Источники вторичного электропитания

Однофазные выпрямители

 

Питание всех электронных устройств осуществляется постоянным током. Его можно получить от аккумуляторов, батарей или выпрямителей.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Выпрямителем называется статический преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

 

Такой преобразователь представляет собой электротехническое устройство, содержащее в общем случае следующие функциональные узлы (рис.14.1):

Т - силовой трансформатор, обеспечивающий согласование напряжения источника питания с напряжением нагрузки;

 

 

ВБ - вентильный блок, обеспечивающий преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, при применении управляемых вентилей стабилизирует напряжение;

Ф – фильтр, обеспечивающий требуемое качество выходного напряжения, за счет сглаживания пульсаций напряжения на выходе вентильного блока;

СУ – систему управления.

Иногда для стабилизации напряжения выпрямителей используются регуляторы напряжения, включающие на входе или выходе выпрямителя.

Классификация выпрямителей по мощности и напряжению весьма условна. Как правило, по мощности выпрямители делятся на маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт и мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В и высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз вторичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные, трехфазные и многофазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители: с одним вентилем; со средней точкой; мостовые; комбинированные.

По возможности регулирования напряжения выпрямители различают нестабилизированные, стабилизированные и управляемые (когда напряжение на выходе постоянно изменяется в зависимости от требований потребителей).

Процесс выпрямления осуществляется непосредственно полупроводниковыми приборами схемы выпрямления.

 

Рассмотрим сущность процесса выпрямления на примере простейшей однофазной однополупериодной схемы.

 

Схема состоит из трансформатора Т, диода VD, резистора R_d, являющегосяактивной нагрузкой (рис.9.2, а).

На первичную обмотку трансформатора Т от питающей сети подается переменное синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке трансформатора также будет синусоидальное напряжение

 

 

Напряжения u_ab, как известно из теории трансформаторов, сдвинуты по фазе на угол, близкий к 180^о, относительно напряжения u₁.

В момент времени, когда напряжение u_ab отрицательно, к диоду VD приложено запирающее напряжение и ток через диод не протекает. В моменты времени, на рис.14.2, б соответствуют значениям, к аноду диода подается положительное напряжение относительно катода и диод включается. В результате напряжение u_ab прикладывается к нагрузке R_d, через которую начинает протекать ток i_d. Для активной нагрузки ток по фазе совпадает с напряжением, диод будет выключаться, когда напряжение u_ab станет отрицательным, ток в нагрузке протекать не будет до последующего включения диода. Таким образом, на резисторе R_d будет пульсирующее напряжение u_d и только одной полярности (рис.14.2, в), или, иначе говоря, выпрямленное напряжение.

Геометрически среднее значение выпрямленного напряжения U_d может быть представлено высотой прямоугольника (косая штриховая на рис.14.2, в) с основанием, равным периоду, и площадью, равной площади, которая ограничивается кривой выпрямленного напряжения на этом периоде, т.е. полуволной выпрямленного напряжения (вертикальная штриховка). Учитывая, что нагрузка активная и поэтому форма тока нагрузки повторяет форму напряжения.

 

Однофазная мостовая схема выпрямителя приведена на рис.14.3. Схема содержит трансформатор, выпрямительный мост, содержащий четыре вентиля, которые попарно соединены в две группы: катодную (вентили VS1 и VS2) и анодную (вентили VS3 и VS4), и выходной фильтр.

Принцип работы схемы рассмотрим при работе выпрямителя на активную нагрузку (без выходного фильтра).

 

Угол управления a = 0, т.е. система управления формирует импульсы управления при смене полярности входного напряжения (практически можно рассматривать схему, в которой используются диоды, т.е. схему неуправляемого выпрямителя). При положительной полуволне питающего напряжения u_аb (полярность на схеме указана без скобок) на тиристоры VS1 и VS3 подаются управляющие импульсы. В результате этого тиристоры включатся. Напряжение u_аb (рис.14.4, а), таким образом, приложено к нагрузке R_d, и по цепи

«+» а VS1 R_d VS3 «-» b

будет протекать ток, повторяющий форму питающего напряжения (рис.14.4, б). Тиристоры VS2 и VS4 на этом интервале отключены и будут находиться под напряжением вторичной обмотки, которое по отношению к ним является обратным (рис.14.4, д).

В момент времени , т.е. через половину периода, ток в тиристорах VS1 и VS3 уменьшится до нуля, и они выключаются, а тиристоры VS2 и VS4 включаются, поскольку потенциал точки b становится положительным по отношению к потенциалу точки а (на рис.14.3 полярность указана в скобках), и на тиристоры поступают управляющие импульсы. Ток через нагрузку в этом случае будет протекать по цепи (рис.14.4, б)

«(+)» b VS2 R_d VS4 «(-)» а

Если угол управления a >0, тогда напряжение на выходе выпрямителя будет уменьшаться (рис.14.4, ж). Таким образом, изменяя значение угла управления тиристорами можно обеспечить стабилизацию выходного напряжения выпрямителя при изменениях напряжения в нагрузке.