Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

 

В схему выпрямителя (рис. 17, а) входят силовой трансформатор с одной вторичной обмоткой и выпрямительный мост из четырех диодов VD₁-VD₄. Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис. 17, в). Это получается в результате поочередного отпирания ди­одов VD₁, VD₂ и VD₃, VD₄.

 

Однофазный мостовой выпрямитель

Рис. 17. Схема однофазного мостового выпрямителя (а)

и его временные диаграммы (б-ж)

 

Диоды VD₁, VD₂ открыты на интер­вале при полуволне напря­жения u

2 положительной полярности (показана на рис. 17, а без скобок), создаваемого под действием напряже­ния и₁ (рис. 17, б, в). Открытые диоды VD₁, VD₂ обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая на ней напряже­ние и_d той же величины и полярнос­ти, что и напряжение u₂ (рис. 17, в). При наличии полуволны напря­жения u₁ отрицательной полярности на интервале полярность напряжения u₂ обратная. Под ее воз­действием открыты диоды VD₃, VD₄, под­ключающие напряжение u₂ к нагруз­ке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рис. 17, а, в). Ввиду идентичности кривых u

d для выпрямителей (мостового и с выводом нулевой точки трансформа­тора) для схемы рис. 17, а дейст­вительны соотношения (19), (20) между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением на­пряжения U₂ и соотношения (22)-(24), характеризующие гармониче­ский состав и коэффициент пульса­ции выходного напряжения. Все параметры схемы сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен в [1, 2].

Поскольку ток I_d = U_d/R_H (рис. 17, г) распределяется поровну меж­ду парами диодов (рис. 17, д, e)

Обратное напряжение приклады­вается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале про­водимости двух других диодов. При этом оно создаётся напряжением вторичной обмотки трансформатора u

2. Кривая u_b для диодов VD₁ VD₂ показана на рис. 17, ж. Мак­симальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂ (табл. 3), т. е. оно вдвое меньше, чем в схеме с выводом нулевой точки.

В рассматриваемой схеме параметры первичной обмотки I₁ , U₁ связаны соответственно с параметрами вторичной об­мотки I₂ , U₂ коэффициентом трансформации n. В соответствии с этим расчетные мощности обмоток получаются одинаковыми и мощность трансформатора S

T=1,23P_d (табл. 3).

Преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение (при данном напряжении U_d), на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов. Поэтому мостовая схема нашла преобладающее применение в выпрямителях однофазного тока небольшой и средней мощности.

 

62. Однофазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выво­дом, выполняемая по аналогии со схемой неуправляемого выпрями­теля (см. рис. 13, а), приведена на рис. 23. Ее анализ будем про­водить для двух видов нагрузки — чисто активной и активно-индук­тивной. Примем вначале нагрузку чисто активной (ключ К

1 включен, ключ К₂ выключен).

 

Однофазный нулевой управляе­мый выпрямителя

Режиму активной нагрузки соответствуют времен­ные диаграммы, приведенные на рис. 24, а-е. Пусть на входе вы­прямителя действует положительная полуволна напряжения сети u₁ (рис. 24, а), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 23 без скобок. На интервале тиристоры Т

1, Т₂ закрыты, напряжение на выходе выпрямителя u_d=0 (рис. 24, в). К тиристорам Т₁, Т₂ прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора u_2-1+u_2-2 На тиристоре Т₁ действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре Т₂ — в обратном. Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинако­выми, то на интервале напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определяться величиной (u_2-1—u_2-2)/2 = u ₂ (рис. 24, е).

В момент времени определяемый углом

, от системы управле­ния СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т₁ (рис. 24, б). В результате отпирания тиристор Т₁ под­ключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение u_d (рис. 24, в), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку и тиристор Т₁ протекает ток (рис. 24, г) i_d = i_al = u_d/R_н. При переходе напряжения питания через нуль ( ) ток тиристора Т₁ становится равным нулю и ти­ристор закрывается.

На интервале полярность напряжения питания из­меняется на противоположную. На этом интервале оба тиристора вы­прямителя закрыты. К тирис­тору Т₁ (рис. 24, е) приклады­вается обратное напряжение, а к тиристору Т₂ — прямое на­пряжение, равное Т₂.

 

Временные диаграммы

Временные диаграммы, иллю­стрирующие принцип действия одно­фазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при чисто активной нагрузке.

По окончании указанного ин­тервала подается отпирающий импульс на тиристор Т₂. Отпи­рание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напря­жения u_d=u_2-2=u₂ (рис. 24, в) той же формы, что и на интервале проводимости тирис­тора Т₁. Через нагрузку и ти­ристор протекает ток i_d = i_a2 = u_d/R_н (рис. 24, д). На ин­тервале

проводимости тиристора Т₂ напряжения двух вторичных обмоток трансфор­матора подключаются к тирис­тору Т₂, вследствие чего с мо­мента отпирания тиристора Т₂ на тиристоре Т₁ действует об­ратное напряжение, равное 2u₂ (рис. 6.2, е). Максимальному обратному напряжению соот­ветствует значение U_bmax=2 U₂, где U₂ — действую­щее значение вторичного напря­жения трансформатора. В по­следующем процессы в схеме следуют аналогично рассмот­ренным. Токи вторичных об­моток трансформатора опреде­ляются токами тиристоров Т ₁, Т₂ (рис. 24, г, д). Первичный ток i₁ (рис. 24, а) связан с вто­ричными токами коэффициен­том трансформации трансформатора и имеет паузы на интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно напря­жения питания.

Особенностью управляемо­го выпрямителя является его способность регулировать среднее зна­чение выпрямленного напряжения U_d при изменении угла (рис. 24, в). При

= 0 кривая выходного напряжения u_d соответст­вует случаю неуправляемого выпрямителя (см. §7) и напряжение максимально. Углу управления (180 эл. град) отвечают u_d = 0 и U_d = 0. Иными словами, управляе­мый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 эл. град осуще­ствляет регулирование напряжения U_d в пределах от максимального значения, равного 0,9U₂, до нуля. Вид кривых u_d при различных значениях угла показан на рис. 25, а-г.

Зависимость напряжения U_d от угла называется регулиро­вочной характеристикой управляемого выпрямите­ля. Она определяется из выражения для среднего значения напряже­ния на нагрузке. Это напряжение на интервале соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 24, в или 25, б, в), т. е.

 

.

 

Результат расчета дает

 

,

 

где U_d0 = 0,9U₂ — среднее значе­ние напряжения на нагрузке при .

Кривые выходного напря­жения однофазного выпрямителя при

чисто активной нагрузке и различных углах управления

Регулировочная ха­рактеристика

однофазного уп­равляемого выпрямителя

 

63. Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Особенность работы трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол момента отпирания очередных тиристоров отно­сительно точек естественного отпирания имеющих координаты и т. д. (рис. 31, б).

 

Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

Схема трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя (а), его временные диаграммы (б) и регулировочная характеристика (в)

В кривой выпрям­ленного напряжения вырезаются участки синусоиды, вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при измене­нии угла осуществляется регулирование величины U_d.

Влияние изменения угла на кривую u_d и среднее значение на­пряжения U_d показаны на рис. 31, б. Кривая u_d на рис. 31, б, состоит из участ­ков фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_a, u_b, u_c.

При изменении угла в диапазоне от 0 до 30° (рис. 31, б) пе­реход напряжения u_d с одного фазного напряжения на другое осу­ществляется в пределах положительной полярности участков фаз­ных напряжений. Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктив­ной нагрузках. Ток нагрузки непрерывен.

При >30° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рис. 31, б). Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока (см. §12). В случае активно-индук­тивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вто­ричные обмотки трансформатора после изменения полярности их фазного напряжения, в связи с чем в кривой и появляются участки фазных напряжений отрицательной поляр­ности. При эти участки продолжаются до моментов очеред­ного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d=0 соответствует угол =90°. Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой u_d при > 30° появляются нуле­вые паузы. Напряжению U_d=0 теперь будет отвечать значение угла = 150^o.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале 2 :

 

,

 

т. е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке ( ) на интервале 150° > > 30° находят из выражения

 

.

