6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки R_Н на выходе моста. К мосту подводится напряжение u₂, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u₁ на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u

1. Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фазв скобках.

В интервале фаз 0положительное напряжение подводится к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д ₄

, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д ₃ и к катоду диода Д ₂. Следовательно, диоды Д ₁ и Д ₂ будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д ₃ и Д ₄ – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R _Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз

изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д₃ и Д ₄ и к закрытию диодов Д ₁ и Д ₂ . Ток будет протекать через открытые диоды Д ₃ и Д ₄ , и напряжение в нагрузке R _Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu ₁ на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью

, а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.

Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина

является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д₁ подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д ₃. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

U_{в max} = U₂ = 0,5π U_d, (6.9)

то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д

1и Д₃, вторая – на диодах Д₂и Д₄. Величины разнополярных напряженийu_d1иu_d2 равны 0,5 u_d– половине суммарного выходного напряжения.

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Трехфазные выпрямители по сравнению с однофазными выпрямителями имеют меньшую пульсацию выпрямленного на­пряжения и могут использоваться без фильтров. Кроме этого трех­фазные выпрямители имеют более высокие энергетические по­казатели.

Наибольшее распространение получила трехфазная мос­товая схема выпрямления, исследуемая в данной лаборатор­ной работе (рис. 2.5,а), Схема трехфазного мостового выпря­мителя (схема Ларионова) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили V2, V4, Vб, у которых электри­чески соединены анода, образуют анодную группу. Вентили V1, VЗ, V5 с объединенными катодами образуют катодную группу. Нагрузку включают между точками соединения като­дов и анодов вентилей.

В любой момент времени работают два вентиля. В катодной группе в открытом состоянии будет находиться вентиль с наи­большим положительным потенциалом на аноде, в анодной группе работает вентиль, катод которого имеет наиболее отри­цательный потенциал. Например, после момента времени ωt₁ наибольший положительный потенциал имеет фаза а, поэто­му в катодной группе работает вентиль V1, а наибольший от­рицательный потенциал имеет фаза «b», поэтому в анодной группе работает вентиль V4 (рис. 2.5,6). Отметим на временных диаграммах фазных напряжений (рис. 2.5,6) интервалы прово­димости вентилей: на интервале ωt₁

— ωt₂ проводят вентили VI, V4, на интервале ωt₂ — ωt₃ — вентили V1, Vб, на интервале, ωt₃ — ωt₄ — вентили V6, VЗ, на интервале и ωt₄— ωt₅ — вентили V3, V2 и т.д. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3, а интервал совместной работы двух вентилей равен 2π/6. За период напряжения питания происхо­дят шесть переключений вентилей, т. е. частота пульсации вып­рямленного напряжения U

0 равна 6f сети (300 Гц).

Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по формуле:

U₂ — фазное напряжение питания, U_2л — линейное напряжение.

Максимальное обратное напряжение в данном случае равно амплитудному значению линейного напряжения

U_{o6p max}=U₂

л_m=√6U₂=l,045U₀.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения оп­ределяют по формуле:

где т = 6 — число фаз.

Описание работы

При исследовании одно- и трехфазных выпрямителей в ра­боте измеряют и рассчитывают основные параметры, снимают осциллограммы напряжений и внешние характеристики при чисто активной нагрузке и с емкостным фильтром, делают вы­воды.

Исследование однофазных выпрямителей. В работе использу­ют следующие блоки стенда: ИсН1, АВ1, АВ2, ИзмВ, а также сменную панель 17Л-03/18 и съемные элементы V1 — V4 — дио­ды типа КД103А, резисторы R_н = 100 Ом, 200 Ом, 360 Ом, 620 Ом, 750 Ом, I кОм и осциллограф типа CI-55. Для исследования однофазного выпрямителя, выпол­ненного по мостовой схеме, собирают цепь, схема которой при­ведена на рис, 2.6 (конденсатор С_ф не устанавливают).

В качестве источника питания используют блок ИсН1. На­пряжение U₂, снимают о гнезд «15 В» и «Общ» и измеряют ИзмВ, установив переключатель блока в положение «Исh2».

Для измерения тока используют прибор АВ1, который работа­ет в режиме амперметра постоянного тока. Для измерения на­пряжения U₀ на нагрузке параллельно ей включают АВ2, кото­рый работает в режиме вольтметра постоянного тока.

