Раздел 2. Выпрямители с активной и реактивной нагрузкой (10 часов)

Лекция 4.Тема 2.1. Неуправляемые и управляемые полупроводниковые вентили (2 часа)

Неуправляемые полупроводниковые вентили.Для преобразования переменного тока в постоянный широко применяются полупроводниковые вентили – приборы с односторонней проводимостью, сопротивление которых для тока одного направления намного меньше сопротивления для тока обратного направления.

На рисунке 2.1 приведены условное обозначение неуправляемого вентиля – полупроводникового диода и его вольт – амперная характеристика (ВАХ), показывающая зависимость протекающего по нему тока от приложенного к его электродам (аноду А и катоду К) напряжения, т. е. i_в=f (U_в).Направление тока, при котором диод имеет малое сопротивление, называетсяпрямым(или проводящим), противоположное направление называетсяобратным(или запирающим). На ВАХ диода различают две ветви: прямую с двумя характерными участками О – А и А – Б и обратную с тремя характерными участками О – В, В – Г и Г – Д. Участок О – А характеризуется относительно высоким сопротивлением, а участок А – Б, являющийся основным рабочим прямой ветви, - низким сопротивлением, участок В – Г определяет небольшой обратный ток диода. Участок Г – Д имеет резкий перелом, что объясняется увеличением обратного тока вследствие пробояpn–перехода. Значения отношений прямых и обратных токов в современных диодах достигают 10³…10⁵, а отношения допустимого обратного напряжения к прямому падению напряжения составляют 10²…10³.

Рис. 2.1. Полупроводниковый диод: а – условное обозначение; б – вольт-амперная характеристика

Таким образом, при положительной разности потенциалов между анодом и катодом диод открывается и проводит ток в прямом направлении, а при отрицательной разности потенциалов – диод закрывается и практически не проводит тока. Это основное свойство диода лежит в основе работы всех видов выпрямителей.

Основные параметры диодов:

1. I_{пр. ср. max}, А, - максимально допустимый средний прямой ток.

2. U_{обр. и. max}, В, - максимально допустимое импульсное обратное напряжение, которое диод выдерживает, не подвергаясь пробою.

3. U_{пр. ср}, В, - среднее прямое напряжение (падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода в открытом состоянии) при токе I_{пр. ср}.

4. r_диф., Ом, - дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении (отношение малого приращения напряжения на диоде к малому приращению тока в нем).

5. Интервал температур окружающей среды и др. (влажность, давление и т.п.).

Выбор типа диода производиться по справочнику, при этом определяющими являются первые два параметра: I_{пр. ср. max} и U_{обр. и. max}, которые должны превышать соответствующие параметры выбранной схемы выпрямления.

У подобранных диодов по указанным параметрам предпочтение следует отдать тем, у которых U_{пр. ср}наименьшее.

В ИВЭП с высокочастотным преобразованием энергии следует использовать импульсные или высокочастотные диоды.

Управляемые полупроводниковые вентили.К ним относятсятиристоры(триодные), не проводящие в обратном направлении.Тиристор – это четырехслойный p-n-p-n полупроводниковый прибор (рисунок 2.2), который используется в качестве электронного ключа. Он включается при подаче на управляющий электрод УЭ короткого положительного импульса при положительном напряжении на аноде А по отношению к катоду К. В открытом состоянии прямой ток через тиристор ограничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор изменением полярности анодного напряжения или уменьшением тока через него до значения меньше тока удержания I_уд.т.

Рис. 2.2. Структура и вольт-амперная характеристика тиристора

Для тиристора различают параметры, относящиеся к цепи основного тока и к цепи управления. Основная цепь тиристора характеризуется прямым током I_{пр. т}, напряжением включенияU_вкл..т, током включения I_вкл.т и током удержания I_уд.т. Цепь управления (какpn-переход) характеризуется напряжениями в прямом и обратных направлениях.