 

При этом закрытие тиристора происходит в точке, соответствующей нулевому напряжению ранее, чем открытие следующего тиристора. Интервал проводимости тиристора от до π. Ток нагрузки прерывен.

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрями­теля, построенные по выражениям (59), (60), приведены на рис. 31, в. Неоднозначность регулировочных характеристики и зона прерывистого тока могут быть устранены путем шунтирования нагрузки обратным диодом. Регулировочная характеристика при этом будет аналогична характеристике работы на активную нагрузку, а зона прерывистого тока в нагрузке в пределе будет сужена до нуля за счет замыкания тока в контуре, содержанием э.д.с. нагрузки и обратный диод.

 

 



Неуправляемые выпрямители

При рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку — чисто активной.

Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель

Схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале от 0 до  фазное напряжение (U₂) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U₂ проходит в нагрузку. В момент смены полярности U₂ происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

• высокое значение коэффициента выпрямления К₀, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

• по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:

— т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.

, где Р_mp– габаритная мощность трансформатора.

Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики токов и напряжений в различных точках схемы.

На интервале времени [0;] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент  происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом, через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К₀,К_п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношениядля схемы выпрямителя:

.

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для P_mр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток I_а протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя K_тр = 1,23, что используется в уравнение для P_тр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем

Неуправляемые выпрямители

При рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку — чисто активной.

Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель

Схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале от 0 до  фазное напряжение (U₂) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U₂ проходит в нагрузку. В момент смены полярности U₂ происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

• высокое значение коэффициента выпрямления К₀, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

• по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:

— т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.

, где Р_mp– габаритная мощность трансформатора.

Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики токов и напряжений в различных точках схемы.

На интервале времени [0;] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент  происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом, через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К₀,К_п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношениядля схемы выпрямителя:

.

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для P_mр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток I_а протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя K_тр = 1,23, что используется в уравнение для P_тр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем

3.1. Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель с нулевым выводом.

Рисунок 3.3

Силовой трансформатор Tр имеет две вторичные обиотки W2’, W2’’, связанные с первичной обмоткой id коэффициентом трансформации Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов. Рассмотрим работу схемы для активной нагрузки (рисунок 3.3).

При поступлении полуволны напряжения положительной полярности (интервал 0-π) напряжение на обмотках транзистора без скобок. К диоду VD1 прикладывается напряжение положительной полярности, к VD2 – отрицательной. Таким образом на интервале от 0 до π VD1 открыт VD2 закрыт.

При поступлении напряжения U1 отрицательной полярности (интервал π — 2 π), полярность напряжения на обмотках транзистора становится в скобках. VD1 закрывается, VD2 – открывается. К нагрузке прикладывается напряжение той же полярности, что и на предшествующем интервале. Далее процессы повторяются. Среднее выпрямленное напряжение

.

Средний ток нагрузки .

Средний ток диода, необходимый для его выбора .

3.2.1. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

Рисунок 3.4

Режим активно-индуктивной нагрузки (рисунок 3.4) получается при включении последовательно с активной нагрузкой сглаживающего L – фильтра или при работе выпрямителя на обмотку электромагнита, или двигатель постоянного тока. Здесь, как и в предыдущем случае, режим работы диодов определяется напряжениями вторичных обмоток трансформаторов. VD1 открыт на интервалах 0-π, 2π- 3 π, и т.д., а VD2 на интервалах π-2π, 3π-4π и т.д. .Кривая напряжения Ud образуется напряжением вторичных обмоток трансформатора и имеет тот же вид, что и при активной нагрузке. Ток id под влиянием индуктивности получается сглаженным. Поскольку ток в индуктивности отстает по фазе от напряжения, максимумы id следуют с некоторой задержкой относительно максимумовUd. Если активное сопротивление дросселя принять равным нулю, то форма напряжения Udн имеет тот же вид , что и ток id, а среднее напряжение на нагрузке (среднему напряжению на выходе выпрямителя). При увеличении индуктивности её сглаживающие действия повышаются и пульсации в кривой Udн – уменьшаются.