Для измерения среднего значения выпрямленного напря­жения U_Q, амплитудного значения напряжения U_2m, максималь­ного обратного напряжения U_{обр max}и снятия осциллограмм уста­навливают резистор R_H = 360 Ом. Измерения этих напряжений выполняют c помощью осциллографа. Результаты измерений заносят в табл. 2.1

В табл. 2.1 заносят результаты расчета U_2m,U₀, иU_обрmax по следующим формулам:

U_2m=√2U₂;

U₀ =0,636 U_2m,

U_{обр mах} = 1,57 U₀;

U_{обр max} =U_2m

где U_2m — амплитудное значение напряжения U₂, измеренное по осциллографу

	U2m,B	Uo, В	U*обр max
	при U2= В
Расчетное значение
Показания осциллографа
Показания вольтметра АВ2

Таблица 2.1

Определение амплитудного, среднего и обратного значений напряжений

U*_{обр max} — два значения напряжения, вычисленные по выше приведенным формулам.

В табл. 2.1 заносят результат измерения U₀ по вольтметру АВ2.

Осциллограмму выпрямленного напряжения зарисовывают на кальку. На осциллограмме указывают амплитудное и среднее значения напряжения.

Внешнюю характеристику однофазного выпрямителя сни­мают для 5—6 значений сопротивления нагрузки R_н (200 Ом, 360 Ом, 620 Ом, 750 Ом, I кОм)

Таблица 2.2

Внешние характеристики

Характер нагрузки	Rн, Ом	1000	750	620	360	200	100
Активная	U0,B Iо, ма, U2,В
Актвно-емкостная Сф = 50 мкФ	U0, B Iо, ма U0,B

Осциллограмму выпрямителя с емкостным фильтром сни­мают на кальку при R_H =360 Ом, на которой обозначают: U₀; U_max; U_min.

Для определения коэффициента пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром по осциллографу измеряют U_max и U_min. Коэффициент пульсаций определяется для трех значений Rн и вычисляется по формуле:

U_max и U_min— показания осциллографа.

Результаты измерений заносят в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Определение коэффициента пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром

Rн, Ом	Показания осциллографа
	Umax, В	Umin,B	U0, B
100
360
1000

Мостовая схема выпрямителя.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества:По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровнепульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки:

Увеличение числа вентилей

необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Многофазные выпрямители.

Многофазные выпрямители применяются, как правило только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.

Трехфазный выпрямитель.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Достоинства:Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки:Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления,

низкий КПД,

нерациональное использование трансформатора.

Схема Ларионова.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.

Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Недостатки:

 Увеличенное количество вентилей.

6 Однофазная мостовая схема выпрямления

Данная схема, как я предыдущая, 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 (рисунок 6.1, а).

Рисунок 6.1 – Мостовая схема выпрямителя (а), диаграммы напряжений и токов (б)

В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки б — отрицателен, диоды VD1 VD3 будут открыты, а диоды VD2, VD4 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками (рисунок 6.1, а).

Во второй полупериод, когда потенциал точки б ста­новится положительным, а точки а — отрицательным, от­крываются диоды VD₂, VD₄, а диоды VD₁, VD₃ оказыва­ются закрытыми и находятся под обратным напряжением. В результате ток по схеме пойдет в направлении, показан­ном пунктирными стрелками. Как видно из рисунка 6.1, а, на­правление токов Iо, протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадает, т.е. в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средним выводом (двухфазной).

На рисунке 6.1,б показаны графики выпрямленного напряжения u₀ и выпрямленного тока i₀. Так как падение напряжения на обмотках трансформатора и в диодах принято равным нулю, то форма выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора u₀, являясь огибающей положительных полусинусоид напряжения u₂. График выпрямленного тока i₀ соответствует графикам токов диодов и вторичной обмотки трансформатора и определяется соотношением

i₀=u₀/R_H

Как видно из схемы (рисунок 6.1, а) токи i’₂ и i»₂ протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий ток i₂ не содержит постоянной составляющей, поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным, а трансформатор работает в течение обоих полупериодов так, как если бы он был нагружен лишь на активное сопротивление.

Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение каждого полупериода напряжения u₂ то для получения одинаковых выпрямленных напряжений u₀ в данной схеме и в двухфазной достаточно, чтобы напряжение u₂ мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обусловливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшее обратное напряжение

U_{обр и п.}=U_2m.