Номинальное рабочее напряжение тиристора должно выбираться с запасом

U_ном.т=(0,6…0,7)U_вкл.т, а номинальное обратное напряжение на тиристоре не должно превышать (0,6…0,7)U_{обр.max.т}.

Тиристоры выпускаются на токи от сотен мА до сотен ампер, с обратными допустимыми напряжениями до 1000 В и более. Тиристоры широко применяются в управляемых выпрямителях.

Основным недостатком тиристоров является зависимость их параметров от температуры. Поэтому для стабилизации их параметров при изменении температуры применяют радиаторы и другие способы охлаждения (как и для охлаждения диодов и транзисторов).

Для обеспечения больших токов нагрузки диодовприменяют параллельное их соединение, при этом для выравнивания токов (из-за несовпадения их ВАХ) последовательно с ними (в маломощных выпрямителях) устанавливаются резисторы с одинаковыми сопротивлениями (рисунок 2.3). Однако эти резисторы уменьшают КПД схемы. Для включения диодов параллельно без уравнительных резисторов применяют заведомо увеличенное их число (для исключения их перегрузки).

В мощных выпрямителях вместо резисторов последовательно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы (дроссели с сердечниками L1, L2). На них при протекании тока создается противо-ЭДС, пропорциональная току, что и приводит к выравниванию токов дросселей, а значит и диодов.

Для увеличения обратного допустимого напряжения диоды соединяют последовательно, а для выравнивания обратных напряжений на диодах их шунтируют высокоомными резисторами (рисунок 2.3, г).

Если диоды включаются последовательно без шунтирующих резисторов, то увеличивают их число. В выпрямителях большой мощности применяются шунтирующие RC-цепочки (рисунок 2.3, д), иногда только конденсаторы.

Рис. 2.3. Параллельное и последовательное соединение диодов

Лекция 5. Тема 2.2. Выпрямители с активной нагрузкой (2 часа)

Главное применение полупроводниковых диодов – это выпрямление переменного тока. Выпрямительслужит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение еще содержит переменные составляющие, называемыепульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Коэффициентом пульсаций К_п называется отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения выпрямителя используется стабилизатор напряжения.

Основными схемами выпрямления переменного тока являются:

* однополупериодная,

* двухполупериодная,

* мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителя изображена на рис. 2.4, где Т - трансформатор,VD- полупроводниковый диод,R- нагрузка.

Рис. 2.4. Схема однополупериодного выпрямителя

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки трансформатора подан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, диод пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. В результате через нагрузку протекает пульсирующий переменный ток (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Форма тока через нагрузку от однополупериодного выпрямителя

Среднее за период значение тока, выпрямительного однополупериодным выпрямителем,

I₀ = I_m /  ,

где I_m – амплитуда тока.

Среднее постоянное напряжение на нагрузке

U₀ =I₀ R = U_m /  - I₀ R_d ,

где R_d –прямое сопротивление диода.

Без нагрузки (I₀=0) напряжение на зажимах выпрямителя будет равно среднему за период значению положительной полуволны синусоида:

U₀ =U_m /  = 0,318 U_m = 0,45 U ,

где U– действующее значение переменного напряжения. При увеличении тока нагрузки напряжение на ней уменьшается на величину падения напряжения на диоде (I₀ R_d ).

Во время отрицательного полупериода, когда диод закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора. Поэтому наибольшее обратное напряжение на диоде

U_обр = U_m = U₀ .

Отсюда видно, что обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает среднее выпрямленное напряжение U₀.

Однополупериодная схема выпрямления используется редко, так как вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода. Из–за этого повышается габаритная мощность трансформатора (примерно в 3 раза по сравнению с мощностью выпрямленного тока). Кроме этого, выпрямленное напряжение имеет очень большой коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

Двухполупериодная схема выпрямленияизображена на рис. 2.6., в которой используется трансформатор (Т) с отводом от середины вторичной обмотки. Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диодыVD₁иVD₂открываются в разные полупериоды переменного напряжения. Поэтому ток через нагрузку протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 2.7).

