_0α только в первом полупериоде в течение времени, соответствующего (π - α), в одном направлении (рис. 206, б). На нагрузке будет выделяться напряжение u_Нα , полярность которого показана на рис. 206, а. При активном характере нагрузки форма этого напряжения такая же, как форма тока i_0α, которая представляет собой усеченный по фазовому углу (на величину ωt = α) отрезок синусоиды (рис. 206, б).

Так как этот процесс повторяется каждый период, то на нагрузке будет пульсирующее напряжение постоянного тока. Это напряжение представляет собой периодическую функцию времени, которая удовлетворяет условиям разложения в ряд Фурье, и, следовательно,

U_0α = (U_2m / 2π) ∫_α^π sinωt dωt = U₀(1+ cosα)/2,

Рис. 206

где U₀ = (1/π) U_2m – среднее выпрямленное напряжение в неуправляемом режиме работы выпрямителя (α = 0).

Изменяя угол запаздывания α (момент включения ключа S) от U₀ до 0 при неизменном напряжении U₂ первичного источника.

Таким образом, для преобразования рода тока с одновременным регулированием уровня напряжения необходимо, чтобы ключ S синхронно с частотой первичного источника подключал нагрузку к генератору на время части (π – α) одной полуволны (положительной или отрицательной) напряжения переменного тока с запаздыванием на угол α.

В тех случаях, когда для питания электронных электротехнических устройств требуется регулируемое напряжение, применяют управляемые выпрямители, в которых в качестве ключей S используют тиристоры. Принцип действия управляемых выпрямителей отличается от неуправляемых только тем, что переключение фаз выпрямления происходит не в нулевые моменты синусоидального напряжения, а позже на угол запаздывания α. При этом применяют как однотактные, так и двухтактные схемы выпрямителей.

Важной составной частью управляемых выпрямителей является устройство фазового управления тиристорами, которое должно обеспечивать выполнение следующих функций:

• формирование форм управляющих импульсов;

• смещение фазы управляющих импульсов в функции управляющего сигнала;

• размножение управляющих импульсов по числу управляемых тиристоров.