21

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут енергетики та систем керування

Конспект лекції

”Некеровані однофазні випрямлячі

та згладжувальні фільтри” з дисципліни «Промислова електроніка та перетворювальна техніка»

Львів 2011

1. Загальні відомості

Випрямлячами називають електронні пристрої для перетворення змінної напруги джерела живлення у постійну. Вони широко застосовуються в силових перетворювальних пристроях ( в схемах живлення електроприводів постійного струму, електролізних ванн, кіл збудження синхронних генераторів, компенсаторів та двигунів, в лініях пересилання постійного струму, на залізничному транспорті тощо), в різноманітних пристроях автоматики.

Випрямлячі складаються з трансформаторів, які змінюють напругу джерела живлення до необхідного значення, вентильного блоку, який перетворює змінну напругу в пульсуючу, згладжувального фільтру, який зменшує ( згладжує) пульсації випрямленої напруги відповідно до вимог споживача.

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

за типом вентилів, які використані у вентильному блоці: керовані (на базі тиристорів), некеровані (на базі напівпровідникових діодів);

за потужністю: малої потужності (до 1 кВт), середньої потужності (1,0 – 30 кВт), великої потужності (понад 30 кВт);

за кількістю фаз мережі живлення: однофазні та трифазні;

за кількістю фаз вторинної обмотки трансформатора та способом з’єднання вентильної групи: однофазні однопівперіодні; одно-, три-, шестифазні з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора (так звані нульові схеми випрямлячів); одно- та трифазні мостові випрямлячі; комбіновані тощо;

випрямлячі поділяють на однотактні та двотактні (однопівперіодні та двопівперіодні).

В однотактних випрямлячах струм у кожній фазі вторинної обмотки трансформатора протікає тільки один раз протягом цілого періоду змінної напруги живлення.

У двотактних же у кожній фазі вторинної обмотки трансформатора струм протікає двічі за один період і в різних напрямах. Кратність пульсацій випрямленої напруги в таких схемах у два рази більша від кількості фаз вторинної обмотки трансформатора. До однотактних схем належать схеми випрямлячів з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора (рис. 1.1). До двотактних належать мостові одно- ( рис. 1.5 ) та багатофазні схеми випрямлення.

1. Схема та принцип роботи однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

У схемі однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора (рис. 1.1) один вивід вторинної обмотки сполучений з анодом вентиля - діода VD1, а другий вивід – з анодом VD2. Катоди цих діодів сполучені між собою. Резистор навантаження R_d увімкнений між нульовою точкою 0 вторинних обмоток трансформатора і катодами діодів. Напруги на виводах вторинної обмотки відносно нульової точки одинакові за значенням і зсунуті за фазою на 180^. Саме тому на

рис. 1.2 часові діаграми напруг u_2-1 та u_2-2 нарисовані у протифазі.

Рис. 1.1. Схема однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

Умовою провідності некерованого вентиля є додатне значення напруги на його аноді відносно катода. Тому вентилі VD1 і VD2 проводять струм почергово під впливом додатніх півхвиль напруг u_2-1 та u_2-2 , які формують випрямлену напругу. Через вентилі протікають відповідно струми i_а1 та i_а2 . Струми i_а1 та i_а2 протікають через резистор навантаження R_d і формують випрямлений струм i_d (рис. 1.2, б), який дорівнює їх сумі

i_d = i_а1 + i_а2 . (1.1)

На резисторі навантаження R_d утворюється спад напруги u_d= i_d R_d. Струм i_d (рис. 1.2, б) та напруга u_d (рис. 1.2, а) однополярні пульсуючі. У них можна виділити середні значення I_d та U_d і змінну складову, яка коливається відносно середнього значення. Період повторення функції u_d =f() дорівнює половині періоду напруги u_2-1 і у градусній мірі становить 180º, а в радіанній мірі – число π. На проміжку 0 ≤  ≤ π крива u_d описується рівнянням

u_d = , де U₂ =U_2-1=U_2-2 діюче значення напруги u_2-1.

Середнє значення випрямленої напруги визначається з виразу

(1.2)

Рис. 1.2. Часові діаграми струмів та напруг однофазного випрямляча з виведеною нульовою точкою вторинної обмотки трансформатора

Середнє значення випрямленого струму становить I_d = U_d/ R_d.

Оскільки діоди проводять струм почергово, то середнє значення струму одного вентиля I_а1 = I_а2 = I_d/2.

Розглянемо, як формується зворотна напруга на вентилі, наприклад, VD1. Нагадаємо, що зворотна напруга - це різниця потенціалів між анодом та катодом вентиля, який знаходиться в непровідному стані. Діод VD1 знаходиться в непровідному стані на проміжку π ≤  ≤ 2π. Потенціал анода діода VD1 завжди формується напругою u_2-1, а потенціал його катода на цьому проміжку через відкритий діод VD2 - напругою u_2-2. Отже, зворотна напруга вентиля VD1 на проміжку π ≤  ≤ 2π провідності діода VD2 визначається різницею напруг u_2-1 - u_2-2 , а максимальне значення зворотної напруги U _{а1 макс} = (рис. 1.2, д). Амплітуда зворотної напруги U _{а1 макс} для даної схеми випрямлення у два рази більша, ніж амплітуда напруги живлення чи випрямленої напруги, оскільки випрямлена напруга формується почергово під впливом тільки одної з напруг частин вторинної обмотоки трансформатора. Зауважимо, що в навчальних підручниках зворотну напругу вентиля часто позначають U_в.

Струми y кожній з частин вторинної обмотки трансформатора однонаправлені, оскільки визначаються відповідно струмами діодів VD1 та VD2 (див. рис. 1.2, в). Струм первинної обмотки трансформатора i₁ зв’язаний з струмами кожної з частин вторинної обмотки трансформатора коефіцієнтом трансформації n=U₂/U₁ і має додатний та від’ємний півперіоди (рис. 1.2, г).

Для розрахунку силового трансформатора необхідно знати діючі значення струмів І₁ та І₂=І_2-1=І_2-2, які протікають через його обмотки. Оскільки струм у частинах вторинної обмотки визначається струмом відповідного діода (і_2-1=і_а1 або і_2-2=і_а2), розрахунок діючого значення струму І₂ виконують за аналітичним виразом кривої і_а1 або і_а2 з врахуванням відомого виразу для знаходження діючого значення струму:

. (1.3)

Струм і₁ в первинній обмотці трансформатора має синусоїдну форму і на кожному півперіоді його можна визначити за струмом однієї з частин вторинної обмотки з врахуванням коефіцієнта трансформації n. Струм І₁ знайдемо, визначивши спершу амплітуду струму І_{2 макс} частини вторинної обмотки трансформатора

І_{2 макс} = (1.4)

Звідси

І₁= (1.5)

Розрахункові потужності обмоток трансформатора S₁ та S₂ визначають як добутки діючих значень струмів і напруг обмоток, а повну потужність трансформатора - як середнє арифметичне цих потужностей

S₁= U₁I₁=1,23 P_d , (1.6)

S₂=2 U₂I₂=1,74 P_d , (1.7)

S_т=( S₁+ S₂)/2=1,48 P_d. (1.8)

Отже, під час роботи досліджуваного випрямляча на чисто активне навантаження потужність трансформатора схеми повинна бути у 1,48 раза більшою від потужності кола постійного струму.