Каждый диод работает здесь как в однополупериодной схеме выпрямления. Токи диодов складываются на нагрузке. Поэтому постоянные значения выпрямленного тока и напряжения

I₀ = ; U₀ = I₀ R = – I₀ R_d .

Рис. 2.6. Схема двухполупериодного

выпрямителя

При отсутствии нагрузки (I₀=0) выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Максимальное обратное напряжение в двухполупериодном выпрямителе, которое действует на каждый диод в закрытых состояниях, равно сумме амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки трансформатора:

U_обр = 2U_m =2πU₀/2 = πU₀ .

Ток, протекающий через каждый диод,

I_d = I₀/2 = I_m/π .

Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме выпрямления значительно ниже, чем в однополупериодной схеме. Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Ее недостатками являются: необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовойсхеме (рис. 2.8). Диагональ АВ моста подключается к вторичной обмотке трансформатора Т, а диагональ СD- к нагрузкеR.

Рис. 2.8. Мостовая схема выпрямителя

Рис. 2.7. Форма тока на нагрузке от двухполупериодного выпрямителя

Полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменяется каждую половину периода. В результате при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток проходит в течение полупериода по цепи: АVD₁CRDVD₃ВА.

Таким образом, выпрямительный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой трансформатора. Поэтому

I₀ = и U₀ = I₀ R = – I₀ R_d .

Без нагрузки (I₀ =0) напряжение на зажимах выпрямителя

U₀ = .

В мостовой схеме для получения такого же значения выпрямленного напряжения, как в схеме с трансформатором со средней точкой, требуется трансформатор с вдвое меньшим числом витков во вторичной обмотке. Поэтому обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки трансформатора:

U_обр =U_m= 1,57U_{0 .}

Действующее значение тока, протекающего через вторичную обмотку трансформатора в мостовой схеме,

I = = 1,11·I₀ ,

а через диод I_d = I/2 = 0,555 I₀, так как ток через каждый диод протекает только в течение одного полупериода.

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такие же, как в схеме с отводом от середины вторичной обмотки трансформатора.

Рассмотрим теперь трехфазныесхемы выпрямления. Простейшаятрехфазная схема выпрямления с нейтральной точкой (или нулевая схема) представлена на рис. 2.9,а. В такой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора могут соединяться звездой или треугольником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом случае в каждый момент выпрямительный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с зажимом обмотки, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению к нейтральной (или нулевой) точке трансформатора. Поэтому выпрямленное напряжение изменяется по кривой, являющейся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 2.9,б). Переключение диодов происходят в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжения. На нагрузкеRтоки, проходящие через три диода, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме U₀=1,17U_ф, а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый диод,I_d=I₀/ 3.

Обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, та как диоды подключены анодами к каждой из фаз, а катодами к другой фазе через открытый диод:

U_обр = 32U_ф = 2,09 U₀ .

Рис. 2.9. Трехфазная нулевая схема выпрямителя

Рис. 2.10. Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока

Существенным недостаткомрассматриваемой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмотки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный поток. Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора. Поэтому рассмотренную схему выпрямления применяют только в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного токаизображена на рис. 2.10. В ней сочетаются принципы рассмотренной выше однофазной мостовой схемы и схемы многофазного выпрямления. В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления тока не нужна. Поэтому первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться как звездой, так и треугольником.

Шесть диодов образуют две группы – нечетную VD₁,VD₃иVD₅и четнуюVD₂,VD₄ иVD₆. У нечетной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у четной группы – аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вторичных обмоток трансформатора. Поэтому пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются. В схеме рис. 2.10 в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у которого анод в этот момент имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал. Выпрямленное напряжение изменяется по огибающей с двойкой частотой пульсаций (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Форма выпрямленного напряжения на нагрузке от выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме выпрямления

Среднее значение выпрямленного напряжения в мостовой схеме

U₀ = 1,35 U_л =2,34 U_{ф .}

Средний ток через диод I_д=I₀/3, причем этот ток проходит через два последовательно включенные диода. Обратное напряжение на каждом диоде равно амплитудному значению линейного напряжения:

U_обр =U_л =U_ф =1,045 I₀.

