7.2 Однофазная схема выпрямления с нулевой точкой
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой (средней) точкой изображена на рисунке 7.1. Своё название схема получила из-за того, что вторичная обмотка вентильного трансформатора разделена на две равные части и из средней точки раздела сделан вывод, к которому подключается нагрузка. Данную схему можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих в противофазе на общую нагрузку Rн. В первую половину периода, когда полярность напряжения на вторичной обмотке вентильного трансформатора соответствует обозначениям на рисунке 7.1, в проводящем состоянии находится диодVD1, аVD2закрыт. Ток протекает в верхнем контуре вторичной цепи по часовой стрелке. Во второй полупериод полярность напряжения на обмотке меняется и в работу вступает диодVD2, аVD1закрывается. Ток в этом случае протекает в нижнем контуре вторичной цепи против часовой стрелки. Коммутация тока с одного диода на другой происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Независимо от того, какой диод открыт, через нагрузкуRН токiHпроходит в одном направлении, указанном на рисунке 7.1.
Работа выпрямителя иллюстрируется с помощью временных диаграмм, приведённых на рисунке 7.2. Из этих диаграмм видно, что частота пульсации выходного напряжения uH на нагрузке в два раза выше частоты сети, поэтому однофазная схема с нулевой точкой считается двухпульсовой (двухполупериодной).
Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя для данной схемы
,
(7.1)
где U2 – действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки вентильного трансформатора;
ω – угловая частота входного напряжения.
Рисунок 7.1 – Однофазная двухполупериодная схема
Выпрямления с нулевой точкой
Рисунок 7.2 – Временные диаграммы работы однофазной двухполупериодной схемы с нулевой точкой: u2 – кривая напряжения на половине вторич-ной обмотки трансформатора; iV1, iV2 – кривые токов диодов VD1 и VD2; uV1, uV2 – напряжение на диодах VD1 и VD2; iн – кривая тока нагрузки; uн – кривая напряжения на нагрузке
Действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора
(7.2)
Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:
.
(7.3)
Максимальное значение тока диода
.
(7.4)
Действующее значение тока диода
.
(7.5)
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
(7.6)
где RH– сопротивление нагрузки выпрямителя.
Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода
(7.7)
Напряжение на нагрузке – несинусоидальное пульсирующее, состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. Оно образовано постоянным напряжением некоторой величины и набором переменных синусоидальных напряжений определённой частоты и амплитуды. Эти синусоидальные напряжения называются гармониками. Величина каждой составляющей напряжения на нагрузке может быть получена после разложения исходной несинусоидальной кривой в ряд Фурье.
Для рассматриваемой схемы в результате разложения имеем:
.
Из разложения видно, что напряжение на
нагрузке формируется постоянной
составляющей величиной Ud,
не зависящей от времени, и гармониками
с чётной частотой и убывающей амплитудой
.
Для оценки качества напряжения на выходе выпрямителя вводится коэффициент пульсации, под которым подразумевается отношение амплитуды основной гармоники в кривой выпрямленного напряжения к среднему значению этого напряжения. Основной считается гармоника с минимальной частотой.
Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения рассматриваемой схемы
,
следовательно, коэффициент пульсации
.
(7.8)
Коэффициент трансформации трансформатора
.
(7.9)
Мощность первичной обмотки вентильного трансформатора
,
где Рd─ мощность на выходе выпрямителя (мощность нагрузки).
Суммарная мощность двух вторичных обмоток трансформатора
.
(7.10)
Расчетная мощность трансформатора
.
(7.11)
Если на выходе выпрямителя включён сглаживающий дроссель с индуктивностью значительной величины, то мощность трансформатора
.
(7.12)
Уменьшение установленной мощности трансформатора объясняется изменением формы тока, протекающего по вторичной обмотке, которая из синусоидальной превращается в прямоугольную.
К достоинствам схемы однофазного выпрямителя с нулевой точкой можно отнести малое количество диодов и протекание тока в любой момент времени только по одному из них. Последнее свойство очень важно для низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами, так как позволяет в этом случае повысить КПД выпрямителя за счёт снижения падения напряжения на диодах.
В качестве недостатков рассматриваемой схемы можно отметить большое обратное напряжение на диодах по сравнению с выходным и плохое использование вентильного трансформатора по мощности. Кроме того, при ее реализации необходимо иметь вентильный трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками для получения средней точки.
Отмеченные недостатки в меньшей степени присущи однофазной мостовой схеме выпрямления.