3.0.Управляемые выпрямители и ведомые сетью инверторы.

Управляемые выпрямители служат для преобразования энергии переменного тока, которая потребляется из сети, в энергию постоянного тока, подводимую к нагрузке. Эти преобразователи обратимы, и, при определенных условиях, могут быть переведены в режим преобразования энергии постоянного тока, вырабатываемой в нагрузке, в энергию переменного тока, отдаваемую в питающую сеть.

3.1.Общая характеристика схем управляемых

выпрямителей.

В электроприводе постоянного тока находят применение преобразователи со следующими принципиальными электрическими схемами:

3.1.1.Однофазная однополупериодная схема.

Рис 7

Эта схема является самой простой и требует для своей реализации минимальное количество вентилей. Однако, она обладает большим числом недостатков, и, поэтому, в электроприводе используется редко.

Из недостатков нужно отметить следующие:

1. В схеме имеют место повышенные пульсации напряжения и тока нагрузки вследствие низкой их частоты, равной частоте сети, а также, вследствие прерывистости напряжения и тока.

2. Схема загружает только одну из фаз трехфазной питающей сети, создавая, тем самым, асимметрию в загрузке фаз и, значит, асимметрию трехфазного питающего напряжения.

3. Схема создает асимметрию в загрузке “внутри” питающей фазы: работающая фаза загружается только в одну из полуволн питающего напряжения.

3.1.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления.

На рисунке приведена однофазная мостовая схема, являющаяся схемой двухполупериодного выпрямления.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке здесь в два раза выше, чем в однополупериодной схеме.

Соответственно, снижены пульсации тока. Как и в предыдущем случае, при использовании этой схемы загружается только одна из фаз трехфазной сети питающего напряжения, что также создает асимметрию напряжения. Однако “внутри” рабочей фазы асимметрии нет. По данной схеме выполнен ряд серийно выпускаемых тиристорных преобразователей. Например серии ЭТО, ПТО, БУВ и др.

Рис 8

3. Трехфазная нулевая схема выпрямления.

Рис 9

Это трехфазная схема однополупериодного выпрямления. Частота пульсаций напряжения на нагрузке в схеме в три раза выше частоты сети. Поэтому имеет место дальнейшее (по сравнению с предыдущими схемами) снижение пульсаций тока нагрузки. В схеме обеспечивается равномерная загрузка фаз, но остается асимметрия “внутри” каждой фазы. Это приводит к неудовлетворительному режиму работы питающего трансформатора, который в данной схеме обязателен. Необходимость питающего трансформатора обусловлена тем, что только при его наличии есть возможность подключить нагрузку к нулевой точке звезды на вторичной стороне.

4. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Схема получила самое широкое распространение на практике и применяется как для преобразователей небольшой мощности, так и средней и, даже большой мощности (до 12000 квт в серии АТ).

Эта схема характеризуется:

а) Повышенной (шестикратной по отношению к частоте сети) частотой пульсаций напряжения и тока нагрузки. Но, как известно, чем выше частота пульсаций, тем легче она может быть сглажена известными методами.

б) Возможностью подключения питающего напряжения как непосредственно от сети, так и через согласующий трансформатор.

в) Минимальной мощностью (по сравнению с другими схемами) согласующего трансформатора.

г) Симметрией как в загрузке отдельных фаз, так и “внутри” каждой фазы.

д) Наилучшим использованием вентилей по напряжению.

Рис 10

Трехфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой

Электрическая схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом (рис. 2.1) представляет собой сочетание двух однофазных нулевых схем (см. рис. 1.1). Нагрузка выпрямителя подключена между нулевой (средней) точкой вторичной обмотки трансформатора и катодами диодов VD1 – VD3, образующих катодную группу. Можно образовать анодную группу, присоединив катоды ко вторичной об­мотке.