В мощных выпрямителях в основном используется мостовая трехфазная схема. Она получила также широкое применение в управляемых выпрямителях, в которых путем регулирования моментов открывания и закрывания диодов (тиристоров) в широких пределах регулируют среднее значение выпрямленного тока.

Лекция 6. Тема 2.3. Выпрямители с емкостной нагрузкой (2 часа)

Работа выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией- это такой режим, при котором параллельно нагрузке включен конденсатор, что имеет место, когда первым элементом в сглаживающем фильтре является конденсатор. Рассмотрим работу выпрямителя на нагрузку емкостного характера, выполненного по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис. 2.12). Пусть процесс заряда и разряда конденсатора С является установившемся и напряжение на конденсаторе в момент t₀имеет значениеU_C0. На интервале t₀– t₁диодVDзакрыт, так как катод диода (точка К на схеме) имеет более высокий потенциал, чем его анод, и конденсатор С разряжается через нагрузку R_нс током i0 и постоянной времени τ_р=CR_н.

В момент t₁ диод открывается, через него протекает ток i_VDв нагрузку, одновременно заряжается конденсатор: i_VD=i₀+i_з. Напряжение на конденсаторе увеличивается до момента t₂.

Затем при t₂диод закрывается, конденсатор С разряжается до моментаt₃через нагрузкуR_н, в которой токi₀имеет прежнее направление.

Из графика i_VDвидно, что в схеме проявляется отсекающее действие конденсатора С по отношению к току диода, при этом время работы диодаt_иувеличивается при уменьшении постоянной разряда конденсатора τ_ри при увеличении постоянной заряда конденсатора.

Из графика U₀(U_С) видно, что пульсации напряжения на нагрузке будут меньше при возможно большей постоянной времени разряда τ_р=CR_н.

Обратное напряжение на вентиле U_обр. (рис. 2.12, б, нижний график) складывается из напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U₂и напряжения на конденсаторе, т. е.U_обр.н.п=2U_2m.

Рис. 2.12. Однополупериодная схема выпрямления с емкостной нагрузкой (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Схемы умножения напряжения. Для получения высоких выпрямленных напряжений при малых токах нагрузки целесообразно применять выпрямители с умножением напряжения. Принцип действия таких выпрямителей сводится к тому, что на нагрузку разряжаются несколько последовательно включенных конденсаторов, каждый из которых заряжается через трансформатор и схему выпрямления до сравнительно небольшого напряжения. Таким образом, выпрямители с умножением напряжения представляют собой выпрямители с емкостной реакцией нагрузки.

Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения (рис. 2.13)содержит трансформатор, два диодаVD₁иVD₂, два конденсатора С₁ и С₂ , а нагрузкаR_Н включена параллельно конденсатору С₂ .

Во время одного полупериода, когда потенциал точки аотрицательный, а точкиb– положительный, открывается диодVD₁ и конденсатор С₁ заряжается до напряженияU_2m. В другой полупериод диодVD₁ закрыт, а к диодуVD₂прикладывается отпирающее напряжение, равное сумме напряжений вторичной обмоткиU₂ и конденсатора С₁. При этом конденсатор С₂ заряжается через открытый диодVD₂ до максимального значения, примерно равного 2U_2m.

Когда диод VD₂закрыт, конденсатор С₂разряжается черезR_Н, т.е. на нагрузке напряжение близко к 2U_2m.

Рис. 2.13. Несимметричная схема удвоения напряжения

Заряд и разряд конденсатора С₂ происходит за один период. Поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке равна частоте питающей сети. Обратное напряжение на диодахVD1 иVD₂примерно равно 2U_2m.

