Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
eltekh_otvety_k_ekzamenu.doc
Скачиваний:
7
Добавлен:
26.09.2019
Размер:
2.25 Mб
Скачать

56.Типовые энергетические преобразователи – выпрямители.

В ы п р я м и т е л и предназначены для преобразования переменного напряжения сети в постоянные напряжения с требуемыми параметрами для электропитания преобразователей и приборов. В зависимости от возможности изменения уровня выходного напряжения электрическим способом выпрямители подразделяют на неуправляемые, выполненные на полупроводниковых диодах, и управляемые (регулируемые), реализуемые на транзисторах или тиристорах. По количеству полупериодов входного синусоидального напряжения, участвующих в образовании выходного сигнала, схемы выпрямителей делят на однополупериодные и двухполупериодные, а по числу фаз входного переменного напряжения различают однофазные, трехфазные и многофазные схемы выпрямления.

Простейший выпрямитель содержит источник синусоидального напряжения, соединенный с нагрузкой через диод (рис.13.11,а).

б)

Рис.13.11. Схема однополупериодного выпрямителя (а), графики напряжений и тока (б) и выпрямитель с трансформатором (в).

Нелинейность характеристики диода обуславливает преимущественно однополярный ток в цепи (рис.13.11,б). Прямой ток открытого диода при (значение напряжения отпирания лежит в пределах ) создает на выходе напряжение, отличающееся от входного на сумму напряжения отпирания и падения на открытом диоде (значение составляет для различных диодов ). При достаточно высоком входном напряжении можно воспользоваться идеальной моделью диода ( и ) и выходное напряжение аналитически представить соотношением для и для .

Резистивная нагрузка выпрямителя приводит к совпадению формы тока и выходного напряжения. Небольшое значение выпрямленного напряжения при высоком уровне пульсаций на частоте питающего напряжения следует отнести к основным недостаткам схемы.

В большинстве приложений выпрямитель подключается к питающей сети через трансформатор, который, во-первых, обеспечивает требуемый уровень выходного напряжения и, во-вторых, служит элементом, исключающим непосредственную связь нагрузочной цепи с сетью питания, что при соответствующем заземлении гарантирует электробезопасность работы с приборами.

Вследствие низких энергетических показателей простые однополупериодные выпрямители нашли применение только в устройствах с небольшими токами потребления и невысокими требованиями к качеству выходного напряжения.

В двухполупериодном выпрямителе на основе трансформатора со средней точкой вторичной обмотки диоды и части вторичной обмотки работают поочередно (рис.13.12,а). При синусоидально входном напряжении во время положительной полуволны открыт диод , пропускающий ток в нагрузку , а во время отрицательной полуволны открывается диод и направление тока в нагрузке не изменяется.

Рис.13.12.Двухполупериодный выпрямитель (а), диаграмма работы (б) и мостовая схема выпрямления (в).

При достаточно большом уровне входного напряжения выходной сигнал имеет форму, описываемую выражением (рис.13.12,бсодержит постоянную составляющую и частоту пульсаций вдвое превышающую частоту приложенного напряжения. Амплитуда пульсаций весьма значительна. К недостаткам схемы можно отнести наличие сложного трансформатора с дополнительным выводом (средняя точка вторичной обмотки). Токи в частях обмотки проходят только в течение полупериодов, что не способствует эффективному использованию трансформатора.

Наиболее распространены мостовые выпрямители с трансформатором без нулевой точки (рис.13.12,в). Мостовая схема осуществляет двухполупериодное выпрямление за счет соединения диодов. Во время положительного полупериода ток проходит через диоды , , а во время отрицательного – через диоды , . Трансформатор в мостовом выпрямителе используется более эффективно, т.к. ток в выходной обмотке проходит в течение обоих полупериодов. Увеличение вдвое числа диодов компенсируется упрощением конструкции трансформатора. Мостовая схема может подключаться непосредственно к питающей сети без трансформатора.

Для выпрямления напряжений низкого уровня применение мостовой схемы может оказаться неэффективным вследствие большой разницы выходного и входного напряжений из-за падения напряжения на двух последовательно включенных диодах. В этом случае используют схему двухполупериодного выпрямления на основе трансформатора со средней точкой.

В высоковольтных выпрямителях нашли применение схемы с умножением выходного напряжения, базирующиеся на хранении заряда с помощью конденсаторов.

Простую схему выпрямителя с удвоением напряжения можно интерпретировать как два последовательно соединенных выпрямителя с емкостной нагрузкой (рис.13.13,а).

Рис.13.13. Схема удвоения напряжения (а) и двуполярного выхода (б).

Каждый конденсатор заряжается в течение одного полупериода, а выходное напряжение выпрямителя равно сумме напряжений конденcаторов и . Комбинация соединения диодов и конденсаторов дает возможность построить схемы умножения с произвольным целочисленным коэффициентом. Очевидно, что схемы умножения эффективны в режиме весьма малых токов нагрузки (в режиме близком к разомкнутым выходным зажимам).

Разработана более сложная схема выпрямления для питания электронных приборов. Например, для операционных усилителей с двуполярным электропитанием применяется схема с мостовым выпрямителем и емкостной нагрузкой (рис.13.13,б).

Мощные выпрямители подключаются к сети трехфазного тока через трехфазный трансформатор (рис.13.14,а).

Р ис.13.14. Трехфазный выпрямитель (а) и диаграммы его работы (б).

