2.4.3. Выпрямители

Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный токв постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

– по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);

– по виду выпрямительных элементов;

– неуправляемые и управляемые;

– по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);

Однофазные выпрямители. Наиболее простой однофазный выпрямитель осуществляет однополупериодное выпрямление (см. рис. 2.38а) [11], так как ток проходит через диод VD и нагрузку R_н только при наличии на аноде диода положительного потенциала. При этом напряжение на выходе, как и в других случаях, не является строго постоянным. Эта схема дает наибольший коэффициент пульсации k_п = 1,57. Постоянная составляющая напряжение на нагрузке U₀ = 0,45 U₂.

В однофазном двухполупериодном выпрямителе на трансформаторе с выводом средней точки (рис. 2.38б) в первый полупериод под действием напряжения ток проходит через диод, а во второй полупериод под действием напряжения– через диод. При этом как в первый, так и во второй полупериоды ток через нагрузкуR_н проходит в одном и том же направлении.

Рис. 2.38. Схемы и временные диаграммы однофазных

выпрямителей

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.40в) в одну половину периода ток проходит через диод, нагрузкуR_н и диод , а в другую половину периода – через диод, нагрузкуR_н и диод . Выходное напряжение оказывается сформированным из полуволн одного знака, следующих без разрыва друг за другом. Постоянная составляющая в обоих однофазных двухполупериодных выпрямителяU₀ = 0,9 U₂ , коэффициент пульсации k_п = 0,66. Частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе соответствует частоте питающей сети, а в двухполупериодном выпрямителе она в два раза больше.

Пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются, а частота их возрастает при многофазном выпрямлении.

Однофазные управляемые выпрямители. Для примера рассмотрим однофазный управляемый двухполупериодный выпрямитель (рис. 2.39), выполненный на тиристорах по схеме с выводом средней точки трансформатора. Он содержит трансформатор напряжения с двумя одинаковыми секциями вторичной обмотки, два тиристора и. Нагрузкой выпрямителя является резистор.

Рис. 2.39. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы напряжений (рис. 2.40). В интервале углов от 0 до напряжениеположительно. Ток нагрузки=проходит по цепи (см. рис. 2.39: вывод 1 трансформатора ––– вывод 3) с момента включения тиристора, оцениваемого углом включения(см. рис. 2.40г), так как в его цепи управления появляется ток > 0. Тиристорбудет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.

В интервале углов от до 2напряжениеотрицательно. Ток нагрузки=проходит по цепи (вывод 2 трансформатора ––– вывод 3) с момента включения тиристора, так как в его цепи управления появляется ток> 0. Тиристорбудет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.

Рис. 2.40. Временные диаграммы напряжений на нагрузке

и между катодом и анодом одного из тиристоров

Временная диаграмма напряжения на нагрузке (рис. 2.40г) поясняет работу силовой части двухполупериодного выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и угле управления = 45^о.

При изменении угла будет изменяться время работы тиристоров и величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:

,

где– напряжение холостого хода выпрямителя при= 0.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления называется регулировочной характеристикой. На рис. 2.41 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки.

Рис. 2.41. Регулировочная характеристика управляемого

выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку

При увеличении тока нагрузки среднее значение выпрямленного напряжениябудет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимостьназываетсявнешней характеристикой управляемого выпрямителя. Так как потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах имеют постоянный наклон (рис. 2.42).

Рис. 2.42. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя

Трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 2.43а.

а

б

Рис. 2.43. Схемы и временные диаграммы трехфазных

выпрямителей

Принцип его работы заключается в том, что каждую треть периода ток проводит тот из диодов, который в данный момент времени имеет наибольшее положительное напряжение. На двух других диодах результирующее напряжение оказывается обратным и они не могут проводить ток. Так как фазы с наибольшим положительным напряжением последовательно сменяются, соответственно сменяются и открытые диоды. Такое самопроизвольное переключение диодов называют естественной коммутацией. В результате диоды ,,последовательно открываются и закрываются, поочередно подключая к нагрузкеR_н фазные обмотки с фазными напряжениями . Выходное напряжение соответствует на диаграмме огибающей входных фазных напряжений. В таком выпрямителе коэффициент пульсацииk_п = 0,25, частота пульсаций в три раза превышает частоту питающей сети, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ = 1,17 U_2ф.

Меньшую пульсацию дает трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.43б). В нем, как и в однофазном мостовом выпрямителе, в каждый момент времени ток через нагрузку R_н пропускает пара диодов (один из верхней группы – ,,и один из нижней группы –,,), причем та пара, на которую действует наибольшее линейное напряжение (положительное или отрицательное). Через каждуюпериода пары сменяются в результате естественной коммутации диодов (вентилей) и напряжение на выходе формируются из отрезков полуволн линейных напряжений, как показано на диаграмме. Коэффициент пульсацииk_п 0,05, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U₀ = 2,34 U_2ф.

Однофазные выпрямители применяются чаще всего в качестве маломощных источников постоянного тока. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя располагают электрические фильтры (емкостные C, индуктивные L или более сложные Г – образные и П – образные, состоящие из L и C).

Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузок большой мощности. При необходимости дополнительного сглаживания пульсаций в мощных выпрямителях применяют катушки индуктивности, включаемые последовательно с нагрузкой [11].