3.2.2. Работа выпрямителя при активно-ёмкостной нагрузке

Рисунок 3.5

Активно-ёмкостная нагрузка выпрямителя (рисунок 3.5) создаётся при использовании конденсатора для сглаживания кривой выпрямленного напряжения. При этом поведение схемы характеризуется импульсным режимом работы.

В отличие от предыдущих случаев для отпирания диодов VD1 или VD2 недостаточно только изменения полярности полуволн напряжений. Необходимо, чтобы вторичные напряжения превысили напряжение на конденсаторе С, определяющие потенциал катодов VD1 и VD2 и выходное напряжение Ud.

Пусть на интервале ,и . Оба диода при этом закрыты. К VD2 приложено обратное напряжение . VD1 закрыт, т.к. и приложено к нему в обратном направлении. Питание нагрузки производится от конденсатора, разряжающегося на неё с постоянной времени . В момент , VD1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению U2’. На интервале конденсатор разряжается под действием напряжения U2’. Процесс заряда конденсатора заканчивается в момент , когда напряжение на нём станет равным U2’ и VD1 закрывается. На интервале VD1 и VD2 заперты, конденсатор разряжается на нагрузку. В момент , открывается VD2 и на интервале пропускает импульс зарядного тока конденсатора. Далее процессы повторяются.

Наличие конденсатора делает кривую Ud сглаженной по сравнению с активной нагрузкой. Поскольку Cd = Ud/Rн, ток нагрузки получается также хорошо сглаженный.

Однофазные выпрямители

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный УВ с выводом от средней точки вторич­ной обмотки трансформатора.

Схема (рис. 1) отличается от схемы неуправляемого выпрямителя только тем, что вместо неуправляемых вентилей здесь используются управляемые (обычные тиристоры) с соответствующей схемой управления.

Рис. 1. Однофаз­ный управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу схемы на чисто активную нагрузку: S1 замкнут, S2 разомкнут. Если на входе выпрямителя имеет место положитель­ная полуволна напряжения сети (на рис. 1 полярности напряже­ния без скобок), то в интервале 0…t₁ (рис. 2, а) оба тиристора VD1 и VD2 закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. Тиристор VD1 находится под прямым напряжением, a VD2 — под обратным (рис. 2, д).

В момент времени t₁ от схемы управления СУ на тиристор VD1 поступает управляющий импульс, тиристор скачком открывается, напряжение на нем падает до нуля (прямым падением напряжения на тиристоре в большинстве случаев можно пренебречь, так как ) и все напряжение половины вторичной обмотки трансфор­матора прикладывается к нагрузке. Естественно, ток в активной на­грузке будет меняться до конца полупериода пропорционально на­пряжению.

Рис. 2. Диаграмма работы однофазно­го нулевого УВ на активную нагрузку

В момент времени напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора падают до нуля и VD1 закрывается. Так как никаких специальных мер для запирания тиристора не принимается, такой процесс называется естественной коммутацией.

В момент t₂ подается отпирающий импульс на тиристор VD2. Он включается, и в нагрузке формируется такой же сигнал, как и при включении VD1. Таким образом, через нагрузку будет протекать ток, форма которого показана на рис. 2, г, а среднее значение напряжения опре­деляется заштрихованными площадками. Оче­видно, что чем раньше в полупериоде будет подан управляющий сигнал, тем больше будет среднее значение тока и напряжения в нагрузке, и наоборот.

Если угол управления , режим работы УВ не отличается от работы неуправляемого выпрямителя и

Это максимальное значение . При как видно из диаграммы (рис. 2), .

Зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Так как

,

то,

,

где (для ).

На рис. 3 приведена регулировочная характеристика однофаз­ного УВ для L = 0. Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме (с учетом коэффициента трансформации) ток во вторичной обмотке и, если , имеет паузы в интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно U₁ даже при активной нагрузке.

Рис 3. Регулировочная ха­рактеристика однофазного УВ при работе на активную и индуктивную нагрузку

Прямое напряжение на тиристоре изменяется по закону U₂ до мо­мента отпирания_тиристора, и максимальное значение может достиг­нуть . Обратное напряжение запертого тиристора (см. рис. 2, д) меняется по такому же закону до момента отпирания второго, а затем к первому прикладывается обратное напряжение обеих половин вторичной обмотки, и максимальное значение может достичь величины

.

Итак, характерными качествами УВ, работающего на активную нагрузку, являются предельный угол регулирования и индуктивный характер первичного то­ка при .

Индуктивная нагрузка УВ (на рис. 1 S1 и S2 разомкнуты) вносит существенные отличия в его работу. Так, если принять индуктивность достаточно большой (), то ток нагрузки можно (при дан­ном ) считать постоянным, практически полностью сглаженным (рис. 4, в), а ток, протекающий по вторичным обмот­кам и через вентили, состоящим из пря­моугольных отрезков (рис. 4, г), ампли­туда которых равна I_d.

Рис. 4. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

Так как включение очередного тири­стора, например VD2, происходит с запаз­дыванием на угол а по отношению к мо­менту перехода вторичного напряжения через нуль, а ток через работающий вен­тиль должен протекать до тех пор, пока не включится VD2, то возни­кают интервалы времени, когда ток (под действием электромагнит­ной энергии, запасенной в дросселе) протекает при отрицательном напряжении на обмотке, т.е. в кривой напряжения U_d(рис. 4, б) появляются участки напряжения отрицательной полярности. Иначе говоря, среднее значение напряжения U_d при данном будет меньше. При площади фигур, описываемые кривой U_d, положительной и отрицательной полярности будут одинаковыми, т. е. U_d будет равно нулю. Регулировочная характеристика УВ будет описываться выра­жением

откуда , (рис. 3).

Потребляемый от сети ток i₁ состоит из прямоугольных импульсов с амплитудой ( — коэффициент трансформации), его первая гармоника сдвинута в сторону отставания на угол отно­сительно напряжения питания (рис. 4, а).

Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения, равного , т. е. сумме напряжения на обеих обмотках. Так как один тиристор постоянно включен, максимальное обратное напряжение (для ), как и максимальное прямое (для ), равно .

При работе УВ данного вида на активно-индуктивную нагрузку при меньших значениях индуктивности () первичный и вто­ричный токи будут иметь вид отрезков, близких к синусоиде, но ток будет достигать нулевого значения при угле, большем , но меньшем (при определенных соотношениях и ), т. е. ток i_d будет пре­рывистым, форма U_d — промежуточной между рассмотренными выше, а регулировочная характеристика для такой нагрузки будет распо­лагаться между характеристиками для L = 0 и L =.

Как было уже упомянуто, первая гармоника входного тока будет отставать от входного напряжения даже при активной нагрузке, а при индуктивной и больших углах регулирования становится очень низким. Это приводит к потреблению от сети значительной реактивной мощности, увеличению потерь в обмотках и сети, дополни­тельной загрузке генератора и т. д. Несколько ослабить отрицательные последствия этого явления можно, применив так называемый нулевой диод VD0, для чего необходимо включить S2 (см. рис. 1). Следует иметь в виду, что применение VD0 имеет смысл только при индуктив­ной нагрузке.

Диаграмма работы такой схемы приведена на рис. 5. При поло­жительном полупериоде вторичного напряжения ток через W1 проте­кает с момента включения VD1, но как только напряжение U₂ спадает до нуля, тиристор VD1 запирается, а контур тока замыкается через VD0 (L—VD0-R_н), т.е. вторичная обмотка не работает. Этот режим продол­жается до момента включения VD2, затем ток с VD0 переходит на VD2 и процесс повторяется. Кривые напряжения на тиристоре аналогичны кривым при работе данной схемы на чисто активную нагрузку (см. рис. 2). Так как в кривой тока вторичных обмоток появляются паузы (пока ток нагрузки протекает через нулевой диод), то точно такую же форму с учетом коэффициента трансформации будет иметь и ток i₁. Следовательно первая гармоника входного тока будет теперь сдвинута по отношению к U₁ на угол (вместо ), т. е. схемы будет теперь выше ().

Рис. 10.5. Диаграмма работы однофазного УВ с нулевым диодом

Регулировочная характеристика УВ с нулевым диодом совпадает с характеристикой схемы для активной нагрузки, т. е.

.

Таким образом, применение нулевого диода позволяет уменьшить нагрузку на тиристоры (в особенности при больших ) и поднять выпрямителя.

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

Такая схема (рис. 6) включает четыре тиристора; вторичная обмотка не имеет отвода от средней точки, схема управления должна обеспечивать одно­временное открытие двух тиристоров, расположен­ных в противоположных плечах моста. Диаграмма работы схемы на активную нагрузку приведена на рис. 7, на активно-индуктивную и индуктив­ную — на рис. 8.

Рис. 6. Однофаз­ный мостовой УВ

Рис. 7. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активную нагрузку

Рис. 8. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активно-индуктивную нагрузку

Режим работы и регулировочные характеристи­ки мостового УВ с полным числом управляемых вентилей аналогичны таковым для УВ с нулевым выводом. Но есть одно отличие: для нулевой схе­мы кривая напряжения на вентилях формируется из участков синусоиды амплитудой , a для мостовой схемы — , т. е. вентили можно выбирать на вдвое меньшее обратное напряжение. Правда, потери на прямое падение напряжения у мостовой схемы вдвое больше. Все остальные ха­рактеристики указанных схем и диаграмма работы идентичны.

В некоторых случаях возможно применение мостового УВ с не­полным числом управляемых вентилей, например, если в схеме (см. рис. 6) оставить VD1 и VD3 управляемыми (тиристоры), а в ка­честве VD2 и VD4 поставить неуправляемые диоды. Режим работы схемы будет аналогичен рассмотренному режиму схемы УВ с нулевым выводом и VDO. Если , т.е. i_d идеально сглажен, то схема рабо­тает следующим образом (см. рис. 5). С задержкой управляющим сигналом отпирается тиристор VD1, на интервале ток нагрузки протекает через обмотку, вентили VD1 и VD2 и Z_н. В момент поляр­ность напряжения U₂ меняется на обратную, диод VD2 запирается, но, так как ток прекратиться не может (), то он протекает через тот же тиристор VD1 и открывшийся диод VD4, цепь нагрузки закорочена, источником питания является индуктивность, трансформатор не ра­ботает. В момент времени отпирается тиристор VD3, тогда VD1 сразу же закрывается, так как к нему прикладывается обратное напря­жение, и работает вторая цепь схемы W—VD3-R_dL—VD4. Далее процесс повторяется.

Таким образом, на интервале, равном углу регулирования , тока через вторичную, а следовательно первичную обмотку, нет, угол сдвига первой гармоники входного тока , в кривой U_dотсут­ствуют участки напряжения U₂ отрицательной полярности.

Возможно использование и несколько иной схемы: управляемые вентили VD1 и VD4, а неуправляемые — VD2 и VD3. Характер работы схемы сохранится, только изменятся интервалы проводящих состоя­ний вентилей.

Как указывалось выше, однофазные выпрямители в силовой тех­нике практически не применяются, поэтому далее будут рассмотрены трех- и шестифазные схемы, однако к однофазным придется еще неод­нократно возвращаться для пояснения ряда эффектов, возникающих в управляемых выпрямителях.

3.1. Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель с нулевым выводом.

Рисунок 3.3

Силовой трансформатор Tр имеет две вторичные обиотки W2’, W2’’, связанные с первичной обмоткой id коэффициентом трансформации Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов. Рассмотрим работу схемы для активной нагрузки (рисунок 3.3).

При поступлении полуволны напряжения положительной полярности (интервал 0-π) напряжение на обмотках транзистора без скобок. К диоду VD1 прикладывается напряжение положительной полярности, к VD2 – отрицательной. Таким образом на интервале от 0 до π VD1 открыт VD2 закрыт.

При поступлении напряжения U1 отрицательной полярности (интервал π — 2 π), полярность напряжения на обмотках транзистора становится в скобках. VD1 закрывается, VD2 – открывается. К нагрузке прикладывается напряжение той же полярности, что и на предшествующем интервале. Далее процессы повторяются. Среднее выпрямленное напряжение

.

