Выпрямительные устройства

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.28, а) ток I_н через диод проходит в нагрузку R_н только в положительные полупериоды напряжения U₂, так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющая I₀ представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения, равную (согласно разложению функции в ряд Фурье):

где U_2max и U₂ — амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора. По заданному U₀ можно найти U₂ и определить необходимый коэффициент трансформации U₁/U₂ при известном напряжении U₁ питающей сети переменного тока.

исправить черточку от U_{2 max} – она должна указывать на верхнюю точку синусоиды

Рис. 2.28. Выпрямительные устройства и графики, поясняющие их работу:

а — однополупериодный выпрямитель; б — двухполупериодный выпрямитель

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение

U_обр=U_2max=πU₀,

поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию U_{обр доп} ≥ πU₀ , а допустимый через диод прямой ток — условию I_{ср доп} ≥ I₀ .

Схема двухполупериодного выпрямителясостоит из четырех диодов, включенных по так называемой мостовой схеме (рис. 2.28, б).

Напряжение U₂ в положительный полупериод открывает диоды VD1 и VD3 и от точки А к точке В по цепи «VD1— R_н — VD3» протекает ток нагрузки I_н = I_1,3 . При этом диоды VD2и VD4 заперты.

В отрицательный полупериод напряжение U₂ открывает диоды VD2и VD4 и ток I_н = I_2,4 течет от точки В к точке А по цепи «VD2— R_н — VD4», проходя по нагрузке в одном и том же направлении.

В этой схеме постоянные составляющие тока I₀ и напряжения U₀ в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD2 в положительный полупериод напряжения U₂.

При открытом диоде VD1 потенциал точки А^’ близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD2. Значит, к диоду VD2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора U_обр = U_2max , т. е. такое же, как и в однополупериодной схеме.

Ток, протекающий через каждый из диодов, I_ср = I₀/2, т.е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пример 2.1. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (см. рис. 2.28, б), если необходимо получить мощность в нагрузке Р₀ = 600 Вт и напряжение U₀ =115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Решение. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

U₂ = U₀/0,9 = 115/0,9 = 127 В.

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации K = 220 / 127 = 1,73.

Постоянный ток в нагрузке

I₀ = P₀ / U₀ = 600 /115 = 5,2 А.

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых I_{ср доп} ≥ 5,2/2 = 2,6 А, а допустимое обратное напряжение

U_{обр доп} ≥ U_2max = · U₂ = · 127 = 180 В.

Трехфазные выпрямители применяют при больших мощностях, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть.

Вторичная обмотка трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке R_н через три диода (рис. 2.29, а). Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. На рис. 2.29, в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке, и имеющая значительно меньшие пульсации, чем в схемах рис. 2.28.

В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы:

,

где U_2max и U₂ — амплитудное и действующее значения фазного напряжения, а средний ток через диод I_ср = I₀/3.

Рис. 2.29. Трехфазные выпрямители:

а — трансформаторный; б — бестрансформаторный; в — график, поясняющий работу выпрямителя

В бестрансформаторном трехфазном выпрямителе (рис. 2.29, б) соотношения для чисто активной нагрузки равны:

,

где U_max и U — амплитудное и действующее значения линейного напряжения сети, а средний ток через каждый из шести диодов I_ср = I₀ /3.

Пример 2.2. Чему равно выпрямленное напряжение бестрансформаторного трехфазного выпрямителя (см. рис. 2.29, б), подключенного к сети с линейным напряжением U = 380 В, и на какое обратное напряжение должны быть рассчитаны диоды?

Решение. Постоянное напряжение равно U₀ ≈ 1,35 · 380 = 513 В и диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение .