5 Выпрямительные устройства

В судовых электроустановках встречается ряд потребителей элект­рической энергии, которые требуют для своей работы постоянное на­пряжение (зарядка аккумуляторов, питание радиоэлектронной аппа­ратуры, систем автоматики, электропривод и т. д.). В настоящее время в большинстве случаев для получения постоянного напряжения применяют статические преобразователи переменного тока в по­стоянный ток (выпрямители), выполненные на основе полупроводни­ковых диодов или тиристоров.

Полупроводниковые выпрямители имеют малые весовые и габарит­ные показатели, отличаются высокой надежностью в работе, большим сроком службы, высоким значением к.п.д., простотой конструкции, постоянной готовностью к работе. Полупроводниковые диоды преобра­зуют переменное напряжение в пульсирующее выпрямленное напря­жение, что обеспечивает одностороннее протекание тока в нагрузке. Они имеют вибро- и ударопрочные конструкции, работают при высокой влажности и любом положении.

Выпрямители классифицируются по различным признакам:

1. числу фаз вторичной обмотки трансформатора (одно- и трехфазные);

2. форме выпрямленного напряжения (одно- и двухполупериодные);

3. схеме соединения вентилей (с последовательным включе­нием вентиля и вторичной обмотки и мостовые);

4. мощности (маломощ­ные – 100 Вт, средней мощности – 5 кВт и мощные – свыше 5 кВт);

5. напряжению;

6. частоте выпрямленного тока (промышленной частоты – 50 Гц, повышенной частоты – от 400 до 1000 Гц и высокой частоты – свыше 1000 Гц).

5.1 Однофазные выпрямители на полупроводниковых диодах

Среди однофазных неуправляемых выпрямителей можно выделить четыре основных схемы выпрямителей, имеющих существенные различия по параметрам выходной электроэнергии, электромагнитным нагрузкам на элементы и технико-экономическим показателям.

Однополупериодная схема выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 5.1, а. На рис. 5.1, б показаны временные диаграммы токов и напряжений в схеме. Принцип работы основан на том, что положительная

полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через выпрямительный диод, включенный в прямом направлении.

Отрицательная полуволна напряжения в нагрузку не поступает, так как для неё выпрямительный диод включен в обратном направлении. Вследствие этого на нагрузке выделяется пульсирующее напряжение одной полярности.

На рис. 5.1, б показаны временные диаграммы: напряжения e₂ вторичной обмотки трансформатора, временные диаграммы напряжения u_d и тока i_d нагрузки, напряжения u_a и ток i_a выпрямительного диода, токов вторичной i₂ и первичной i₁ обмоток трансформатора.

Из диаграмм видно, что при синусоидальном напряжении на первичной обмотке трансформатора напряжения и токи элементов схемы существенно отличаются от синусоидальных. Поэтому при анализе схемы необходимо найти количественную связь между действующими значениями напряжения и тока питающей сети E₁ и I₁ и действующим и средними значениями напряжения и тока элементов схемы.

Среднее значение напряжения на нагрузке U_d в соответствии с определением численно равно частному от деления площади фигуры, ограниченной функцией напряжения нагрузки и осью ординат, на длину интервала, на котором определяется среднее значение. В первом полупериоде напряжение на нагрузке повторяет форму напряжения вторичной обмотки трансформатора

,

где и- амплитудное и действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора;

- угловая частота;

t - текущее время.

Во втором полупериоде напряжение на нагрузке равно нулю. Длина интервала, на котором определяется среднее значение напряжения на нагрузке, равно периоду напряжения вторичной обмотки трансформатора. Из этого следует

. (5.1)

Среднее I_d и мгновенное i_d значения тока нагрузки можно определить, зная активное сопротивление нагрузки R_d

.

Мгновенные значения токов вторичной обмотки трансформатора, выпрямительного диода и нагрузки совпадают, так как они включены последовательно в неразветвлённую цепь .

Величину тока I_a выпрямительного диода принято оценивать по его среднему значению, поэтому ток диода равен току нагрузки , но токI₂ вторичной обмотки трансформатора оценивают по его действующему значению, которое в соответствии с определением равно

, (5.2)

где - амплитуда тока вторичной обмотки трансформатора.

Ток первичной обмотки трансформатора не может содержать постоянной составляющей, так как постоянная составляющая тока вторичной обмотки не может трансформироваться в первичную в соответствии в принципом работы трансформатора. Поэтому временная диаграмма тока i₁ симметрична относительно оси ординат. Вследствие этого ток i₁ можно выразить следующим образом

,

где - переменная составляющая тока вторичной обмотки трансформатора,

n- коэффициент трансформации трансформатора.

Действующее значение тока I₁ первичной обмотки трансформатора равно

.

Для выпрямительных диодов критическим является максимальное напряжение, которое прикладывается к диоду в закрытом состоянии. Это напряжение U_а называют обратным напряжением. Оно не должно превышать предельно допустимого напряжения для данного типа выпрямительных диодов. В схеме однополупериодного выпрямителя это напряжение равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Установленная (типовая или габаритная) мощность P_т, по которой можно судить о габаритах и весе трансформатора, а также о технико-экономических показателях преобразователя в целом, равна полусумме мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора.