Для анализа электромагнитных процессов и вывода основных соотношений сна­чала предположим, что нагрузка выпрямителя активная, ключ К замкнут (рис. 2.1, а). В дан­ный момент времени ток проводит диод, положительный потенциал которого на аноде по отношению к средней точке трансформатора выше, чем на остальных диодах.

Так, в момент времени θ = θ

1 ток начинает проводить диод VD1, присоединенный к фазе а. Через время, соответствующее углу 2π/3 (θ = θ₂), потенциал на аноде диода VD2 (u_b) становится выше, чем на аноде VD1. В связи с этим VD1 запирается, а VD2 открыва­ется. Происходит коммутация тока нагрузки (i_d) с диода VD1 на VD2. В точке 3 (рис. 2.1, в) u_c> u_b, диод VD2 запирается, VD3 начинает проводить ток и т.д.

Таким об­разом, ес­тественная коммутация тока нагрузки с диода на диод происходит в точках пересече­ния синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 (см. рис. 2.1, в) называются точками естест­венного зажигания (коммутации) диодов. Выпрямленное напряжение u

d пред­ставляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис. 2.1, г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока i_d повторяет по форме кривую напряжения u_d.

Частота пульсаций  u_d, i_d в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3), так как каждый диод проводит ток в течение 1/3 периода подводимого напряжения (рис. 2.1, д).

В не­проводящую часть периода к диоду прикладывается обратное напряжение (рис. 2.1, е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих диодов. Напри­мер, когда проводит диод VD2, к диоду VD1 приложено линейное напряжение u

ab= u_a – u_b. В момент включения VD3 подается напряжение u_ac= u_a – u_c. Соответствующие напряже­ния (см. рис. 2.1, в) заштрихованы.

Форма первичного тока i₁, построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды (рис. 2.1, ж).

Выведем общие выражения, характеризующие количественные соотношения в трехфазных выпрямителях. За начало отсчета примем момент прохождения напряже­ния фазы а (рис. 2.1 в) максимального значения. Тогда среднее значение выпрямлен­ного напряжения равно:

                      (2.1)

где

 

Пределы интегрирования соответствуют времени про­водя­щего состояния диода. Для рассматриваемой схемы (рис. 2.1  а) m = 3; тогда:

Среднее значение выпрямленного тока (нагрузка активная)

,                                                     (2.2)

при m = 3        I_d = 1,17 I_2ф.

Коэффициент пульсаций для ν-й гармоники равен:

                                                        (2.3)

а частота пульсаций равна:

                                                                        (2.4)

Для выбора диодов необходимо знать максимальное значение обратного напря­жения на диоде (U

обр м):

,                                      (2.5)

при m = 3                   U_обр.м = 2,45 U_2ф = 2,09U_d.

Средний ток через диод равен:

I_{в ср} = I_{d/ m.                                                         (2.6)}

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора нахо­дится из выражения (2.1):

,                                                  (2.7)

при m = 3                   U_2ф = 0,855U_d.

При учете актив
ных сопротивлений обмоток трансфор­матора (r_a) и диодов в прямом направлении (r_пр) напряжение U_2ф будет равно:

,

где  – условный коэффициент полезного действия (КПД) анодной цепи.

При работе на реальную нагрузку (см. рис. 2.1, а, ключ К разомкнут) изменяются формы токов (становятся прямоугольными) в диоде, нагрузке и в обмотках трансфор­матора (см. рис. 2.1, г, д, ж, штриховые линии). Для расчета элементов схемы необходимо полу­ченные уравнения дополнить соотношениями для токов вторичной и первичной обмоток трансформатора:

                                            (2.8)

Параметры трехфазной нулевой выпрямительной схемы приведены в таблице 1.1.

При прохождении тока через диод и вторичную обмотку трансформатора (см. рис. 2.1,

а) создаются вынужденные потоки подмагничивания сердечника трансформатора. Эти потоки составляют 20 – 25 % от основного магнитного потока трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынуж­денного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и со­единяют способом «зигзаг» (рис. 2.1, б). Кривые первичного тока для этого случая по­казаны на рис. 2.1, з при соединении первичной обмотки в звезду.