Средний ток нагрузки .

Средний ток диода, необходимый для его выбора .

3.2.1. Работа выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

Рисунок 3.4

Режим активно-индуктивной нагрузки (рисунок 3.4) получается при включении последовательно с активной нагрузкой сглаживающего L – фильтра или при работе выпрямителя на обмотку электромагнита, или двигатель постоянного тока. Здесь, как и в предыдущем случае, режим работы диодов определяется напряжениями вторичных обмоток трансформаторов. VD1 открыт на интервалах 0-π, 2π- 3 π, и т.д., а VD2 на интервалах π-2π, 3π-4π и т.д. .Кривая напряжения Ud образуется напряжением вторичных обмоток трансформатора и имеет тот же вид, что и при активной нагрузке. Ток id под влиянием индуктивности получается сглаженным. Поскольку ток в индуктивности отстает по фазе от напряжения, максимумы id следуют с некоторой задержкой относительно максимумовUd. Если активное сопротивление дросселя принять равным нулю, то форма напряжения Udн имеет тот же вид , что и ток id, а среднее напряжение на нагрузке (среднему напряжению на выходе выпрямителя). При увеличении индуктивности её сглаживающие действия повышаются и пульсации в кривой Udн – уменьшаются.

3.2.2. Работа выпрямителя при активно-ёмкостной нагрузке

Рисунок 3.5

Активно-ёмкостная нагрузка выпрямителя (рисунок 3.5) создаётся при использовании конденсатора для сглаживания кривой выпрямленного напряжения. При этом поведение схемы характеризуется импульсным режимом работы.

В отличие от предыдущих случаев для отпирания диодов VD1 или VD2 недостаточно только изменения полярности полуволн напряжений. Необходимо, чтобы вторичные напряжения превысили напряжение на конденсаторе С, определяющие потенциал катодов VD1 и VD2 и выходное напряжение Ud.

Пусть на интервале ,и . Оба диода при этом закрыты. К VD2 приложено обратное напряжение . VD1 закрыт, т.к. и приложено к нему в обратном направлении. Питание нагрузки производится от конденсатора, разряжающегося на неё с постоянной времени . В момент , VD1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению U2’. На интервале конденсатор разряжается под действием напряжения U2’. Процесс заряда конденсатора заканчивается в момент , когда напряжение на нём станет равным U2’ и VD1 закрывается. На интервале VD1 и VD2 заперты, конденсатор разряжается на нагрузку. В момент , открывается VD2 и на интервале пропускает импульс зарядного тока конденсатора. Далее процессы повторяются.

Наличие конденсатора делает кривую Ud сглаженной по сравнению с активной нагрузкой. Поскольку Cd = Ud/Rн, ток нагрузки получается также хорошо сглаженный.

Неуправляемые однофазные схемы выпрямленияBlogTIMT.ru | BlogTIMT.ru

В одной из прошлых статей мы рассмотрели что такое выпрямительное устройство. Сегодня же мы уделим особое внимание схемам однофазных выпрямителей, которые нашли широкое применение в любой электронной аппаратуре от зарядных устройств, до аппаратуры связи. В данной статье мы рассмотрим выпрямительные устройства, содержащие в себе только трансформатор и диодный блок, сглаживающие фильтры будут рассмотрены позже.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Изучение выпрямительных устройств зачастую всегда начинается с рассмотрения самой простой схемы однотактного однофазного однополупериодного выпрямителя. Эта схема лучше других иллюстрирует принцип действия выпрямительного диода, а заодно освежает в памяти принцип действия полупроводникового диода. Схема и диаграммы, поясняющие работу однополупериодной схемы изображены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия. При подключении к схеме источника питания U₀, на зажимах вторичной обмотки трансформатора возникает Электродвижущая сила (ЭДС), изображённая на верхней диаграмме рисунка 1б. В первый момент времени от 0 до π, ЭДС имеет положительное значение, следовательно ток будет протекать от условно положительного полюса через точку «А», диод VD₁, нагрузку R_н и через точку «Б» в отрицательный полюс вторичной обмотки трансформатора.

