Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленная электроника. Учебное пособие
.pdf
ловая часть которого состоит в общем случае из следующих основных узлов:
• Трансформатора;
• Блока полупроводниковых элементов;
• Выходного фильтра.
Классификация выпрямителей по мощности и напряжению
весьма условна. Обычно по мощности выделяют выпрямители:
• Маломощные (до одного кВт);
• Средней мощности (до 100кВт);
• Мощные (свыше 100кВт).
А по напряжению:
• Низкого (до 250 В);
• Среднего (до 1000В);
• Высокого (свыше 1000В).
По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.
По схеме выпрямления различают выпрямители:
• С одним диодом (однофазный однополупериод-
ный);
• Со средней точкой (однофазный двухполупери-
одный и трехфазный);
• Мостовые.
Однополупериодные выпрямители.
Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рисунок 4а) является простейшей из известных схем
выпрямления. Для упрощения анализа будем считать диод и
трансформатор идеальными, т. е. полагаем, что сопротивление
диода в прямом направлении равно нулю, в обратном - бесконечности, а активные и реактивные сопротивления обмоток
трансформатора равны нулю.
-21-
а б
2
2
2
2
2
Рисунок 4 - Принципиальная схема однополупериодного
выпрямителя (а), и основные диаграммы (б)
В течение первого полупериода напряжения на вторичной
обмотке трансформатора, когда на аноде диода VD потенциал
будет положительный относительно катода, диод открыт. На-
пряжение
U на вторичной обмотке трансформатора будет не-
посредственно приложено к нагрузке нR и в ней возникнет ток
I (рисунок 4б), который будет повторять форму напряжения
на вторичной обмотке трансформатора, так как трансформатор
идеальный. В течение второго полупериода на аноде диода VD
будет относительно катода отрицательный потенциал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю. Среднее значение
выпрямленного напряжения на нагрузке, его постоянную со-
ставляющую
UU =0 в пределах периода, можно найти из сле-
н
дующего равенства (см. рисунок 4б):
π
Если напряжение
1
=
∫
π
2
0
U изменяется по синусоидальному за-
.
dtUU
20
кону tSinUu ω=
, то
-22-
π
1
1
=
∫
m
20
π
2
0
U
m
2
=ω
tdtSinUU
.
π
Заменив амплитудное значение напряжения mU2 его действующим значением (
U =
0
2UUm= ), получим:
22
U
=
2
π
45,02 U
. (2)
2
Отсюда:
U
0
U =π= ,
2
22,22U
0
т. е. действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на на-
грузке. Постоянную составляющую выпрямленного тока 0I
можно подсчитать по формуле:
I
0
== . (3)
R
R
π
н
U
U
I
m
н
m
220
=
π
I
318.0=
m
2
Обычно значение напряжения 0U , так же как и тока, задается при расчете выпрямителя.
Если напряжение сети
U известно, то коэффициент
трансформации трансформатора, необходимый для обеспечения
заданного напряжения 0U на нагрузке, должен быть равен
U
1
n = .
U
2
Из работы схемы следует, что в течение тех полупериодов,
когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной обмотке трансформатора, причем это
напряжение имеет обратную для диода полярность. Максимальная величина этого напряжения, называемая обратным напря-
жением
U , равна амплитуде напряжения на вторичной об-
обр
мотке трансформатора mU2, т. е.
-23-
14,3 UUU
== .
mобр
02
Таким образом, максимальное обратное напряжение на
диоде более чем в три раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.
При проектировании однополупериодных выпрямителей
важно правильно выбрать тип диода, который удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основании
следующих соображений:
• Диод должен обладать определенной электрической
прочностью, т. е. допустимое обратное напряжение для диода
должно быть больше или равно расчетному обратному напряжению схемы:
UU ≥
, (4)
max
где
U - максимально допустимое обратное напряжение
max
обр
обробр
выбранного диода.
