Классификация и параметры выпрямителей

Классификация выпрямителей.Схемы выпрямления классифи­цируют по типу применяемых вентилей - кенотронные, газоразряд­ные, полупроводниковые с управляемыми и неуправляемыми вен­тилями; числу фаз напряжения питающей сети - одно- и трехфазные; числу фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора - одно-, двух-, трех-, шести- и многофазные; числу используемых полу­периодов напряжения - одно- и двухполупериодные; числу плеч и числу групп вентилей.

Плечом выпрямительной схемы называют цепь последователь­ного соединения обмотки трансформатора и вентиля (рис. 3.7, а). Если вентили подключены к обоим концам обмотки, схему на­зывают двухплечей (рис 3.7,6). Когда к концу обмотки подключен вентиль или группа вентилей одного направления, схему называют одногруппной (рис. 3.7, в). В случае если к концу обмотки подклю­чены два вентиля или две группы вентилей разного направления, то схему называют двухгруппной (рис. 3.7, г). Широко распространены выпрямители с неуправляемыми полупроводниковыми вентилями, основные схемы и названия которых приведены в (табл. 3.1). Здесь же приведены схемы и названия этих выпрямителей с учетом элементов классификации (см. рис. 3.7). Свойства любого выпря­мительного устройства зависят от его схемы, характера нагрузки и типа сглаживающего фильтра. Анализ работы такого устройства очень сложен. Поэтому целесообразно сначала рассмотреть про­стые схемы выпрямителей, состоящие только из трансформатора и схемы выпрямления и работающие на чисто активную нагрузку. При этом считают, что в трансформаторе отсутствуют потери, в прямом направлении сопротивление вентилей равно нулю, в обратном - бесконечности.

Параметры выпрямителей.При проектировании выпрямитель-ных устройств и оценке схем выпрямления для выбора трансфор­матора и диодов необходимо знание их параметров. Заданными обычно являются параметры нагрузки: выпрямленное напряжение U₀, выпрямленный ток I₀ и коэффициент пульсации n_n. Известны

Рисунок 3.7 – Элементы классификации схем выпрямления:

а – плечо; б – два плеча; в – одногруппная схема; г – двухгруппная схема

Таблица 3.1

Название схемы	Схема
Однофазная, однополупериодная     Однофазная, двухполупериодная с нулевым выводом   Однофазная, мостовая   Трехфазная, однополупериодная с нулевым выводм     Трехфазная, мостовая
Название схемы с учетом элементов классификации	Схема с учетом элементов классификации
Однофазная, однополупериодная, одноплечая, одногруппная   Однофазная, двухполупериодная с нулевым выводом, двухплечая, одногруппная     Однофазная, мостовая, двухплечая, двухгруппная     Трехфазная, однополупериодная с нулевым выводом трехплечая, одногруппная   Трехфазная, мостовая, трехплечая, двухгруппная

номинальное напряжение U₁и частота тока сети f. При проекти­ровании определяют параметры, необходимые для расчета транс­форматора и выбора вентилей. Для трансформатора такими пара­метрами являются: действующие напряжения U₁, U₂ и токи I₁, I₂ для первичной и вторичной обмоток; расчетные мощности первич­ной и вторичной обмоток S₁, S₂; расчетная мощность трансфор­матора S_T и коэффициент использования трансформатора K_T. Для выбора диодов этими параметрами являются средний I_д.ср. и дей­ствующий I_д ток.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ пред­ставляет собой следующее. На выходе любой схемы выпрямления возникает пульсирующее напряжение сложной формы, которое можно представить как сумму постоянной и переменной составляю­щих. Постоянная составляющая, являющаяся средним значением выпрямленного напряжения, может быть представлена графически высотой прямоугольника с основанием, равным длительности пе­риода, и площадью, равной площади ограниченной кривой вы­прямленного напряжения. Переменную составляющую, как любой периодический сигнал, можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих (гармоник), частоты которых кратны частоте колебаний основной (первой) гармоники, имеющих раз­личные амплитуды и фазы.

Наличие гармоник в выпрямленном напряжении создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить ее работу.

Число фаз выпрямления - вспомогательный параметр, характе­ризующий число максимальных пульсаций выпрямленного напря­жения за период т = рq (3.1), где р и q соответственно число фаз сети и выпрямленных полупериодов.

Частота первой (основной) гармоники переменной составляю­щей выпрямленного напряжения (3.2), где f - частота сети.

Коэффициент пульсации показывает соотношение между ампли­тудой напряжения первой гармоники и постоянной составляющей в выпрямленном напряжении

, (3.3)

где U_1m - амплитуда напряжения первой гармоники; U₀ - напряжение постоянной составляющей.

Амплитуда напряжения первой гармоники переменной состав­ляющей в соответствии с разложением в ряд Фурье

.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

,

где U_2m -амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Подставляя в выражение (3.3) значения для U_1m и U₀, получим

. (3.4)

Вынужденное намагничивание трансформатора относится к спе­цифическим особенностям работы трансформатора в выпрямитель­ных схемах и обусловлено тем, что токи во вторичных обмотках при некоторых схемах выпрямления протекают только в одном направлении. Поэтому сердечник намагничивается не только переменной, но и постоянной составляющими тока вторичной обмотки. В результате чего кривая намагничивания теряет сим­метричность, так как одна ветвь заходит в область большего насыщения. Это приводит к уменьшению магнитной проницае­мости сердечника, уменьшению индуктивности обмоток и увели­чению тока холостого хода. Повышение тока холостого хода и рост потерь на гистерезис являются причиной дополнительных потерь, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы сер­дечников трансформатора.

Полезная мощность выпрямителя -это мощность, выделяемая в нагрузке , где I₀ - постоянная составляющая выпрям­ленного тока.

Расчетная мощность обмоток трансформатора:

,

uде U₁, U₂ - действующие напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора;

I₁, I₂ - действующие токи в первичных и вторичных обмотках; т₁, т₂ - соответственно число фазных первичных и вторичных обмо­ток.

Коэффициент использования первичной и вторичной обмоток трансформатора , .

Расчетная мощность трансформатора .

Коэффициент использования трансформатора ..

Обратное напряжение, приходящееся на один диод при работе его в выпрямительной схеме, определяется наибольшей разностью потенциалов между анодом и катодом за время, когда диод не проводит ток.

Действующий ток диода I_д. определяет его нагрев и потери мощности.

Средний ток диода I_д.ср. используют для нормирования до­пустимых токовых нагрузок полупроводниковых диодов.

Амплитудный ток диода I_д.m характеризует максимальный ток, проходящий через диод.

Внешней или нагрузочной характеристикой выпрямителя на­зывается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки U₀f(I₀), которой характеризуются рабочие свойства любого

Рисунок 3.8 – Внешняя характеристика выпрямителя:

источника тока, в частности выпрямителя (рис. 3.8). Внутреннее сопротивление определяется падением напряжения на трансфор­маторе и вентилях. Внешняя характеристика всегда носит падаю­щий характер.