В каждом стержне постоянные составляющие намагничивающих сил полуобмо­ток направлены встречно и взаимно компенсируются. Однако это приводит к худшему использованию вторичных обмоток, так как суммарная ЭДС двух полуобмоток, рас­положенных на разных стержнях, меньше в  суммы ЭДС полуобмоток, находя­щихся на одном стержне. В результате ухудшается использование меди вторичных по­луобмоток, увеличиваются расчетная и типовая мощности трансформатора (см. таб­

лица 1.1). Это послужило причиной сравнительно редкого применения трехфазной нуле­вой схемы в цепях управления электрическими машинами средней и большей мощно­сти. Она используется чаще всего в качестве составной части более сложных схем вы­прям­ления, например, в схеме двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реакто­ром (в схеме Кюблера), трехфазной мостовой схеме и т.д.

В) Трехфазные выпрямители с выводом нулевой точки трансформатора

В трехфазных схемах с нулевым выводом (нулевая схема) свободные концы вторичных обмоток связаны, как и в двухфазной схеме, с анодами вентилей и ток через вторичные обмотки проходит только в одном направлении. В общей точке связи катодов анодные токи суммируются, образуя выпрямленный ток . В период одиночной работы выпрямленный ток проходит через один из вентилей, а в период коммутации – через два вентиля. КогдаХd в цепи нагрузки бесконечно велико и , изменение анодных токов происходит в короткозамкнутом внутреннем контуре между двумя фазами (рис.1.20,а).

Рис. 1.20. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом

Через вентиль, вступающий в работу (вентиль VD2), ток проходит в проводящем (прямом) направлении, а в вентиле, заканчивающим свою работу (вентиль VD1), ток проходит в непроводящем (обратном) направлении, уменьшая тем самым анодный ток в этом вентиле (VD1).

Разность фазовых напряжений, создающая принужденную составляющую тока равна

. (1.104)

Примечание. В случае, когда вторичных обмоток три , линейное напряжение

.

Сопротивление в контуре коммутации равно двойному значению анодного сопротивления Ха. Поэтому принужденную составляющую тока можно определить по аналогии с однофазной нулевой схемой по уравнению

. (1.105)

Свободная составляющая равна с обратным знаком значению в моментt=0 .

Поэтому

. (1.106)

Полный ток в короткозамкнутом контуре

. (1.107)

Косинусоида, соответствующая , построена пунктиром на рис. 1.20, г. Отрицательный максимум ее совпадает с началом коммутации тока. Величина коммутации тока может быть найдена графически по точке пересечения прямой, проведенной, как показано на рис. 1.20, г., от касательной к отрицательному максимуму косинусоиды вверх на величину, равную Id . Току , равному в период коммутации, соответствует участок косинусоиды, заключенный между касательной к ней и прямойId . По этому участку и построен начальный участок тока в вентилеVD2 в первый период коммутации. Во внекоммутационный период анодный ток и равный ему выпрямленный ток, остается приXd = неизменным и равным среднему значению тока Id.

В период коммутации ток, в заканчивающем свою работу вентиле, равен

. (1.108)

Аналитическую зависимость для угла  можно получить, подставив в (1.107) значение при t=, либо в (1.108) значение приt= .

Это дает

, (1.109)

откуда

. (1.110)

Мгновенное значение выпрямленного напряжения в период коммутации равно полусумме фазных напряжений (рис 1.20, в), поскольку напряжения коммутирующих фаз становятся одинаковыми в силу общих потенциалов у начала и конца обмоток (у фазы вступающих в работу, напряжение снижается на столько же, насколько оно понижается в фазе, заканчивающей свою работу)

(1.111)

По окончании коммутации выпрямленное напряжение повышается скачком, а далее во внекоммутационный период следует за изменением фазового напряжения.

Падение выпрямленного напряжения в период коммутации, характеризуемое ординатами заштрихованных на рис.1.20, в площадок, дает полуразность фазовых напряжений

(1.112)

Среднее значение падения напряжения может быть найдено путем обобщения формулы (1.91) для однофазной схемы на m фаз. Это дает

(1.113)

Подставляя в (1.113) значение из (1.109), получаем

(1.114)

Падение напряжение определяет ход внешней характеристики приXd =0

. (1.115)

Ход обратного напряжения на вентиле в схеме выпрямления тока показывает кривая, построенная для вентиля VD2 на рис. 1.20, д. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле при m =3 равно

. (1.116)

Начальный скачек обратного напряжения равен выражению

. (1.117)

Необходимо иметь ввиду, что при оценке надежности работы вентиля (в отношении вероятности пробоя) наряду с большое влияние на такую вероятность оказывает начальное значение обратного тока, находящегося в прямой зависимости от скорости спада анодного токаперед включением вентиля. В связи с этим становится особо важно знать ход изменения тока в период коммутации. Производную анодного тока дает дифференцирование по углу уравнения (1.107)

.

Величина повышает значение производной в момент, предшествующей включению вентиля, а величинаXa уменьшает производную тока .

Поэтому в тех случаях, когда по расчетам превышает допустимые (предельные

значения) скорости изменения анодного тока вентилей, необходимо устанавливать дополнительно реактор в цепи первичного напряжения согласующего трансформатора.

11.Принцип действия трехфазного нулевого выпрямителя.

Рисунок 11.1 Схема трехфазного нулевого выпрямителя

Данная схема содержит три тиристора VS1–VS3, с помощью которых осуществляется управление выпрямленным напряжением, и трансформаторTV1, который используется для согласования параметров сети с параметрами нагрузки, а также для создания нулевой точки для подключения нагрузки.

Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунке 11.2.

Рисунок 11.2 Временные диаграммы работы трёхфазного нулевого Выпрямителя

В данной схеме в каждый период времени ток проводит только один тиристор, причем тот, который имеет наиболее высокий потенциал анода по отношению к катоду.

Точка естественного открывания тиристоров сдвинута для каждого из них на угол по отношению к моменту перехода через 0 соответствующего фазного напряжения. В момент времениподается открывающий импульс на тиристорVS1, имеющий в этот момент времени наиболее высокий потенциал на аноде по отношению к катоду.VS1открывается и нагрузка подключается к фазеа. При этом к нагрузке прикладывается фазное напряжение.

В момент времени подается открывающий импульс на тиристорVS2, который открывается, так как потенциал анода в этот момент времени у него как более высокий. Через открывшийсяVS2нагрузка подключается к фазеb. При этом через открывшийсяVS2к тиристоруVS1, ранее работавшему, прикладывается обратное линейное напряжение, вследствие чего он закрывается.

Таким образом, включение вентилей в схеме происходит поочередно, вследствие чего каждая фаза поочередно положительным полюсом подключается к нагрузке и ток в нагрузке имеет одно и то же направление. В режиме непрерывного тока каждый тиристор в схеме проводит ток в интервале .

Задача 18Ну значит нада выбрать анодный реактор для питания 3-фазного мостового выпрямителя. В силовой схеме используются тиристоры Т 152 80-11.Требуемое значение индуктивности анодного реактора для ограничения тока короткого замыкания на уровне ударного,где К_п– коэффициент, учитывающий наличие свободной составляющей в токе короткого замыкания; К_п = 1,62,0 ;I_{уд. –} ударный ток, который может протекать по прибору в течение 10 мс;n– количество реакторов, ограничивающих ток короткого замыкания. Анодный реактор выбирается из каталога по соотношениям:L_{н кат.} L_ap; U_{н кат} U_1Н ,

I_{н кат} I_1Н . Нада найти напряжение из класса по напряжению тиристора (2 последних числа в маркировке)

=1100 В;;;

;;где,

— коэффициент запаса по рабочему напряжению,k_з.u=1,652

— максимальное значение рабочего напряжения, прикладываемого к СПП в схеме,- коэффициент, учитывающий возможность повышения напряжения в сети,=1.15;— номинальное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к вентилю.