На интервале времени от π до 2π, за счёт ВАХ диода VD₁ напряжение на нагрузке будет отсутствовать, так как диод пропускает ток только в одном направлении. Следовательно, на нижней диаграмме рисунка 1б видим нулевое значение напряжения на нагрузке. Однополупериодной схема названа потому, что выпрямляет только половину периода, образуя импульсное напряжение.

Схема применяется в некоторых зарядных устройствах мобильных телефонов. Основными достоинствами схемы являются минимальный набор деталей, низкая стоимость и простое схематическое решение.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления также называется схемой со средней точкой или нулевым выводом, а также в некоторых схемах можно встретить название схема Герца. Схема и диаграммы, поясняющие работу изображены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия. Так как в схеме применён трансформатор со средней точкой, на выходе которого мы получаем две синусоиды e₂₁ и e₂₂ в противофазе друг к другу.

В период от нуля до π, ЭДС e₂₁ имеет положительное значение относительно средней точки трансформатора, а ЭДС e₂₂ имеет отрицательное значение. Полярность ЭДС указана на схеме без скобок. Следовательно на этом временном интервале будет открыт диод VD1, диод VD2 будет закрыт. Ток будет протекать от точки «А», через диод VD1 и нагрузку Rн в точку «0» на вторичной обмотке трансформатора.

На следующем интервале времени от π до 2π, полярность ЭДС на вторичной обмотке трансформатора меняет свой знак на указанный в скобках, закрывается диод VD1, открывается диод VD2. Ток будет протекать от точки «Б», через диод VD2 и нагрузку Rн в точку «0» на вторичной обмотке трансформатора.

Основным недостатком схемы является то, чтобы получить одинаковое напряжения во вторичной обмотке трансформатора нужно использовать минимум в два раза больше витков, чем в мостовой схеме, что является неэкономичным расходом медного провода.

Главным плюсом над однополупериодной схемой является пульсации выпрямленного напряжения минимум в два раза меньше, следовательно сглаживающий фильтр можно сконструировать из конденсаторов, имеющих ёмкость гораздо меньше.

Схема активно применяется в выходных каскадах импульсных блоков питания персональных компьютеров.

Однофазный мостовой выпрямитель

Также называется двухполупериодный мостовой выпрямитель. Схема и диаграммы, поясняющие работу изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Однофазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия однофазной мостовой схемы выпрямления. На интервале времени от 0 до π ЭДС на вторичной обмотке трансформатора имеет положительное значение. На этом временном интервале будут открыты диагональные диоды VD₂ и VD₃. Следовательно, ток потечёт от точки «А» через диод VD₃, нагрузку R_н, диод VD₂ в точку «Б» и во вторичную обмотку трансформатора. На интервале времени от π до 2π, ЭДС изменит своё значение на отрицательное, диоды VD₂ и VD₃ закроются, диоды VD₁ и VD₄ откроются. Следовательно ток будет протекать от отрицательного полюса через точку «Б», диод VD₄, нагрузку R_н, диод VD1 и через точку «А» во вторичную обмотку трансформатора. Из этого можно сделать вывод, что ток через нагрузку будет протекать только в одном направлении.

Схема нашла своё применение в высоковольтных цепях электроаппаратуры.

Итог

Чтобы выбрать конкретную схему для проектирования устройств, выбор основывается на анализе исходных данных и параметров выпрямительных диодов. На мощностях до 1 кВт, можно использовать двухполупериодную и мостовую схему. При выходных напряжениях менее 10В мостовую схему не целесообразно применять, так как падение напряжения на одновременно работающих параллельных диодах будет соизмеримо с напряжением на нагрузке. В свою очередь, двухполупериодную схему не целесообразно применять при больших напряжениях, так как обратное напряжение на диодах будет соизмеримо с нагрузкой, что повлечёт за собой использование более мощных диодов, чем для мостовой схемы.

P.S. Статья со временем будет обновляться. На данный момент в ней рассмотрены только принципы работы схем, в недалёком будущем планируется добавить расчётные формулы и параметры схем. Для более глубокого изучения выпрямительных устройств воспользуйтесь соответствующей литературой.