Тема: Назначение и применение электронных выпрямителей. Однофазные выпрямители.

 

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Выпрямителями называют электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители относят ко вторичным источникам питания в отличае от генераторов, аккумуляторов, батарей, которые называют первичными. Они широко применяются для питания не только электронных устройств, но и двигателей постоянного тока, электрохимических установках и т.д.

Структурная схема выпрямителя на рис. 1. На вход выпрямителя подается напряжение U₁ сети, на выходе получают постоянное напряжение U_Н, необходимое для питания нагрузки.

 

Трансформатор Т применяют для согласования напряжения сети с требуемым напряжением нагрузки и установления электрической связи между цепью переменного и постоянного тока. Иногда выпрямитель поможет работать и без трансформатора. Группа вентилей В преобразует переменный ток в однонаправленный выпрямленный. Сглаживающий фильтр СФ применяют в том случае, если нужно улучшить форму выходного напряжения. Иногда нагрузка не допускает значительных изменений напряжения U_Н и иногда применяют стабилизаторы напряжения СТ.

Для питания нагрузки малой мощности применяют однофазные выпрямители, которые питаются от однофазной сети переменного тока. Для питания нагрузок средней и большой мощности используют выпрямители, питающиеся от трехфазной сети.

По принципу регулирования выпрямленного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Расчет выпрямителей сводится к выбору схемы, трансформатора, вентилей, типа фильтра и параметров его элементов. За исходные величины принимаются напряжения U₁ и частота f₁ питающей сети переменного тока, напряжение U_Н и мощность Р _Н нагрузки. Для выбора трансформатора надо знать его расчетную мощность S_расч, вторичное напряжение U₂, первичный I₁ и вторичный I₂ токи.

Вентили при анализе схем выпрямления часто считают идеальными, т.е. их внутреннее сопротивление при прямом включении равно нулю, а при обратном включении – бесконечность. Тогда для выбора вентилей нужно знать средний ток через вентиль I_пр и максимальное обратное напряжение U_{обр m} на закрытом вентиле. Эти величины не должны превосходить допустимый ток вентиля I_{пр m} и обратное максимальное напряжение U_{обр m}.

 

ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Схема однофазного выпрямителя:

На вход подается переменное напряжение сети u₁. Напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂: u₂= u₁/n. Где n – коэффициент трансформации трансформатора Т.

Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя приведены на рис 2.

Напряжение u₂ приложено к последовательной цепочке, состоящей из диода VD и нагрузки R_Н. В течении первого полупериода потенциал точки а положителен по отношению к потенциалу точки b. Вентиль VD открыт. Его сопротивление равно нулю. Напряжение u₂ равно напряжению на нагрузке u_Н. Ток в нагрузке

Он повторяет по форме u₂. В течение второго полупериода (Т/2 — Т) полярность точек а и b меняется. VD закрыт его сопротивление равно бесконечности, и ток в цепи равен нулю. Напряжение u₂ приложено к закрытому вентилю. Напряжение на нагрузке равно нулю. В следующий полу период (Т — 3/2 Т) вентиль опять откроется. Повторите первый полупериод.

В результате такой работы вентиля нагрузка находитсяпод напряжением только полпериода за каждый период, когда потенциал точки а схемы (см. рис. 15.2) положительный. Среднее напряжение на нагрузке

Uи =

Действующее значение U₂ = U_2m/ . Заменив в предыдущем выражении U_2m на U₂, получим

 

U ₂= (15. 1)

Среднее напряжение на нагрузке U_H в 2,22 раза меньше действующего напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂. Среднее значение тока нагрузки I_н = U_н/R_н.

Трансформатор в данной схеме используется не на пол­ную мощность. Ток по вторичной обмотке протекает только в течение полупериода. Поэтому расчетную мощ­ность трансформатора приходится брать значительно больше мощности нагрузки:

S_расч = 3,5Р_н (15.2)

Соотношения (15.1) и (15.2) позволяют выбрать трансформатор по известным U_H и Р_Н.

Средний ток I_{п р} через вентиль в данной схеме равен среднему току через нагрузку, т. е.

I_пр = I_Н. (15.3)

Максимальное напряжение на закрытом вентиле

U_{обр т}= U₂ = π U_Н = 3,14 U_Н (15.4)

Соотношения (15.3) и (15.4) используются при выборе вентиля. Этот вентиль должен удовлетворять условию:

 

Данная схема имеет существенные недостатки: вы­прямленное напряжение на нагрузке сильно пульсирует, вторичное напряжение U₂ значительно больше среднего U_Н, на вентиле большое обратное напряжение, плохо используется мощность трансформатора. Поэтому схема применяется при малых токах нагрузки и высоких U_Н.

Однофазный мостовой выпрямитель имеет значительно лучшие показатели, чем однополупериодный. Он широко используется для питания нагрузок малой и средней мощности. В качестве вентилей применяются полупроводниковые диоды и выпрямительные блоки. Схе­ма однофазного мостового выпрямителя показана на рис. 15.4. Четыре вентиля включены мостом, в одну диаго­наль которого подается питающее напряжение U₂, а в другую — включена нагрузка R_H. Временные диаграммы токов и напряжений приведены на рис. 15.5. В течение первого полупериода потенциал точки а положителен. Ток проходит через открытый вентиль VD1 и нагрузку R_H в указанном стрелкой на рис. 15.4 направлении; через вентиль VD3 цепь замыкает­ся. Поскольку падение на­пряжения в открытых вентилях равно нулю, к нагрузке приложено напряжение U₂ и протекает ток i_Н = u₂/R_Н.

 

рис 15.4 рис 15.5

Вентили VD2 и VD4 не работают (закрыты), так как у них потенциал катода (точка а на схеме) выше потенциала анода.

В следующий полупериод полярность напряжения U₂ меняется. Положительный потенциал имеет точка b, а от­рицательный — точка а.

Поскольку на анод VD1 попадает отрицательный по­тенциал, а на катод VD3 — положительный, то эти вентили закрываются, а открываются VD2 и VD4. Теперь на­грузка R_Н включена на напряжение u₂ через эту пару диодов. Направление тока в нагрузке сохраняется. Таким образом, в мостовой схеме в каждый полупериод работают два диода, а ток нагрузки и напряжение и_н имеют форму, показанную на рис. 15.5. Среднее значение напряжения на нагрузке U_H при том же U₂ будет в 2 раза больше, чем у однополупериодного выпрямителя:

U₂=1.11U_н. (15.5)

В этой схеме по вторичной обмотке трансформатора про­текает синусоидальный ток, поэтому

S_pacч, = l,23P_H. (15.6)

По этим соотношениям выбирают трансформатор. Если сравнить соотношения (15.5) и (15.6) с (15.1) и (15.2), то видно, что трансформатор лучше используется в мостовой схеме. При одинаковой Р_н в мостовой схеме его мощность почти в 3 раза меньше, чем в однополупериодной.

Так как вентили работают поочередно по полпериода,то

I _пр = 0,5 I _н. (15.7)

Закрытый вентиль, например VD4, через соседний, работающий, оказывается включенным на напряжение u₂. Амплитуда обратного напряжения на нем

U _{обр m} = U _2m = U₂=1,57U_H. (15.8)

По соотношениям (15.7) и (15.8) выбирается тип диода.

Например, при напряжении на нагрузке U_H = 100 В вен­тиль в однополупериодной схеме должен быть выбран на обратное напряжение не менее 314 В, а в мостовой — на 157 В.