Однако во вторичной обмотке протекает ток i₂, действующее значение которого I₂ больше, в полуобмотках двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Сравнивая мостовую схему с двухфазной (схема с выводом нулевой точки), можно отметить следующее: значения коэффициентов пульсации и частоты пульсации у этих схем одинаковые.

Достоинства мостовой схемы заключаются в следую­щем: размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток, число витков вторичной обмотки в два раза меньше, габаритная мощность трансформатора на 20 % меньше и проще его схема, так как не требуется делать вывод средней точки. К преимуществам данной схемы можно отнести также возможность ее работы без трансформатора и, если значение выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети, а цепь нагрузки не исключает электрической связи с сетью переменного тока, то схема выпрямления (диоды) может включаться непосредственно в сеть, т. е. точки а и б схемы (рисунок 6.1, а) присоединяются к сети переменного тока.

Недостатками схемы являются: увеличенная стоимость, определяемая наличием в ней четырех диодов, а также увеличенные потери напряжения и мощности в схеме, определяемые увеличенным внутренним сопротивлением (одновременно работают два диода схемы).

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема приме­няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора , как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжениеданного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значениивеличинабудет в два раза меньше [2, 3]:

, ,

что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

Максимальное обратное напряжение вентиля данной схемы, как и в трехфазной схеме со средней точкой, равно амплитуде линейного вторичного напряжения. Однако ввиду того, что при том же значении величинав данной схеме в два раза меньше, соотношение здесь получается более предпочтительным

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.

За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока вентиля соответственно составляет . При этом интервал совместной работы двух вентилей равен π/3 (60º).

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.

На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений («звезда» или «треугольник») вторичных обмоток трансформатора.

Коэффициент использования трансформатора для различных схем выпрямления при активной нагрузке

Аналогично рассмотренной схеме со средней точкой могут быть определены габаритная мощность и коэффициент использования трансформатора по мощности для любых схем выпрямления при чисто активной нагрузке [2, 3]:

Таблица 1.1.

Схема К
К	0,33	0,675	0,813	0,746	0,952
Sгаб / Pd	3,1	1,48	1,23	1,34	1,05

Мостовая схема (схема Греца)

Однофазная мостовая схема (рис. 1.4, а) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как в предыдущей схеме. Достоинства – меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток – на диодах падение напряжения в 2 раза больше.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис. 1.4, б. Выходное напряжение при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения(рис.1.3, б). Это получается в результате поочередного отпирания диодовVD₁, VD₄ и VD₂, VD₃. Диоды VD₁ и VD₄ открыты при полуволне напряжения положительной полярности (показана на рис. 1.4, а без скобок), обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжениетой же полярности, что и напряжение. На полуволне напряженияотрицательной полярности (показана на рис. 1.4, а со скобками) открыты диодыVD₂ и VD₃, подключающие напряжение к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.

а) б)

Рис. 1.4. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Ввиду идентичности кривых длявыпрямителей без потерь (мостового и со средней точкой) действительны те же соотношения между выпрямленным напряжением и действующим значением напряжения[3]:

, ,

поэтому и пульсации такие же, как в предыдущей схеме.

Ток распределяется поровну между парами диодов и ток каждого диода определяется также, как и в предыдущей схеме.

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов и его максимальное значение определяется амплитудным значением напряжения

,

т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.

Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, как и ток во вторичной обмотке трансформатора имеющий форму синусоиды. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

,

это обусловлено тем, что в отличие от схемы со средней точкой ток здесь синусоидальный, а не пульсирующий.

С учетом того, что трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку, для мостовой схемы габаритная мощность первичной и вторичной обмоток будет одинакова и общая габаритная мощность равна габаритной мощности первичной обмотки трансформатора в рассмотренной ранее схеме со средней точкой, т.е. 1,23P_d.

Трехфазная нулевая (схема звезда-звезда)

В схему трехфазного выпрямителя со средней (нулевой) точкой входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и среднему выводу вторичных обмоток (рис. 1.5, а).

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 1.5, б. В идеализированной схеме, без учета индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и полагая вентили идеальными, коммутация токов, т.е. переход тока с одного вентиля на другой, проходит мгновенно и в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал.

а) б)

Рис. 1.5. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. За период напряжения питания через каждую вторичную обмотку однократно протекает однополярный ток, при этом интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3 (120º). Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате в нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение , представляющее собой участки фазных напряжений вторичных обмоток и содержащее трехкратные пульсации за период. При чисто активной нагрузке выпрямленное напряжение и ток имеют одинаковую форму.

Среднее значение выпрямленного напряжения [3]:

, ,

т.е. для получения одинакового напряжения трансформатор следует рассчитывать на меньшее напряжение, чем в однофазных схемах, где.

Средний ток вентилей связан со средним значением тока нагрузки соотношением

Максимальное обратное напряжение вентиля равно амплитуде линейного вторичного напряжения

Постоянная составляющая токов вторичных обмоток трансформатора, равная , создает в каждом из трех стержней магнитопроводаоднонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода, что приводит к завышению массогабаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки [2, 3].

Достоинства схемы: малое число диодов и, соответственно, малое падение напряжения на них и поэтому может быть использована для выпрямления низких напряжений при повышенных мощностях (свыше 500 Вт) [7, 8]; высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения – три частоты питающей сети, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра.

Недостатки: значительное обратное напряжение на диодах, низкий коэффициент использования трансформатора за счет явления подмагничивания магнитопровода.

11.1.2 Однофазная мостовая схема выпрямителя

Стремление упростить конструкцию трансформатора, необходимость в бестрансформаторной схемы привело к разработке мостовой схемы выпрямителя (рисунок 11.4).

Рисунок 11.4 — Мостовая схема однофазного выпрямителя

Трансформатор здесь не является обязательным элементом, как в схеме выпрямителя со средней точкой. В зависимости от полярности токи через нагрузку протекают поочередно через пару диодов VD1, VD3 или VD2,VD4.

Форма выпрямленного напряжения и форма тока через нагрузку аналогичны схеме со средней точкой (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 — Временная диаграмма работы мостового однофазного выпрямителя

Основные показатели этого выпрямителя также совпадают с показателями выпрямителя со средней точкой

, (11.7)

, , (11.8)

, (11.9)

исключая обратное напряжение , которое в два раза меньше чем в схеме со средней точкой.

11.1.3 Трехфазная схема выпрямителя с нулевой точкой

Трехфазный выпрямитель (рисунок 11.6,а) состоит из трансформатора с вторичными обмотками, соединенными звездой, Первичные обмотки могут соединяться звездой или треугольником.

Рисунок 11.6 — Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой (а),

временная диаграмма работы выпрямителя (b)

Принцип действия схемы рассмотрим с помощью временных диаграмм (рисунок 11.6,b). Токи через диоды протекают только при положительных значениях фазных напряжений, однако, в открытом состоянии может находиться только тот диод, для которого фазное напряжение выше, чем у двух других. На интервале 1-2 открыт диод VD1, фазное напряжение больше фазных напряженийи. В точке 2 диодVD1 закрывается, т.к. фазное напряжение становится больше, и открывается диодVD2. Таким образом, коммутация токов происходит при положительных полуволнах в точках, где фазные напряжения равны. Интервал проводимости каждого диода составляет 2π/3. Открытый диод подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. Напряжение на нагрузке формируется из однополярных пульсирующих напряжений, представляющих собой участки фазных напряжений,,. При чисто активной нагрузке формы токаи напряжениясовпадают.

Среднее значение выпрямленного напряжения как

, (11.10)

где — действующее значение фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

При заданном напряжении можно найти необходимое напряжение

. (11.11)

Коэффициент пульсации по первой гармонике составляет

, (11.12)

в этом выражении , т.к. в период колебаний напряжения сети укладывается три пульса. Первая гармоника пульсации имеет частоту трехкратную частоте сети.

Обратное напряжение найдено как разность потенциалов анода и катода. При проводящем диоде VD2 обратное напряжение будет равно линейному напряжению , а при открытом диодеVD3 – линейному напряжению . При выборе диода следует учитывать, что максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения

. (11.13)

Средний ток диодов связан со средним значением тока нагрузки

, . (11.14)

Через вторичные обмотки трансформатора протекают постоянные составляющие тока , что приводит к появлению в каждом стержне постоянного магнитного потока. Явление вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора может привести к насыщению магнитопровода. Поэтому трехфазная схема с нулевой точкой самостоятельного значения не имеет, а является составной частью более сложных схем выпрямителей. Это мостовые схемы и схемы с уравнительным реактором.