2.2. Классификация выпрямителей

На рис. 2.3 приведены схемы выпрямителей.

Т

Рис. 2.3. Схемы выпрямителей: а – однополупериодная, б – однофазная двух­по­лупериодная (со средней точкой), в – однофазная мостовая, г – трехфазная с нулевым выводом (схема Миткевича), д – трехфазная мостовая (схема Ла­ри­о­нова), е – двойной трехфазный выпрямитель или каскадная схема

• в зависимости от способа включения комплекта вентилей на однотактные (р=1) и двухтактные (р=2). В однотактных схемах (рис. 2.3 а, б, г) к вентильной обмотке преобразовательного трансформатора подключён один вентиль и поэтому вентильная обмотка нагружена током только во время одного полупериода переменного тока или его части; в двухтактных схемах (рис. 2.3 в, д) к вентильным обмоткам преобразовательного трансформатора подключены два вентиля: один анодом, а другой катодом и поэтому вентильная обмотка преобразовательного трансформатора нагружена во время обоих полупериодов переменного тока;

• сложные, иначе, составные многофазные схемы выпрямления (рис. 2.3 е), которые представляют собой совокупность простых однотактных или двухтактных схем, соединённых по выходу параллельно или последовательно с таким расчётом, чтобы основные гармоники пульсаций простых выпрямительных схем взаимно компенсировались.

Признаком классификации могут быть также уровень выходной мощности (выпрямители маломощные (Р₀£1 кВт), средней мощности (1 кВт£Р₀£10 кВт) и мощные (Р₀>10 кВт)), схемы соединения сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, наличие уп­рав­ляемых вентилей, тип фильтра и т.д.

2.3. Элементы выпрямителей

Преобразовательный трансформатор – это трансформатор, предназначенный для работы в выпрямительных и инверторных установках. Специфика работы преобразовательного трансформатора в однотактных выпрямителях связана с режимом вынужденного намагничивания, который возникает из-за наличия постоянной (не трансформируемой) составляющей тока в вентильных обмотках и приводит к увеличению массы и габаритов трансформатора. Электрические параметры преобразовательного трансформатора характеризуются следующими величинами:

• действующими значениями напряжения U₂ и тока I₂ вентильных обмоток трансформатора;

• полной вольт-амперной (или типовой) мощностью S_Т трансформатора:

S_т=0,5×(S₁+S₂). (2.2)

Так как преобразовательный трансформатор имеет m₁-фазную сетевую и m₂-фазную вентильные обмотки, то

S₁=m₁×U₁×I₁; S₂=m₂×U₂×I₂; причём S₁≥S₂ либо S₁≤S₂. (2.3)

Отношение мощности постоянных составляющих выпрямленного напряжения и тока к вольт-амперной мощности трансформатора называют коэффициентом использования обмоток:

К_1Т=U₀×I₀/S₁; K_2T=U₀×I₀/S₂; K_T=U₀×I₀/S_T. (2.4)

Более совершенными являются такие схемы выпрямления, для которых К_1Т, К_2Т и К_Т близки к единице.

Вентильный блок (рис. 2.1) содержит комплект диодов с однотактным или двухтактным включением. Полупроводниковый диод (рис. 2.4) – это прибор с односторонней проводимостью тока, имеющий два вывода и один p-n переход. Выпрямительные диоды конструктивно делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления – на сплавные, диффузные и эпитаксиальные. Выпрямительные диоды с прямым током более 10А называют силовыми вентилями. Материалом для таких диодов служит кремний или арсенид галлия. Кремниевые сплавные диоды используются для выпрямления тока с частотой до 5 кГц. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды могут использоваться на частотах до 500 кГц. Арсенидгаллиевые диоды способны работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Статические параметры вентилей можно определить по прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 2.4 в), которая с достаточной для инженерных расчётов точностью аппроксимируется кусочно-ли­ней­ной функцией

U_пр.V = U_пор.V+i_пр.V·R_д.V, (2.5)

где U_пр.V, R_д.V – пороговое напряжение и дифференциальное (динамическое) сопротивление прямой ветви ВАХ, определяемые через угол наклона касательной, проведённой к точке ВАХ с координатой i_пр.V/2.

, (2.6)

где m_U и m_i – масштабы координатных осей на графике ВАХ.

Мощность потерь в вентиле, обусловленная прохождением через него прямого тока i_пр.V:

P_пот.V = U_пор.v×I_ср.V+(K_ф.V×I_ср.V)²×R_д.V, (2.7)

где К_ф.v. – коэффициент формы кривой тока вентиля, равный отношению действующего (эффективного) значения тока I_эфф.v. вентиля к его среднему значению. Мощность потерь в вентиле определяет среднюю температуру его p-n перехода

Т_п=Т_ок.с.+Р_пот.v·R_пс , (2.8)

где Т_ОК.С − температура окружающей среды; R_ПС − тепловое сопротивление переход-среда диода (приводится в справочных данных), ^оС/Вт. Температура Т_П p-n п

Рис. 2.4. Условное обозначение полупроводникового диода (а),

его структура (б) и вольт-амперная характеристика (в)

ерехода является одним из важнейших параметров вентиля и не должна превышать предельно-допустимого значения Т_п≤Т_п.доп. (150 °С для кремниевых диодов). Для оценки электрической прочности вентилей введены понятия повторяющегося напряжения U_П, неповторяющегося напряжения U_неп и рекомендуемого рабочего напряжения U_p. Максимальное значение U_V.max обратного напряжения на вентиле не должно превышать значений U_п, U_неп, U_р, оговоренных заводом-изготовителем. Типовые значения статических параметров некоторых силовых диодов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Тип диода	Технология изготовления	Uпор, В	Rg.v., Ом	Iпр. v, A	Up, В
Д247	Сплавной	1,5	0,1	10	500
КД213	Диффузионный	1,0	0,05	10	200
КД2998	Эпитаксиальный с Барьером Шотки	0,6	0,03	30	35

Фильтрующее устройство ФУ выпрямителей (рис. 2.1) относится к классу фильтров нижних частот. Поэтому элементы фильтра, включённые последовательно с нагрузкой, должны обладать большим сопротивлением переменному току (дроссели, транзисторы и т.д.), а элементы, включённые параллельно нагрузке, – малым сопротивлением переменному току и большим для постоянного тока (конденсаторы, последовательная резонансная цепь и т.д.). Степень ослабления пульсаций принято оценивать коэффициентом сглаживания

(2.9)

где K_п.вх и K_п.вых – коэффициенты пульсаций на входе и на выходе фильтра соответственно, либо коэффициентом фильтрации

(2.10)

где U_м~вх и U_м~вых – амплитуды напряжений пульсаций на входе и на выходе фильтра соответственно. Обычно q_сгл и q_ф близки по значениям друг к другу.

ФУ должно удовлетворять следующим основным требованиям: обладать необходимым коэффициентом сглаживания, иметь высокий КПД, малые габариты, массу и стоимость, не вносить искажений в работу потребителя. В качестве ФУ находят применение одиночные фильтры (индуктивные и емкостные), Г- и П-образные фильтры, а также активные фильтры на транзисторах и интегральных микросхемах.