мГн

Выбор по условию L_{н кат.}  0_,82 мГн

U_{н кат} 238 В I_{н кат}  80 A (вторая группа цифирь в маркировке)

12.Основные расчетные соотношения при выборе элементов трехфазного нулевого выпрямителя. Явление вынужденного намагничивания трансформатора.

1. Среднее значение выпрямленной ЭДС Е:

,где;

– схемный коэффициент.

2. Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к тиристорам:

3. Среднее значение тока вентиля:

4. Действующее значение тока:

5. Коэффициент формы тока:

6. Эффективное значение тока первичных обмоток трансформатора:

Эффективное значение тока вторичных обмоток трансформатора:

7. Типовая мощность трансформатора:

8. Полная мощность трансформатора:

,

где – схемный коэффициент по мощности;

— постоянная составляющая мощности.

В отличие от однофазной схемы , прерывистый режим работы в данной схеме может возникнуть лишь при .

Явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора

В схеме трехфазного нулевого выпрямителя существует явление вынужденного намагничивания трансформатора. Из-за того, что по обмоткам трансформатора протекает пульсирующий ток, имеющий постоянную составляющую и ряд высших гармонических, при соединении обмоток трансформатора по схеме звезда-звезда потоки вынужденного намагничивания содержат постоянную и переменную составляющие. Эти потоки составляют 20–25% от основного магнитного потока трансформатора. Они замыкаются частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, замыкающей сердечник.

В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет действия

вихревых токов, индуктируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Вследствие насыщения сердечника трансформатора ток холостого хода значительно возрастает по амплитуде, причем его форма становится несинусоидальной.

Для устранения потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора соединяются в треугольник. Для устранения в трансформаторе постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания, каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг.

При соединении в обмоток треугольник третья и кратные ей гармоники исчезают.

Рисунок 12.1 Схема соединения трансформатора треугольник-зигзаг

Ток, протекающий по полуобмотке а, создает поток в одну сторону, а ток, протекающий через фазусво второй полуобмоткеа, вызывает обратный магнитный поток. Следовательно, поток переменный.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения составляет 150Гц. Из-за невысокой частоты пульсаций и явления вынужденного намагничивания, данная схема в выпрямителях применяется при мощностях до 10кВт.

Трехфазная нулевая схема выпрямления — Студопедия.Нет

Работа схемы:

Включаются вентили с самым высоким положительным потенциалом фазы.

Переключение вентилей начинается в точках, где сравниваются напряжения фаз, т.к. в последующее время на закрытый вентиль прикладывается открывающее напряжение, под действием которого он открывается. Соответственно на общей точке вентилей появляется напряжение другой фазы, которая уже имеет большой потенциал, поэтому первоначально открытый вентиль попадает под закрывающее напряжение и отключается. Для реальных силовых вентилей при активной нагрузке отключение тока обычно не превышает время 10^-3 с, при индуктивной нагрузке – на порядок больше. Пульсация выпрямленного напряжения составляет 150 Гц.

Недостатки схемы:

1.Невозможность ступенчатого регулирования тока в сварочном выпрямителе.

2.Подмагничивание магнитопровода (поскольку ток в обмотках проходит в одном направлении) приводит к необходимости увеличивать сечение магнитопровода и вес трансформатора.

3.Провалы выпрямленного напряжения в несколько раз выше, чем у других применяемых трехфазных схем выпрямления.

Схема применяется редко.

Трехфазная мостовая схема выпрямления Ларионова

В трехфазных выпрямителях блоки из диодов чаще всего выполняют по мостовой схеме. В этом случае пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.