Для увеличения кратности выпрямленного напряжения увеличивают число диодов и конденсаторов, включая их аналогично описанной схеме (рис. 2.14, а), на которой пунктиром показаны варианты подключения нагрузки к схеме для получения различной кратности умножения напряжения: подключая нагрузку к точкамб, вигсхемы, получим умножение напряжения соответственно в 2, 3 и 4 раза.

Недостатки таких выпрямителей аналогичны недостаткам однополупериодного однофазного выпрямителя с емкостной нагрузкой. Они также обладают увеличенным внутренним сопротивлением из-за последовательного включения диодов.

Двухфазные симметричные схемы умноженияможно получить соединением нескольких несимметричных схем. На рис. 2.14,бприведена такая схема с умножением напряжения в 6 раз. Конденсаторы с нечетными номерами (С₁ , С₃ , С₅ , С₁^/, С₃^/, С₅^/) заряжаются через соответствующие диоды один раз в период напряжения вторичной обмотки трансформатора, а конденсаторы с четными номерами (С₂ , С₄ , С₆) – дважды. Поэтому частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза больше частоты сети.

Однофазная мостовая схема с удвоением напряжения (рис. 2.15, а)состоит как бы из двух однополупериодных выпрямителей, питающихся от одной и той же обмотки трансформатора и работающих на общую нагрузкуR_Н , которая включена параллельно двум последовательно соединенным конденсаторам С₁ и С₂.

Рис. 2.14. Несимметричная (а) и симметричная (б) схемы умножения напряжения

На рис. 2.15, бпунктиром показано напряжение на второй обмотке трансформатораu₂ . Пусть к моментуt₀(верхний график) конденсаторы С₁ и С₂ будут заряжены доU_С10 иU_С20 . В интервале времени (t₀-t₁) потенциал точкиа (анод диода С₁ ) ниже потенциала точкик . Поэтому диодVD₁ закрыт и конденсатор С₁ разряжается на нагрузку. В интервале (t₁ - t₂) потенциал анодаVD₁ становится выше потенциала его катода. ДиодVD₁ открывается и через него заряжается конденсатор С₁ доU_{С1 max} =U_{2m .}В интервале (t₁ - t₃) диодVD₁ и конденсатор С₁ работают так же, как и в промежутке (t₀-t₁).

В интервале времени (t₀-t₃) потенциал точкиа(катодVD₂ ) оказывается ниже потенциала точкип(анод диодаVD₂ ). ДиодVD₂ закрывается, а конденсатор С₂ разряжается на нагрузку. В интервале (t₃-t₄) диодVD₂ открывается и через него конденсатор С₂ заряжается доU_2m . В интервале (t₄-t₇) диодVD₂ и конденсатор С₂ работают так же, как в промежутке (t₀-t₃).

Таким образом, в интервале времени (t₀-t₁), (t₂-t₃), (t₄-t₅), (t₆-t₇) оба конденсатора С₁ и С₂ разряжаются на нагрузку. А так как в этих промежутках оба диода закрыты, то данная схема в этом случае может быть представлена в виде двух последовательно соединенных конденсаторов с подключенной к ним нагрузкой (рис. 2.16) сU₀ = 2U_2m.

Обратные напряжения на диодах равны 2 U_2m; частота пульсаций в 2 раза больше частоты сети, выпрямленный ток является двухполупериодным.

Существенный недостатокэтой схемы – большое внутреннее сопротивление, так как два выпрямителя соединены между собой последовательно.

Рис. 2.15. Мостовая схема удвоения напряжения (а), диаграммы напряжения и тока в схеме (б)

Рис. 2.16. К определению напряжения на нагрузке в схеме удвоения напряжения

Лекция 7. Тема 2.4. Выпрямители с индуктивной и смешанной нагрузкой (2 часа)

Работа выпрямителя на нагрузку с индуктивной реакцией.В схеме рисунка 2.17,апоследовательно с нагрузкой включено индуктивное сопротивление, роль которого играет дроссель (как первый элемент сглаживающего фильтра).

