2. Неуправляемые выпрямители

2. Общие сведения

Выпрямитель – устройство, преобразующее напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Это устройство нелинейное, поскольку преобразуется спектр сигнала. На рис.2.1 показано условное изображение выпрямителя (преобразователя AC/DC), а также временные и спектральные характеристики входного (U₁) и выходного (U_d) напряжений.

Рисунок 2.1 – Условное изображение выпрямителя (AC/DC) и

характеристики входного и выходного напряжений

Задача выпрямителя – перенести энергию сигнала U₂ с частоты сети f_c на постоянную составляющую – сигнал U_0.

Выпрямители характеризуются рядом показателей, основными из которых являются:

• коэффициент пульсации:

- отношение амплитуды k- ой гармоники пульсаций к средневыпрямленному значению напряжения (постоянной составляющей);

• коэффициент выпрямления по напряжению:

- отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения во вторичной цепи трансформатора;

• пульсность (число фаз выпрямления):

- отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения, k – число вторичных обмоток (1, 2 или 3), q – число полупериодов выпрямления – число импульсов тока через одну обмотку за период сети (1 или 2);

• коэффициент полезного действия (КПД):

- отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Во время работы p-n перехода на нём рассеивается мощность (Р) и происходит его нагрев, для охлаждения используют радиатор. Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели (рис. 2.2). Тепло, выделяемое в полупроводнике (П) передается на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.

Рисунок 2.2 – Тепловая модель полупроводника

Величины тепловых сопротивлений (размерность градус/ватт) в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный перепад t :

(2.1)

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температур на отдельных элементах: , которая должна быть меньше допустимой для данного полупроводникаt_n< t_доп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (P_пр), потерь на преодоление противо - ЭДС (P_пор) и коммутационных потерь (P_ком):

, где

Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме полезной- постоянной составляющей U₀ целый ряд гармонических составляющих (пульсации):

. (2.2)

В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье, её среднее значение определяется площадью, ограниченной рассматриваемой функцией за период повторения, усреднённой по периоду (рис 2.3).

Рисунок 2.3 – Напряжение на выходе неуправляемого впрямителя

Так как площадь определяется вольт- секундным интегралом, то для напряжения, представленного на рисунке получим выражение для U₀:

(2.3)

Коэффициент выпрямления по напряжению равен

.

Аналогично, выражение для амплитуды k - ой гармоники -

(2.4)

Коэффициент пульсаций определяется выражением:

(2.5)

Видно, что для повышения коэффициента выпрямления К₀ необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

• увеличение фазности питающих напряжений,

• увеличение числа коммутируемых элементов,

• расщепление фазных напряжений за счет соединения вторичных обмоток трансформатора «зигзагом».

Предельное значение K₀ имеет место при p: К₀, а U₀U_2m.

Основные схемы сетевых выпрямителей. Наиболее часто сетевые выпрямители выполняют по схемам, приведенным на рис. 2.4.

Рисунок 2.4 - Схемы выпрямителей

Однофазная, двухтактная (мостовая) схема (рисунок 2.4,а ) или двухполупериодный выпрямитель. Он содержит четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке 2.5 представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

Рисунок 2.5 – Временные зависимости токов и напряжений однофазного мостового выпрямителя

На интервале от 0 до  фазное напряжение (U₂) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U₂ проходит в нагрузку. В момент смены полярности U₂ происходит коммутация вентилей (VD3, VD2).

Основные соотношения для данной схемы выпрямления:

Габаритная мощность трансформатора определяется выражением

Коэффициент использования трансформатора равен

К достоинствам однофазного мостового выпрямителя можно отнести высокое значение коэффициента выпрямления К₀, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. По сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (однополупериодной, двухфазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение. Недостатки - ток протекает через два вентиля каждый полупериод, значит велики потери в звене выпрямления, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (трехфазный однополупериодный) содержит три диода (вентиля), подключенных к различным фазам трехфазной системы (рисунок 2.4, б). На рисунке 2.6 представлены графики зависимостей для токов и напряжений в различных точках схемы выпрямления. На интервале времени [t₁;t₂] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы “a”. В момент t₂ происходит коммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы “b” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t₂; t₃] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “b” и “a” и он находится в закрытом состоянии. В момент t₃ прикладывается линейное напряжения U_ca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

Основные соотношения: ;;

.

Рисунок 2.6 – Временные зависимости токов и напряжений в трехфазной однотактной схеме выпрямления

Достоинствами схемы выпрямления являются: более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени); с точки зрения монтажа – существует возможность размещения вентилей на одном радиаторе. К недостатком этой схемы можно отнести: высокий уровень обратного напряжения; однополярная форма потребляемого тока; более низкие качественные показатели (K _п , K₀) ; с точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из - за нулевого вывода.

Трёхфазная мостовая схема выпрямления состоит из двух трехфазных однополупериодных схем, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и работающих на общую нагрузку. На рисунке 2.7 представлены графики зависимостей токов и напряжений от времени в различных точках схемы выпрямления. На интервале [t₁;t₃] фаза “a” имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается “+”). В момент времени t₃ происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза “b” становится более положительной по отношению к другим фазам.

Рисунок 2.7 – Временные зависимости токов и напряжений в трехфазной двухтактной схеме выпрямления

На интервале [t₂;t₄] фаза “c” имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля и он работает два такта.

Основные соотношения:

;;;

;.

Достоинствами схемы выпрямления являются: высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения; малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра; возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи; двухполярная форма потребляемого тока. К недостаткам схемы можно отнести: большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки; наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп вентилей.

Внешняя характеристика выпрямителя. Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость средневыпрямленного напряжения от тока нагрузки. Схема замещения выпрямителя на стороне постоянного тока представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Схема замещения выпрямителя

Имеют место следующие обозначения: U_0хх – максимальный уровень напряжения на “холостом ходу” неуправляемого выпрямителя без учета противо - ЭДС диода (U_пор), т.е. , где;N_д – число вентилей (диодов) одновременно проводящих ток (в однополупериодной схеме N_д=1, в двухполупериодной - N_д=2); R_кз – потери в обмотках трансформатора, определяемые из опыта “короткого замыкания”; R_д – динамическое сопротивление диода; R_ф – активные потери в дросселе сглаживающего фильтра.

Уравнение для определения среднего напряжения на выходе нагруженного выпрямителя имеет вид:

, где . (2.6)

На рисунке 2.9 представлена внешняя характеристика выпрямителя.

Рисунок 2.9 – Внешняя характеристика выпрямителя

Под семейством внешних характеристик понимается построение U₀=f(I₀) с учетом отклонения напряжения сети и в диапазоне тока (I_0max…I_0min).