Выпрямитель состоит из трех пар последовательно соединенных диодов, общие точки которых составляют положительный и отрицательный полюсы выходного напряжения. Диоды находятся в проводящем состоянии на интервалах времени, когда напряжение одной фазы превышает напряжения остальных фаз (рис.13.14,б). Диоды нечетной группы открываются в моменты переключения положительных участков синусоид питающего напряжения , а диоды четной группы – в моменты пересечения отрицательных участков . Каждый из диодов работает в течение одной трети периода, а в системе одновременно проводят ток два диода – один из нечетной, другой – из четной групп. Выпрямленное напряжение представлено огибающей кривых линейных (междуфазных) напряжений и имеет постоянную составляющую . Выпрямитель характеризуется высоким , эффективным использованием трансформатора (без подмагничивания) и низким уровнем пульсаций.

Приведенные упрощенные схемы выпрямителей отражают только основные процессы, характеризующие принципы их функционирования. Реактивные элементы устройств изменяют форму кривых напряжений, что оказывает влияние на моменты переключения выпрямляющих диодов и параметры выпрямителей.

Характер процессов в элементах выпрямителя и его параметры зависят от вида нагрузки и номиналов ее элементов. Наиболее распространены резистивно-емкостная и индуктивно-резистивные нагрузки.

Наличие емкости , включенной параллельно нагрузке , изменяет режим работы диодов (рис.13.15,а).

Рис.13.15. Выпрямитель с емкостной нагрузкой (а) и диаграммы работы (б)

Импульс тока, проходящего через диоды, заряжает конденсатор (рис.13.15,б). При этом диод находится в открытом состоянии в интервале времени, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора превышает напряжение конденсатора . Конденсатор играет роль накопителя энергии, которая в остальную часть периода поддерживает ток в нагрузке за счет разряда конденсатора.

Во многих устройствах нагрузка выпрямителя имеет преобладающий, индуктивный характер и ее можно представить в виде последовательного соединения индуктивности и резистора (рис.13.16,а).

Рис.13.16. Выпрямитель с индуктивной нагрузкой (а) и диаграммы работы (б).

Энергия, запасенная в индуктивности, поддерживает ток в нагрузке при уменьшении напряжения на части вторичной обмотки трансформатора.

Малый уровень пульсаций в рассмотренной схеме на основе трансформатора со средней точкой имеет место только при полной симметрии секций вторичной обмотки. В противном случае в нагрузку проходит переменная составляющая с частотой питающего напряжения. Данную схему выпрямителя целесообразно использовать при не слишком больших напряжениях, когда может сказываться падение напряжения на выпрямляющих диодах.

Силовые преобразователи систем автоматики, в том числе выпрямители, должны обеспечивать возможность электрического управления выходной мощностью в соответствии с задающим информационным сигналом. Для этого в схемах выпрямителей диоды заменяют управляемыми полупроводниковыми приборами (тиристорами, транзисторами). Выпрямленное напряжение можно плавно изменять момент перевода силового полупроводникового прибора в проводящее состояние.

Двухполупериодный р е г у л и р у е м ы й в ы п р я м и т е л ь на тиристорах повторяет аналогичную схему на диодах, дополненную устройством управления (рис.13.17,а).

Рис.13.17. Схема управляемого выпрямителя (а) и диаграмма его работы (б)

Устройство управления тиристорами в каждой полупериод питающего напряжения вырабатывает импульсы тока управления и . Тиристор отпирается с задержкой относительно начала, а тиристор отпирается в момент .

В результате постоянная составляющая нагрузки определяется выражением , т.е. зависит от момента открывания тиристора.

Существуют множество схем на основе управляемых приборов и конструктивных решений регулируемых выпрямителей, которые удовлетворяют широкому спектру поставленных требований.

В большинстве случаев переменная составляющая напряжения (пульсация) на выходе выпрямителя недопустимо велика для работы электрических приборов. Для снижения переменной составляющей выпрямленного напряжения, когда недостаточно влияние в нагрузке емкости или индуктивности; между нагрузкой и выпрямителем включаются сглаживающие фильтры в виде конструктивно завершенного блока.

Наиболее широко применяются - фильтры, состоящие из индуктивности и емкости (рис.13.18,а) или - фильтры, содержащие резистор и емкость (рис.13.18,б).

Рис. 13.18. Сглаживающие фильтры (а) и (б) типа.

Сглаживающие фильтры можно характеризовать передаточной функцией, позволяющей определить преобразование спектра сигнала при его прохождении через фильтр. Обычно в силовых устройствах используют интегральную оценку эффективности фильтра называемую коэффициентом сглаживания , определяемым как отношение амплитуд основной гармоники пульсаций на входе и выходе фильтра . Существенным недостатком фильтров являются большие габариты дросселя и технологические сложности его изготовления. Высокий коэффициент сглаживания, реализуемый при малых потерях в контуре, приводит к большой длительности переходных процессов.

При малых выпрямленных токах (десятки миллиампер) иногда используют -фильтры, коэффициент сглаживания которого можно оценить по формуле .

Приведенное соотношение справедливо для работы фильтра на нагрузку .

Для увеличения коэффициента сглаживания можно применить каскадное соединение нескольких фильтров. Однако такое решение для силовых устройств существенно снижает системы и увеличивает габариты фильтра. В мощных выпрямителях используют многофазные схемы, которые обеспечивают небольшой уровень пульсаций с частотой в несколько раз превышающей частоту питающей сети, что позволяет уменьшить номиналы элементов фильтра. В системах электропитания уровень пульсаций снижают в стабилизаторах напряжения.

Соседние файлы в предмете Электротехника