Расчет однофазных неуправляемых выпрямителей (1)

При этом возникает ситуация, при которой напряжение и ток вторичной обмотки направлены в разные стороны. Это означает, что трансформатор, вместо того, чтобы передавать энергию в нагрузку на интервале от π до 2π принимает её то нагрузки и передает в первичную сеть.

Источником этой энергии является энергия, накопленная в индуктивности Lф на предыдущем такте.

Рисунок 2.10 – Графики, поясняющие принцип действия выпрямителя рисунка 2.2, работающего на индуктивную нагрузку

Как уже говорилось ранее, через трансформатор может передаваться только переменная составляющая тока. Но переменная составляющая тока в данной схеме зависит от величины Lф. При Lф стремящемся к бесконечности, т.е. когда обеспечивается идеальная фильтрация напряжения сопротивления нагрузки, переменная составляющая тока вторичной обмотки трансформатора стремится к нулю, и, следовательно, энергия в нагрузку вообще не передается.

Всилу обозначенных особенностей применение индуктивных или LCфильтров в данной схеме – нецелесообразно.

Выходом из ситуации является использование обратного диода (VDш – на схемах рисунка 2.9), включенного перед фильтром.

Вэтом случае при действии отрицательной полуволны диод VD1 будет

закрываться, а ток, создаваемый индуктивностью Lф за счет накопленной в ней энергии будет замыкаться через VDш. При этом энергия, запасенная в индуктивности Lф, полностью расходуется на нагрузку.

Графики токов и напряжений в этом случае выглядят как на рисунке 2.11.

31

При работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера диаграммы напряжений схемы не изменяются, следовательно, не изменяются и расчетные соотношения для них.

Диаграммы же токов претерпевают существенное изменение, вследствие чего расчетные соотношения для токов должны быть изменены.

Максимальное значение тока вторичной обмотки (амплитуда тока I2~) в данном случае будет равна Id= , поскольку, при достаточно большом Lф, всякая переменная составляющая тока будет подавлена и останется только постоянная составляющая Id=, которая будет замыкаться через VD1 в момент действия положительной полуволны напряжения U2~, формируя импульс тока I2~, т.е.:

Рисунок 2.11 – Графики, поясняющие принцип действия схемы рисунка 2.2 при использовании фильтра с индуктивной реакцией и обратным диодом

Действующее значение тока вторичной обмотки:

32

Поскольку ток вентиля и ток вторичной обмотки трансформатора – это один и тот же ток, то:

Таким образом, использование в схеме однотактного однополупериодного выпрямителя индуктивного фильтра с обратным диодом улучшает использование трансформатора.

В остальном порядок расчета выпрямителя не отличается от уже рассмотренного порядка расчета, предложенного в пункте 2.1.1.

Единственное замечание может касаться оценки потерь в выпрямителе. При использовании индуктивного фильтра в формуле (1.20) для Ud= необходимо учесть падение напряжения на активном сопротивлении проводов индуктивности Lф – ∆Uф, которое определяется соотношением (1.17).

2.2.2 Особенности работы выпрямителя с выводом средней точки трансформатора и мостового выпрямителя на нагрузку индуктивного характера.

33

Отличительной особенностью данных схем, работающих на индуктивную нагрузку, является только то, что все токи, протекающие в схеме, приобретают форму прямоугольных импульсов (рисунки 2.12 и 2.13).

Как и в случае схемы однотактного однополупериодного выпрямителя при расчете данных схем применяются те же расчетные соотношения, что и при их работе на активную нагрузку с заменой соотношений для токов. Так для схемы выпрямителя с выводом средней точки трансформатора:

Поскольку ток диода VD1 и ток вторичной обмотки 21 – это один и тот же ток, то:

34

Таким образом, и в данном случае применение сглаживающего фильтра с индуктивной реакцией снижает требования по габаритной мощности трансформатора.

В остальном расчет выпрямителя осуществляется по методике, представленной в пунктах 2.1.2 и 2.1.3 настоящей работы.

И, так же, как и для однотактного однополупериодного выпрямителя, для мостовых выпрямителей и для выпрямителя с выводом средней точки трансформатора при использовании индуктивного фильтра в формуле (1.20) для Ud= необходимо учесть падение напряжения на активном сопротивлении проводов индуктивности Lф – ∆Uф, которое определяется соотношением (1.17).

