Лекция 13

Выпрямители

Выпрямителем называют устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Подразделяются на:

1) неуправляемые, у которых выпрямленное напряжение неизменно по величине, т.е. нерегулируемо;

2) управляемые − напряжение можно плавно регулировать в широком диапазоне (например, для питания устройств в электроприводе).

Структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства

Назначение элементов структурной схемы:

- трансформатор согласует напряжение сети U_ceт. с напряжением нагрузкиU_н;

- диодная (вентильная) группа служит для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;

- фильтры – для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения,

- стабилизатор – для поддержания напряжения на заданном уровне.

Вентильная группа состоит из полупроводниковых диодов.

Управляемый выпрямитель не содержит стабилизатора, т. к. постоян­ство U_н обеспечивается за счет устройства управления и регулиро­вания, с помощью которого вентиль находится в открытом состоянии. В качестве вентилей используются тиристоры.

При расчете выпрямителей считают вентили и трансформаторы идеаль­ными: R_пр = 0, R_обр = ∞ (для вентилей).I_x = 0, P_x = 0 (для трансформаторов). При расчете выпрямительных уст­ройств исходными данными являются средние значения U_н.ср и I_н.ср, действующие напряжения сети U₁ и U₂.

Однополупериодный выпрямитель

а) б)

Схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя

При положительном потенциале на аноде VD открыт, протекает ток iв, при обратной полярности напряжения U₂ диод VD закрыт, ток iв = 0.

Ток и напряжение нагрузки i_н , U_н – пульсирующие (выпрямленные)

Среднее значение выпрямленного напряжения: U_н._{ср .}

,

где U₂ − действующее значение вторичного напряжения трансформатора.

Отсюда: максимальное обратное напряжение диода:

Прямой ток вентиля:

I_пр = I_н.ср.

По расчетным значениям I_пр и U_обр.max выбирают вентили, чтобы каталожные I_пр, U_обр.max были больше или равны расчетным.

Расчетная мощность трансформатора

S_T = (S₁ + S₂)/2 ≈ S₂ = U₂I₂ = 2,22U_н.ср 1,57I_н.ср ≈ 3,5P_н

Коэффициент пульсаций − отношение амплитуды 1-ой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянная составляющая)

р = U_н(1)/U_н.ср = π/2 = 1,57.

Недостатки схемы:

1. низкий коэффициент использования трансформатора

K_T = S_T/P_н = 3,5

из-за намагничивания сердечника постоянной составляющей тока;

2. низкие коэффициенты использования вентилей

3. большой коэффициент пульсаций р.

Данную схему применяют для питания цепей малой мощности и в (электроннолучевых трубках).

Однофазный мостовой выпрямитель

Схема и временные диаграммы мостового выпрямителя

При положительном U₂ к анодам VD1, VD3 приложен положительный потенциал − они открыты, значит, протекает ток iв₁ = iв₃ в цепи Т, VD1, R_н, VD3, T . При изменении полярности − VD1,VD2 закрываются, а открываются VD2, VD4. К закрытым диодам приложено обратное напряжение U_обр.max = U_2max.

U₂ = 1,11U_н.ср

Максимальное обратное напряжение:

Ток через диоды протекает 1/2 периода

I_пр = I_н.ср/2

Его максимальное значение

I_в.max = I_2m = 1,57I_н.ср

Мощность трансформатара:

S_т =S₁ = S₂ = U₂I₂ = 1,23P_нагр.

Коэффициент пульсации р для выпрямителей ( исключая однополупериодную схему) рассчитывают по эмпирической формуле:

где m – число фаз выпрямителя – m = nb (n – число фаз сети; b- число тактов прохождения тока по вторичной обмотке трансформатора в течении периода).

Достоинства:

1) лучше используются вентили K_u =1,57;

2) меньше расчет­ная мощность трансформатора К_т =1,23;

3) меньше пульсации p = 0,67.

Используется для установок малой и средней мощности.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора

а) б)

. Схема и временные диаграммы выпрямителя со средней точкой трансформатора

Напряжения вторичных обмоток трансформатора U₂₁, U₂₂ сдвинуты по фазе относительно средней точки на 180°. Если потенциал анода VD1 положительный, то он открыт,а VD2 – закрыт. При изменении полярности VD1 – закрывается, VD2 – открывается. В нагрузке ток i_н имеет одинаковое направление в оба полупериода.. К закрытому диоду приложено

U_обр.max = 2U_2m

1,11U_н._ср.;

I_вмах = I_2m = 1,57 I_н._ср.