а                                б

Трехфазная мостовая схема выпрямления Ларионова (а), фазное и выпрямленное напряжение (б)

Работа схемы:

В анодной группе включаются вентили с самым высоким потенциалом фазы, а в катодной наоборот. В любой момент времени открыты вентили, соединенные с фазами с самым большим положительным и с самым большим отрицательным потенциалами. Причем каждый вентиль одной группы в течении трети периода работает поочередно с двумя вентилями другой группы

Переключение вентилей аналогично изложенному выше.

Преимущества:

1.В этой схеме наилучшее использование мощности трансформатора.

2.Имеется возможность ступенчатого регулирования тока по схеме звезда / звезда – треугольник / треугольник.

3.Наименьший коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Основной недостаток этой схемы выпрямления удвоенное падение напряжения на двух вентилях в цепи выпрямленного тока, что снижает КПД выпрямителя. Это важно при низком напряжении выпрямителя.

В сварочном оборудовании эта схема применяется практически во всех выпрямителях для ручной дуговой сварки с номинальным током до 500А.

Кольцевая трехфазная схема выпрямления

Для ее реализации трансформатор выпрямителя должен иметь две одинаковых группы вторичных обмоток, соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.

Работа схемы:

В этой схеме при переключении вентиля переключается и одна из двух обмоток в цепи выпрямления. Причем каждая обмотка одной группы в течении трети периода работает поочередно с двумя обмотками другой группы. Переключение вентилей аналогично изложенному выше.

Выпрямленное напряжение (равное разности напряжения двух фаз) получается также как и в мостовой схеме с пульсацией в 1/6 периода. Поскольку в цепи выпрямления один вентиль, а не два, постольку потери на выпрямлении в 2 раза меньше, чем в предыдущей схеме.

Поэтому такая схема применяется при низких напряжениях нагрузки (сварка плавящимся электродом в защитных газах, где минимальное Uраб=15 В).

В отличие от предыдущей схемы каждый вентиль в открытом состоянии работает 1/6 периода, а не 1/3 периода. Поэтому такая схема применяется в мощных выпрямителя (1000 А и более).

Основной недостаток этой схемы выпрямления – для нее требуется более сложный и более дорогой трансформатор, который проектируется с учетом подмагничивания постоянной составляющей тока.

Russian HamRadio — Выпрямители, достоинства и недостатки.

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем

устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

Основные характеристики различных схем выпрямления.

Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы.

Тип схемы	Uобр	I макс	I 2	U 2	C 0 *	P0 %	U C0
Однополупериодная	3 U0	7 I 0	2 I 0	0,75U0	60 I 0/U0	600 I 0 —— U0 *C0	1,2U0
Двухполупериодная	3 U0	3,5 I 0	I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I 0 —— U0 *C0	1,2U0
Мостовая	1,5 U0	3,5 I 0	1,41 I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I 0 —— U0 *C0	1.2U0
Удвоения напряжения	1,5 U0	7 I 0	2,8 I 0	0,38U0	125 I 0/U0	1250 I 0 —— U0 *C0	0,6U0

* Значение емкости конденсатора рассчитано для P0 % = 10 %

Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя U0 и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) I 0, можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора, ток во вторичной обмотке, максимально допустимый ток вентилей, обратное напряжение на вентилях, а также рабочее напряжение конденсатора фильтра. Задавшись необходимым коэффициентом пульсаций, можно рассчитать значение емкости на выходе выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель.

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

U2 — Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

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

U2 — Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке

.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде — с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

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 уровне

пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления:

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.

На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

Схема удвоения напряжения.

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

U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.

Преимущества: Вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.

Недостатки: Значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двуполупериодных выпрямителей.

Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах:

Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.

Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.

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.

ФА, ФС, ФВ – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.

U va, Uvb, Uvc напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.

Uн – Суммарное напряжение на нагрузке.

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. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

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. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Выпрямители для бестрансформаторного питания аппаратуры.