,

где - мощность нагрузки.

Качество выпрямленного напряжения оценивают величиной коэффициента пульсации q, который равен отношению амплитуды первой гармоники к среднему значению на нагрузке. Его можно определить путем разложения в ряд Фурье выходного напряжения

,

.

Вследствие низких технико-экономических показателей однополупериодная схема выпрямления применяется только в маломощных (чаще всего в высоковольтных) выпрямителях, мощностью до 10 Вт.

Двухполупериодная схема выпрямления со средним выводом вторичной обмотки трансформатора. Схема двухполупериодного выпрямителя со средним выводом вторичной обмотки трансформатора показана на рис. 5.2, а. Из рисунка видно, что схема отличается от однополупериодной наличием ещё одной вторичной обмотки трансформатора и ещё одного выпрямительного диода, подключенного к нагрузке. Напряжение e₂¹¹ этой дополнительной обмотки находится в противофазе с напряжением e₂¹. Обе обмотки идентичны по величине напряжения (рис. 5.2, б), поэтому напряжение вторичной обмотки поступает в нагрузку в каждый полупериод, а токи вторичных обмоток i₂¹ и i₂¹¹, равные токам диодов i_а1 и i_а2, протекают только в течение половины периода, причем в разных полупериодах (рис. 5.2, б).

Среднее значение напряжения на нагрузке можно определить, воспользовавшись формулой (5.1), с учётом того, что напряжение поступает в нагрузку в оба полупериода, среднее значение напряжения на нагрузке в два раза больше, чем у однополупериодного выпрямителя

.

Действующее значение токов вторичных полуобмоток трансформатора можно определить, используя формулу (9.2), с учётом соотношения между амплитудой тока I_2m вторичной полуобмотки и средним значением тока нагрузки

.

Подставив полученное значение I_2m в формулу (5.2), найдем величину действующего значения тока вторичной полуобмотки

.

Ток первичной обмотки, выраженный через ток нагрузки и коэффициент трансформации, равен

.

Напряжение на первичной обмотке связано с напряжением на нагрузке соотношением

.

Мощность первичной обмотки трансформатора

.

Мощность вторичной полуобмотки трансформатора

.

Установленная мощность трансформатора равна половине суммарной мощности всех обмоток трансформатора

.

Среднее значение тока выпрямительного диода равно половине тока нагрузки, так как каждый диод проводит ток только половину периода

.

Обратное напряжение на диоде равно двойной амплитуде напряжения вторичной полуобмотки, так как к непроводящему диоду прикладывается напряжение двух вторичных полуобмоток через диод, находящийся в проводящем состоянии

.

Коэффициент пульсации напряжения на нагрузке вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме, так как при одинаковой амплитуде пульсации среднее значение напряжения на нагрузке вдвое больше

,

.

Мостовой выпрямитель. На рис. 72, а показана схема мостового выпрямителя, на рис. 5.3, б - временные диаграммы напряжений и токов в элементах схемы.

Постоянное напряжение на нагрузку поступает от диодного коммутатора VD1-VD4, обеспечивающего протекание тока через нагрузку в одном направлении. В первом полупериоде ток течет от верхнего конца вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R_d диод VD4 к нижнему концу вторичной обмотки трансформатора. Во втором полупериоде - от нижнего конца вторичной обмотки трансформатора через диод VD2, нагрузку R_d, диод VD3 к верхнему концу вторичной обмотки трансформатора.

Из временных диаграмм видно (рис. 5.3, б), что напряжение и ток нагрузки постоянные пульсирующие, а ток вторичной обмотки - переменный синусоидальный. Это основное достоинство мостовой схемы выпрямления, так как установленная мощность трансформатора в этом случае получается наименьшей.

Среднее значение напряжения на нагрузке такое же, как и в схеме двухполупериодного выпрямителя со средним выводом вторичной обмотки трансформатора, так как графики изменения напряжения на нагрузке у них идентичны

.

Ток вторичной обмотки синусоидальный, поэтому связь между средним значением тока нагрузки и действующим значением тока вторичной обмотки такая же, как и между средним значением напряжения на нагрузке и действующим значением напряжения вторичной обмотки

.

Ток вторичной обмотки, а, следовательно, и ток первичной – синусоидальны, поэтому, если не учитывать потерь, мощности обмоток равны, поэтому установленная мощность трансформатора равна

.

Среднее значение тока выпрямительного диода равно половине тока нагрузки, так как полпериода ток течет через диоды VD1 и VD4, а другие полпериода - через диоды VD2 и VD3

.

Обратное напряжение на диодах равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора, так как к непроводящему диоду прикладывается напряжение вторичной обмотки через другой диод, находящийся в открытом состоянии

.

Коэффициент пульсации напряжения на нагрузке такой же, как и в схеме двухполупериодного выпрямителя со средним выводом вторичной обмотки трансформатора, так как формы напряжения на нагрузке у них одинаковы

q = 0,67.

Контрольные вопросы:

1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления. Принцип работы. Временные диаграммы.

2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Принцип работы. Временные диаграммы

3. Мостовая схема выпрямления. Принцип работы. Временные диаграммы.

Литература:[6, 7, 8, 10].