Рис. 2.17. Однополупериодная схема выпрямления с индуктивной нагрузкой (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Во время положительного полупериода напряжения U₂диодVDоткрывается и по цепи через диод, дроссельL, сопротивление нагрузки R_ни вторичную обмотку трансформатора протекает токi₀. По мере увеличения напряженияU₂возрастает и токi₀, на индуктивностиLвозрастает и противо-ЭДСe_L, направленная противU₂и препятствующая нарастанию токаi₀.

С момента t₁ напряжениеU₂и токi₀начинают уменьшаться, а противо-ЭДСe_Lприобретает положительную полярность, препятствуя уменьшениюU₂иi₀. В интервале t₂– t₃токi₀поддерживается за счет энергии, запасенной в магнитопроводе дросселя. В момент t₃токi₀=0 и противо-ЭДСe_Lтакже становиться равной нулю.

Длительность работы диода t_и(рисунок 2.17,б) больше полупериода напряженияU₂, зависит от отношения L/R и возрастает с увеличением этого отношения.

Работа выпрямителя на смешанную нагрузку. Подсмешанной нагрузкойпонимается нагрузка, содержащая индуктивность, емкость и активное сопротивление.

Рассмотрим два наиболее часто встречающихся режима работы выпрямителя на Г-образный (рисунок 2.18, а) и П-образный (рисунок 2.18,б) фильтры с нагрузкой R_н. Для получения малых пульсаций выпрямленного напряженияU₀на нагрузке в этих схемах применяются дроссели с большой индуктивностью L и конденсаторыC₀иC₁с большой емкостью, так что их сопротивления X_L>>R_н>>X_C.

Рис. 2.18. Схемы смешанной нагрузки выпрямителя: а – входной элемент - индуктивность; б – входной элемент – емкость

При Г-образном индуктивно-емкостном фильтре практически вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на дросселе L и наличие конденсатора С почти не сказывается на работе выпрямителя. Можно считать, что выпрямитель работает так же, как при индуктивной нагрузке.

При П-образном фильтре емкостное сопротивление является малым, на котором выделяется переменная составляющая выпрямленного тока (напряжения), а индуктивность не оказывает почти никакого влияния на работу выпрямителя. Значит, можно считать, что выпрямитель работает так же, как при емкостной нагрузке.

Таким образом, характер нагрузки (индуктивной или емкостной) определяется входным элементом фильтра.

Работа выпрямителя на встречную ЭДС. На рисунке 2.19,априведена схема однофазного однополупериодного выпрямителя, нагруженного аккумуляторной батареей с ЭДС Е₀и переменным резисторомR, предназначенным для регулирования зарядного тока.

В интервале времени t₀– t₁диодVDзакрыт, так как потенциал его анода ниже потенциала катода (U₂< Е₀), а в интервале t₁– t₂диод открыт (U₂> Е₀). В интервале t₂– t₃снова ЭДС аккумулятора становиться большеU₂, диод запирается.

Как видно из рисунка 2.19, б, длительность протекания тока через диодt_именьше полупериода напряженияU₂, при этом при увеличении значения Е₀пульсации выпрямленного напряженияU₀уменьшаются.

Влияние встречной ЭДС на работу выпрямителя аналогично воздействию заряженного конденсатора

Рис. 2.19. Однополупериодная схема выпрямления, работающая на встречную ЭДС (а), диаграммы напряжений и токов (б)

Лекция 8. Тема 2.5. Управляемые выпрямители на тиристорах (2 часа)

