Лекция 3. Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители

3.1. Классификация и основные параметры выпрямителей

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

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и диоды, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. С помощью трансформатора в выпрямителях производится преобразование величины напряжения, электрическое разделение отдельных цепей, преобразование числа фаз.

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

• средние значения выпрямленного напряжения U_d(U_ср) и токаI_d(I_ср);

• коэффициент полезного действия ;

• коэффициент мощности ;

• внешняя характеристика - зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки U_d=f(I_d);

• коэффициент пульсаций К_п- отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянной составляющей).

В зависимости от характера нагрузки изменяется режим работы трансформатора и диодов. Различают режимы работы выпрямителя на чисто активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную нагрузки.

Рассмотрим работу различных схем однофазных выпрямителей на активную нагрузку.

3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

На схеме приняты следующие обозначения напряжений и токов:

U₁,U₂– действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора;

I₁,I₂– действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора;

I_a– средний ток диодаVD;

U_d– среднее значение выпрямленного напряжения;

I_d– среднее значение выпрямленного тока.

Анализ работы схемы проведём по упрощённой методике, без учёта потерь напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и динамическом сопротивлении открытого диода.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Временная диаграмма работы однофазного однополупериодного выпрямителя

Под действием переменного напряжения u₂=U_2msintвторичной обмотки ток в цепи нагрузки может проходить только в течение нечётных полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В чётные полупериоды, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Мгновенное значение выпрямленного тока

, при 0<t<;

, при<t<2,

где - максимальное значение выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного напряжения

. (3.1)

Среднее значение выпрямленного тока (а также тока диода)

. (3.2)

Действующее (эффективное) значение тока диода

. (3.3)

Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки

. (3.4)

По найденным величинам I_a,I_a.эфиU_b.maxвыбирается диод для работы в схеме. Согласно полученным результатам диод должен допускать максимальное обратное напряжение в 3,14 раза превышающее напряжение в нагрузке, или в2 раз больше напряжения вторичной обмотки трансформатора. Переменная составляющая выпрямленного напряжения и тока для данной схемы, как следует из временных диаграмм дляuиi, велика, причем основная гармоника пульсаций имеет частоту, равную частоте питающей сети.

Рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Отношение действующего значения фазного тока I₂к его среднему значениюI_2cpназывается коэффициентом формы токаD(илиК_ф):

. (3.5)

Постоянная составляющая фазного тока

, (3.6)

где m₂– число фаз вторичной обмотки трансформатора. В рассматриваемой схемеm₂= 1.

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока

. (3.7)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

, (3.8)

где P_d=U_dI_d– мощность постоянного тока в нагрузке.

Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора можно определить из уравнения магнитного равновесия трансформатора, если пренебречь током намагничивания и учесть, что постоянная составляющая тока в первичную обмотку не трансформируется. Уравнение магнитного равновесия трансформатора по переменному току

.

Мгновенное значение тока первичной обмотки

,

где n– коэффициент трансформации.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

. (3.9)

Расчетная мощность первичной обмотки

. (3.10)

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

. (3.11)

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

Коэффициент мощности выпрямителя в общем виде определяется как

,

где - активная мощность первичной обмотки, представляющая собой среднее значение мощности переменного тока за период и определяющаяся как сумма активных мощностей отдельных гармонических составляющих тока;

- полная мощность первичной обмотки.

Если полагать, что напряжение питающей сети синусоидально, то . Следовательно, коэффициент мощности

, (3.12)

где - коэффициент искажений;

₁– угол сдвига фаз между напряжением питающей сети и первой гармоникой тока первичной обмотки.

В рассматриваемом случае ₁=0, но коэффициент мощности меньше единицы, так как= 0,91. Это является одной из причин, вызывающих увеличение габаритных размеров трансформатора.

Активная мощность выпрямленного тока вычисляется как среднее значение мощности пульсирующего тока за период

, (3.13)

то есть мощность Р_абольше мощности постоянного тока в нагрузке примерно в 2,5 раза, что также является причиной увеличения размеров трансформатора.

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. Это явление принято называть вынужденным намагничиванием(подмагничиванием) трансформатора. В результате подмагничивания намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током при нормальном режиме работы (без подмагничивания). Возрастание намагничивающего тока требует увеличивать сечение провода первичной обмотки и размер трансформатора в целом. Однополупериодный выпрямитель из-за перечисленныхнедостатковприменяется достаточно редко.