Бестрансформаторные выпрямители являются простейшими неавтономными источниками постоянного тока. Они применяются при напряжениях близких к напряжению сети или превышающих его в 1,5 – 2,5 раза и токах до нескольких десятков миллиампер.

Ограниченное применение бестрансформаторных выпрямителей объясняется в первую очередь требованиями техники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжения гальванически связаны с сетью.

Второй недостаток таких выпрямителей – отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения. Для радиоаппаратуры можно использовать в качестве безтрансформаторных выпрямители: Однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основные характеристики такие же как и в случае с трансформаторным питанием. Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмоток трансформаторов (вместо трансформатора).

Безтрансформаторные схемы опасны для использования!

Для питания малогабаритной портативной аппаратуры с токами до 15-20 миллиампер можно применять однополупериодные или мостовые схемы с гасящими конденсаторами. В этой схеме конденсатор Сгас выполняет роль “безваттного” реактивного сопротивления, образующий с активным сопротивлением нагрузки своеобразный делитель напряжения.

 

Реактивное сопротивление гасящего конденсатора указано в формуле.

Данная схема может найти применение для заряда малогабаритных аккумуляторов радиоприемников, радиостанций и радиотелефонов.

При конструировании и эксплуатации выпрямителя также необходимо соблюдать осторожность!

Некоторые рекомендации по работе с выпрямителями.

Вторичные обмотки трансформаторов необходимо всегда защищать плавкими предохранителями. В этом случае короткое замыкание в цепи нагрузки не приведет к таким последствиям как выход из строя трансформатора и тем более не приведет к возгоранию аппаратуры.

Часто при конструировании выпрямителей оказывается, что нет нужных вентилей (диодов) или конденсаторов. с нужными характеристиками. В таком случае можно применить параллельное или последовательное соединение вентилей или конденсаторов.

Что при этом нужно помнить?

Если имеющиеся вентили (диоды) по допустимому току меньше расчетного максимального тока, можно применить параллельное соединение таких диодов, умножив их допустимый ток на количество диодов в “связке”.

В случае если допустимое обратное напряжение вентилей (диодов) меньше рассчитанного значения, можно применить их последовательное соединение, включив параллельно каждому диоду шунтирующие резисторы, которые выровняют обратное напряжение между диодами. Величину сопротивления шунта рассчитывают по формуле:

Rш = 700 * Uобр / N для диодов с Uобр меньше 200 В и Iмакс = 1 – 10 Ампер

Или

Rш = 150 * Uобр / N для диодов с Uобр более 200 В и Iмакс менее 0,3 Ампер

В случае если емкость конденсатора меньше расчетной, можно применить параллельное включение нескольких конденсаторов, имеющих рабочее напряжение не меньше расчетного.

В случае если рабочее напряжение конденсаторов меньше допустимого для конкретной схемы, можно применить последовательное включение конденсаторов, не забывая, что общая емкость в этом случае уменьшится во столько раз, сколько конденсаторов будет включено в последовательную цепь.

Такую схему применять можно только в крайнем случае, поскольку в такой схеме пробой (короткое замыкание) одного конденсатора вызовет “цепную реакцию”, так как на оставшиеся в работе конденсаторы будет приложено большее напряжение, чем было до замыкания одного из них. Шунтирование конденсаторов резисторами в этом случае не спасает аппаратуру от последовательного выхода из строя конденсаторов во всей цепочке. Лучше применить последовательное соединение нескольких выпрямителей, рассчитанных на более низкое напряжение. Тогда при пробое одного из конденсаторов выходное напряжение просто снизится.

В этой статье приведена только краткая информация по схемам выпрямителей. Более подробно о расчете выпрямителей можно прочесть в самой различной литературе.

При подготовке статьи использована литература:

В.Я. Брускин “Номограммы для радиолюбителей” МРБ 1972 год.

Б.Богданович, Э.Ваксер “Краткий радиотехнический справочник” Беларусь 1968 год.

Всего вам доброго!