Если неравенство (4) не выполняется, необходимо либо
взять диод с более высоким допустимым обратным напряжением, либо включить несколько однотипных диодов последовательно.
• Во-вторых, допустимый ток диода должен превышать
величину 0I . Поэтому необходимо, чтобы
II
≥ . (5)
прср
0max
Если неравенство (5) не выполняется, то необходимо подобрать диод с более высоким значением
I или вклю-
max
прср
чить несколько однотипных диодов параллельно друг другу.
Из рисунка 4б видно, что напряжение на нагрузке пульсирует, достигая максимального значения один раз за период, такую кривую напряжения можно представить в виде суммы постоянной составляющей и ряда синусоид различной амплитуды
и частоты. Постоянная составляющая 0U , т.е. среднее значение
-24-
выпрямленного напряжения на нагрузке, была определена ранее
Г
(2). Из переменных составляющих выпрямленного напряжения
наибольшую амплитуду имеет составляющая самой низкой (основной) частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно доказать, что для однополупериодной схемы амплитуда первой
гармоники:
57,1 UU
= . (6)
Гm
Частота первой гармоники
01
f равна частоте сети
f так
C
как кривая напряжения на нагрузке достигает максимального
значения один раз за период.
Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются коэффициентом пульсаций:
U
1
Г
k
П
m
= .
U
0
Для однополупериодной схемы коэффициент пульсаций с
учетом (6):
U
0
57,157,1
k
П
U
==
,
0
т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.
По вторичной обмотке проходит постоянная составляющая
тока нагрузки 0I . Она подмагничивает сердечник трансформа-
тора. В стали трансформатора возникают потери, увеличивается
ток холостого хода трансформатора и снижается КПД всего устройства.
Для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали
трансформатора приходится увеличивать сечение его сердечника. Это увеличивает габариты и массу всего выпрямителя.
Постоянная составляющая 0I тока в отличие от переменных не трансформируется в первичную обмотку трансформато-
ра, поэтому для определения величины и формы тока в первич-
-25-
ной обмотке нужно вычесть из тока вторичной обмотки
2
−
i по-
стоянную составляющую 0I и мгновенные значения тока изменить в п раз:
Ii
i
= ,
1
02
n
или
1
I
2
21
n
m
2
II
−= ,
0
где п - коэффициент трансформации.
Из (3) находится амплитуда тока вторичной обмотки
57,1 IIm= , поэтому:
02
1
I
n
01
I
22
II
n
I
00
21,1157,1)57,1(
=−=−= ,
n
ток первичной обмотки несинусоидален.
Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется по формуле:
IUP = .
000
При определении мощности трансформатора необходимо
учитывать не только постоянные, но и переменные составляющие тока и напряжения. Эта мощность называется габаритной и
определяется действующими значениями тока и напряжения:
)SS(,S;IUS;IUS
21111222
где
тр
, - габаритные мощности вторичной и первич-
SSS
тр
12
50 +=== ,
ной обмотки трансформатора.
В однополупериодной схеме выпрямления габаритная
мощность вторичной обмотки больше, чем первичной, из-за наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки,
следовательно, габаритная мощность трансформатора также
возрастает. Это является недостатком однополупериодной схемы выпрямления.
-26-
Коэффициентом использования трансформатора называется отношение полезной мощности выпрямителя к габаритной
мощности трансформатора:
k0=
тр
P
.
S
тр
Большой коэффициент пульсации, большие размеры
трансформатора вследствие плохого использования его обмоток,
большое обратное напряжение на диод ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на ее
простоту.
Двухполупериодные выпрямители.
Двухполупериодные схемы выпрямления бывают двух типов, схема c выведенной средней точкой вторичной обмотки
трансформатора и мостовая схема.