Управляемые выпрямители. Структурная схема выпрямителя (рис. В.1) включает трансформатор, вентили и фильтр. Для регулирования выходного напряжения в первичную обмотку трансформатора можно включить автотрансформатор (скользящий контакт, малая надежность), магнитный усилитель (увеличивает массу и габариты) или управляемые тиристоры (рис. 2.20). Схема упрощается (рис. 2.21), если в выпрямителе вместо диодов использовать тиристорыVS1 иVS2, выполняющие одновременно функции выпрямления и регулирования. При наличии дросселя с большой индуктивностьюLток, протекающий через него, имеет постоянное значение, равноеI₀. ТиристорыVS1 в интервале от 0 до α иVS2 в интервале отдо (+α) закрыты, так как на их управляющие электроды не подаются импульсы управления. В эти интервалы будет открыт обратный диодVD1 и через него, нагрузку и дроссель будет протекать токI₀под действием ЭДС самоиндукции дросселя. В моменты α и (+ α) диодVD1 запирается, так как к нему прикладывается обратное напряжение от ЭДС е₂₁ , е₂₂через открытые тиристоры VS1 ,VS2.

Рис. 2.20. Регулирование выпрямленного напряжения тиристорами, включенными в цепь первичной обмотки трансформатора: а – схема; б, в - напряжения

Рис. 2.21. Схема двухполупериодного управляемого выпрямителя

При отсутствии диода VD1 в схеме, когда ЭДС е₂₂, е₂₁равны нулю и затем принимают отрицательные значения (штриховые линии на рис. 2.22,б), в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, под действием которой тиристоры будут открыты в интервалах от 0 до α - тиристорVS1 и отдо (+α) – тиристорVS2. При этом ЭДС е₀при α=/2 будет иметь большие пульсации. Поэтому схема управляемого выпрямителя без диодаVD1 не применяется.

В схеме с диодом VD1 ЭДС, угол α регулируется от 0 до, обратное напряжениеU_обр= 22 Е₂.

Рис. 2.22. Напряжения и токи в двухполупериодном управляемом выпрямителе, работающем на индуктивную нагрузку

Сравнительная оценка схем выпрямления. Сравнение схем выпрямления произведем по главным показателям: габаритной мощности, числу диодов, обратному напряжению на диоде и коэффициенту пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная однополупериодная схема(наиболее проста) содержит только один диод, но имеет наибольшие значения: 1) габаритной мощности трансформатора, 2) коэффициента пульсации и 3) обратного напряжения на диоде (она применяется в выпрямителях небольшой мощности со сглаживающим фильтром и когда допустимы большие пульсации выпрямленного напряжения).

Двухфазная двухполупериодная схемас выводом средней точки трансформатора содержит два диода, лучше однофазной однополупериодной (по габаритной мощности трансформатора, по среднему выпрямленному току через диод и коэффициенту пульсаций), но по сравнению с мостовой однофазной схемой выпрямления имеет большие значения обратного напряжения на диодах и габаритной мощности трансформатора, при этом трансформатор конструктивно сложнее из-за вывода от средней точки обмотки; применяется в маломощных выпрямителях.

Однофазная мостовая схемапо сравнению с обеими названными схемами имеет: меньшие значения габаритной мощности трансформатора, обратного напряжения на диодах и напряжения вторичной обмотки, но использует четыре диода (это недостаток); применяется в маломощных выпрямителях при выходных напряжениях до 600 В.

Трехфазная нулевая схемапо сравнению с другими многофазными схемами имеет меньшее количество диодов, но большие значения коэффициента пульсаций, обратного напряжения на диодах и габаритной мощности трансформатора; используется для получения мощности в нагрузке до несколько киловатт и напряжения до 1000 В.

Трехфазная мостовая схемапо сравнению с нулевой имеет большее количество диодов, но меньшие значения коэффициента пульсаций, обратного напряжения на диоде и габаритной мощности трансформатора; применяется в выпрямителях средней и большой мощности как при низких, так и высоких выходных напряжениях. Вторичные обмотки трансформатора желательно соединять звездой, так как при соединении их треугольником возможно появление уравнительных токов, что снижает КПД выпрямителя.

При трехфазной питающей сети однофазные схемы выпрямления приводят к ее неравномерной нагрузке по фазам. Поэтому целесообразно применять однофазные схемы выпрямления на мощности до 1 кВт