3.3 Особенности работы выпрямителей на нагрузку емкостного характера

Такая ситуация возникает тогда, когда параллельно сопротивлению нагрузки Rн включается емкость Сф, т.е. используется емкостной сглаживающий фильтр, или когда используется П-образный индуктивно-емкостной фильтр (рисунок 3.14).

Рисунок 2.14 – Емкостной (а) и П-образный индуктивно-емкостной (б ) фильтры, обеспечивающие емкостную реакцию нагрузки выпрямителя

Вэтом случае во всех трех типах схем происходят приблизительно одни

ите же процессы. Емкость Сф (или Cф1) в процессе работы выпрямителя постепенно набирает заряд, в результате чего на катодах диодов всех выпрямителей создается некий положительный потенциал. При достаточно

36

большом значении емкости Сф напряжение на катодах диодов выпрямителей относительно земли достигнет уровня, близкого к U2 max.

Открывание диода возможно только тогда, когда потенциал его анода больше потенциала катода.

Время, в течение которого диоды будут находиться в открытом состоянии, будет непродолжительным, и будет равняться времени, в течение которого напряжение вторичной обмотки по модулю больше, чем напряжение конденсатора, близкое к U2 max.

Например, для мостового выпрямителя диаграммы токов и напряжений будут выглядеть, как на рисунке 2.15.

Диоды будут открыты только в интервал временим α, что существенно меньше, чем интервал длительностью π, как при работе выпрямителя на активную и индуктивную нагрузки.

Тем не менее, если Rн будет одинаково для всех трех видов нагрузок, то очевидно, что в нагрузку при этом будет передаваться и одинаковая энергия. Однако для выпрямителя, работающего на емкостной фильтр, передача энергии будет происходить за существенно меньшее время, что неизбежно приведет к тому, что произойдет увеличение импульсов тока по величине (т.е. увеличатся I2 max и Iв max), по сравнению с выпрямителем, работающим на чисто активную или индуктивную нагрузки.

37

Рисунок 2.15 – Диаграммы, поясняющие работу мостового выпрямителя на емкостную нагрузку.

Это необходимо учитывать при выборе диодов выпрямителей.

Сглаживание выпрямленного напряжения будет происходить тем лучше, чем больше Сф. Однако при этом будет уменьшаться α и, соответственно, возрастать величина импульсов тока, потребляемого из сети.

Аналитический расчет выпрямителей, работающих на нагрузку емкостного характера весьма затруднителен из-за сложного вида токов и напряжений, действующих в схеме в этом случае.

Поэтому при расчете выпрямителей, работающих на емкостную нагрузку, часто пользуются графоаналитическим методом расчета, при этом принимая следующие допущения : 1) при выводе энергетических соотношений полагают емкость конденсатора нагрузки стремящейся к бесконечности (однако при определении коэффициента пульсаций на нагрузке конечное значение емкости учитывают); 2) вольтамперные характеристики диодов вентильного блока считают линейными, что позволяет считать прямое сопротивление диодов rпр постоянным.

Суть графоаналитического метода расчета заключается в следующем [2]. Исходными данными для расчета являются величины, определенные в

пункте 2.1.

В самом начале расчета полагают Ud= = Ud, т.е. не учитывают потери, возникающие при протекании тока через элементы схемы.

Используя формулу (1.18) определяют ток Id=. Далее по известным величинам Id= и Ud= определяют параметр А по формуле:

где m – число пульсаций на период питающего напряжения, определяемое схемой выпрямления. Значение активного сопротивления r в цепи заряда емкости фильтра первоначально принимают равным Rвых тр, которое, в свою очередь, определяется формулой (1.9).

Рассчитываемые величины (I2, I1, Iв max, Iв ср, Uобр max , U2, P1, P2, Pг) связаны с исходными (I d= и Ud=) через коэффициенты (В, D, F). Эта связь представлена в

виде формул, приведенных в Таблице 2.1.

Таблица 2.1. Основные параметры выпрямителей при работе на активноёмкостную нагрузку.