а б
Рисунок 5 - Двухполупериодная схема с выводом
средней точки (а) и основные диаграммы (б)
Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рисунок 5а) состоит из трансформатора
T , вторичная обмотка
p
которого имеет дополнительный вывод от средней точки, и двух
-27-
диодов 1VD и 2VD . Данная схема представляет собой сочетание
2
двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода (интервал 0 - π)
диод 1VD будет открыт, так как к аноду диода приложен поло-
жительный потенциал с верхней точки вторичной обмотки
трансформатора, а катод через нагрузку подключен к среднему
выводу вторичной обмотки, который имеет отрицательный потенциал. Через нагрузку нR будет проходить ток
i первого
1VD
диода (см. рисунок 5а). На этом же отрезке времени к диоду
2VD будет приложено обратное напряжение (с другой полови-
ны вторичной обмотки трансформатора) и он окажется закрытым. В течение следующего полупериода (интервал π - 2π) прямое напряжение окажется приложенным ко второму диоду, а
обратное - к первому диоду, поэтому открытым будет диод 2VD
и по нагрузке проходит ток.
Таким образом, ток в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения протекает в одном и том же направлении. Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение
U .
н
Основные параметры схемы:
• Среднее значение выпрямленного напряжения на на-
грузке 0U за период будет в два раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом (2)
π
1
=
∫
π
где
U действующее значение напряжения на одной из полуоб-
20
0
dSinUU =
2
U
22
=ϑϑ
2
π
,
9,0
U
2
моток трансформатора.
• Среднее значение выпрямленного тока:
22
U
2
Iπ=
0
. (7)
R
н
-28-
• Максимальное обратное напряжение на диоде, напри-
мер, на 1VD , определяется максимальным напряжением между
концами вторичной обмотки, так как к аноду диода 1VD прило-
жено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный
момент отрицательное, а к катоду, через диод 1VD , который
проводит ток, приложено положительное напряжение нижнего
конца вторичной обмотки. Используя (7), получим
обр
=π== .
002max
14,322 UUUU
Следовательно, в двухполупериодной схеме максимальное
обратное напряжение на диоде более чем в три раза превышает
выпрямленное напряжение.
Если в данной схеме ток через каждый диод проходит
только в течение половины периода, то в это же время через нагрузку он идет в течение всего периода. Это означает, что среднее значение тока через диод в два раза меньше, чем среднее
значение тока через нагрузку 0I .
• Действующее значение токов, проходящих через пер-
вичную и вторичную обмотки трансформатора:
I
в
I
1
max
k
I
π
== ,
0
k
222
TT
785,0 II = .
02
• Максимальное значение тока вентиля:
2
I
max
в
R
U
н
• Среднее значение тока через диод
π
2
== .
2
I
0
I равно полови-
српр
не тока нагрузки, так как в схеме поочередно проводят ток два
вентиля:
5,0 II
= .
српр
0
• Действующее значение тока вентиля:
-29-
1
+
П
=
∫
max,
вв
π
22
π
.
IdSinII
=ϑϑ
0
42
• Мощности обмоток трансформатора:
Для первичной обмотки:
2
π
н
P
=
8
,
н
0
где
= .
IUP
ннн
000
I
ππ
===
UkIUkIUS
нTT
012111
0
k
2222
T
Для вторичной обмотки:
2
2
== .
2
ππ
00222
4
π
=
PIUIUS
ннн
0
24
• Расчетная мощность трансформатора:
SS
S
= .
21
P
48,12=
нT
0
• Коэффициент пульсаций:
k
.
67,0
=
Из временных диаграмм (рисунок 5б) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума дважды за период напряжения сети. Поэтому частота основной гармоники пульсирующего напряжения равна удвоенной частоте напряжения сети.
Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций
k = 0,67, следовательно, рассмотренная схема дает более
cглаженное выпрямленное напряжение, чем однополупериод-
ная.
Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного
выпрямления не подмагничивается, так как во время четных полупериодов постоянная составляющая тока, проходя по нижней
части вторичной обмотки трансформатора, размагничивает сердечник трансформатора, который намагнитился во время нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки несинусоидален.
Так как для получения выпрямленного напряжения необходим
-30-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]