Элементы промышленной электроники

Выпрямители. Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменною напряжения в постоянное.

В зависимости oт числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления, независимо от мощности выпрямителей, все схемы делятся на однотактные (однополупериодные) и двухтактные (двухполупериодные).

К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или часть его).

К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, в противоположных направлениях.

В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемыми (с регулируемым выпрямленным напряжением) и неуправляемыми.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

- среднее значение выпрямленного напряжения и тока (U_cp, I_cp);

- коэффициент полезного действия;

- коэффициент мощности.

Однофазные выпрямители. Для выпрямления однофазного пере­менного тока применяются три типа выпрямителей: однополупериодный; двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора и двухполупериодный мостовой.

Однофазная однополупериодная схема, с трансформатором приведена на рис. 2.11,а. Вентиль включен последовательно с нагрузочным резистором и вторичной обмоткой трансформатора. Ток в нагрузочном резисторе R появля­ется только в те полупериоды напряжения, когда потенциал точки "а" вторич­ной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки "Ь", так как в этом режиме вентиль открыт. Когда же потенциал точки "а" от­рицателен по отношению к потенциалу точки "b", вентиль закрыт, и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора равен нулю. Таким образом, ток в рези­сторе R имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из по­лупериодов напряжения. Поэтому данный выпрямитель называют однополупериодным. Временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя изображены на рис. 2.11,б. Среднее значение однополупериодного выпрямленного напряжения вычисляется по формуле

а) б)

Рис. 2.11. Однофазный однополупериодный выпрямитель

а) б)

Рис. 2.12. Однофазный выпрямитель с выводом средней точки

вторичной обмотки трансформатора

Рис. 2.13. Однофазный мостовой выпрямитель

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно

Среднее значение тока вентиля

Недостатками однополупериодной схемы являются

- большие пульсации в кривой выходного напряжения, создаваемые переменной составляющей напряжения;

- недостаточно эффективное использование трансформатора, необхо­димого для получения требуемой величины выпрямленного напряжения.

Поэтому однополупериодные выпрямители применяют сравнительно ред­ко, обычно для питания цепей малой мощности, например, электронно-­лучевых трубок.

Схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 2.12,а, соответствующие временные диаграммы токов и напряжений изображены на рис. 2.13,б. Двухполупериодное выпрямление дос­тигается в этой схеме выполнением трансформатора с двумя вторичными об­мотками и выводом общей (средней или нулевой) точки этих обмоток. В каче­стве положительных для U_2a и U_2b обычно принимают направления, совпа­дающие с проводящими в вентилях. В тот полупериод, когда напряжение в обмотке "оа" положительно, ток пропускает вентиль V₁, у которого анод поло­жителен по отношению к катоду, связанному через сопротивление нагрузки R_H со средней (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатора. Полюс "b" обмотки "ob" в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выво­ду, и, следовательно, вентиль V₂ в этой части периода тока не пропускает. В следующий полупериод ток проходит через вентиль V₂, а вентиль V₁ заперт. Среднее значение выпрямленного напряжения

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно двойной амплитуде фазного напряжения:

Среднее значение тока через вентиль (по условию симметрии)

Мостовая схема изображена на рис. 2.13,а, а временные диаграммы токов и напряжений соответствуют рис. 2.13,б.

Схема имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором сопро­тивления заменены вентилями. К одной из диагоналей моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой - сопротивление нагрузки. При необходимости мост может быть включен в сеть переменного тока и без трансформатора. Это является одним из преимуществ мостовой схемы.

Вентили включены так, что в один из полупериодов ток проходит через одну пару вентилей, а в другой полупериод он проходит через другую пару вентилей. Через сопротивление нагрузки R_Н ток идет в течение всего периода в одном направлении. Через вторичную обмотку трансформатора протекает чис­то переменный ток. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока через вентиль полу­чается таким же, как и в предыдущей схеме. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора

Таким образом, максимальное обратное напряжение в мостовой схеме при одном и том же значении выпрямленного напряжения в два раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.

Сравнение трех типов выпрямителей позволяет выявить их преимущества и недостатки. Двухполупериодныс выпрямители более эффективны: средние значения выпрямленных токов и напряжений у них в два раза больше, а пуль-сации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей. Пре­имуществами однополупериодных выпрямителей являются простота конст­рукции и меньшая стоимость.

По причинам, названным выше, из двухполупериодных выпрямителей предпочтение отдают мостовым схемам. Недостатком мостовых схем является удвоенное количество вентилей.

Трехфазные выпрямители. Схемы выпрямителей трехфазного тока применяются в основном для потребителей средней и большой мощности.

Схема с нейтральным выводом изображена на рис.2.14,а. Она состоит из трехфазного трансформатора с выводом нейтральной точки вторичной обмот­ки, трех вентилей, включенных в каждую из фаз, и нагрузочного резистора R_Н. Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 2.14,б. Как видно из рисунка, вентили работают поочередно, каждый в течение одной трети пе­риода, когда потенциал анода работающего вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух других вентилей. Выпрямленный ток резистора R_Н создаваемый токами каждого вентиля, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде ли­нейного напряжения или

Средний ток через вентиль равен одной третьей тока нагрузки

Ток нагрузки в данной схеме имеет значительно меньше пульсаций, чем в однофазных выпрямителях. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме составляет 0,25.

а) б)

Рис. 2.14. Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

а) б)

Рис. 2.15. Трехфазный мостовой выпрямитель

Мостовая схема, изображена на рис. 2.15,а, она предложена в 1923 году А.Н. Ларионовым. В этом выпрямителе первичную и вторичную обмотки трансформатора можно соединять как звездой, так и треугольником. В схеме последовательно соединены две трехфазные выпрямительные группы: анодная V₁, V₃, V₅ и катодная V₂,V₄,V₆. Каждая из групп повторяет ра­боту трехфазной схемы с нулевым выводом. В мостовой схеме ток одновре­менно пропускают два вентиля: один с наиболее высоким потенциалом анода из катодной группы вентилей, а другой с наиболее низким потенциалом като­да из анодной группы вентилей. Так, например, в интервале t₁ – t₂ (рис. 2.15,б) ток пропускают вентили V₂ и V₃ в интервале t₂ -t₃ - вентили V₂ и V₅. Как видно из рисунка пары вентилей работают поочередно каждая в течение одной шестой периода. Выпрямленный ток резистора R_н создаваемый токами каждой пары вентилей, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_ср=2.34 U_2ф , где U_2ф – действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.