Мощность трансформатора:

S₁ = U₁I₁ = 1, 23P_н; S₂ = 2U₂I₂ = 1,74P_н; S_T = 1,48P_н,

Коэффициент пульсации:

p=0,67

Недостаток: плохо используется 2-ая обмотка трансформатора (работает лишь одна половина).

Применяется для устройств малой мощности.

Трехфазные выпрямители.

Преимущества перед однофазными:

1) меньше пульсация выпрямленного напряжения;

2) лучше используется мощность трансформатора.

3) более высокое U_н.ср используют для установок большой мощности.

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

а) б)

Трехфазный выпрямитель

Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, а вто­ричная − только Y (звездой).

потенциал на аноде: интервал 1-2 − открыт VD1; интервал 2-3 − открыт VD2; интервал 3-4 – VD3 и т.д.

U₂ = 0,855U_н._ср,

где U₂ − действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В закрытом состоянии потенциал анода вентиля определяется напряже­нием своей фазы, а потенциал катода напряжением работающей фазы.

Поэтому в непроводящий период между анодом А и катодом К приложено линейное напря­жение:

I_н.ср = 0,827I_2max; I_б.max = I_2max = 1,21I_н.ср; I₂ = 0,58I_н.ср.

S₁ = 3U₁I₁ = 1,21P_н; S₂ = 3U₂I₂ = 1,48P_н; S_T = 0,5(S₁ + S₂) = 1,35P_н

Коэффициент пульсаций p = 0,25.

Недостаток: завышенное сечение трансформатора для уменьшения тока намагничивания. (В работе всегда одна фаза и созданный поток замыкается по кожуху, вызывая нагрев).

Трехфазный мостовой выпрямитель (Ларионова)

а) б)

. Выпрямитель Ларионова

Различают катодную группу вентилей – VD1, VD3, VD5 и анодная группу вентилей – VD2, VD4,VD6.

В работе, в открытом состоянии находятся два диода (один из анодной, другой из катодной групп). Из группы VD1, VD3, VD5 открыт тот, у которого наиболее высокий потенциал на аноде, а из группы VD2, VD4,VD6 у которого наиболее низкий потенциал на катоде:

Интервал 1−2 − открыты VD1 и VD4.

Интервал 2−3 − открыты VD1 и VD6 и т. д.

За период напряжения питания происходит 6 переключений вентилей (6 тактов). Напряжение нагрузки определяется разностью потенциалов точек к и m, т. е. линейным напряжением вторичной обмотки транс­форматора: U_н.max = U_2max= _{, Uн.ср = 1,35U2;} U₂ = 0,74U_н.ср,

где U₂ – линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Каждый вентиль открыт 1/3 периода, поэтому

I_пр = I_н.ср/3;

Обратное напряжение вентиля

Мощность трансформатора:

S_T = S₁ = S₂ = =1,045U_н.ср = 1,045P_нагр

Коэффициент пульсации p = 0,057.

Схема нашла самое широкое применение для установок большой мощности т. к. K₁ = 1,045; K_u =1,045; K_T = 1,045 (хорошо используются вентили и трансформатор)

Управляемые выпрямители (УВ)

Регулировать выпрямленное напряжение можно с помощью трансформатора или подмагничиваемого дросселя в цепи переменного напряжения, а также реостатом в цепи выпрямленного напряжения, но это неэкономично.

Более экономично управляемое выпрямление. УВ выполняются на управляемых диодах-тиристорах. Регулирование выпрямленного напряжения сводится к задержке во времени момента открытия тиристора. Этот момент включения определяется углом сдвига фаз между анодным напряжением или током и напряжением, подаваемым на управляющий электрод (У). Его называют углом управления a.

Однофазный УВ со средней точкой трансформатора

Однофазный УВ с выведенной средней точкой трансформатора

С помощью БУ импульсы тока i_Y смещаются по фазе относительно напряжений U₂₁, U₂₂ на угол управления a. Тиристоры открываются с запаздыванием и пропускают ток (только часть полупериода от a до p). Необходимо, чтобы при , тогда

Изменяя a можно регулировать U_H.ср от 0,9U₂ до 0, где U_H.ср = 0,9 U₂ − среднее значение выпрямленного напряжения в нагрузке при a = 0 (max), при a =180 U_H.ср = 0.

Основные характеристики УВ:

1) регулировочная − это зависимость U_н._ср. = f( ) (или характеристика управления)

2) внешние − при =const

а) б)

. Характеристики УВ