Выпрямители. Структурная схема. Назначение. Классификация и параметры

Выпрямительным устройством, или выпрямителем, называют статический преобразователь ~ тока в =. Вы­прямитель состоит из трансформатора Т, схемы вы­прямления UZ и сглаживающего фильтра ZQ. Помимо преобра­зования входного напряжения переменного тока, трансформатор устраняет гальваническую связь между источником переменного тока и питаемой аппаратурой. В отдельных случаях он преобразует число фаз исходного напряжения. Схема выпрямления, состоящая из вентиля или группы вентилей, преобразует ~ ток в =. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию вы­прямленного напряжения до допустимого значения.

Схемы выпрямления классифи­цируют по типу применяемых вентилей - кенотронные, газоразряд­ные, полупроводниковые с управляемыми и неуправляемыми вен­тилями; числу фаз напряжения питающей сети - одно- и трехфазные; числу фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора - одно-, двух-, трех-, шести- и многофазные; числу используемых полу­периодов напряжения - одно- и двухполупериодные; числу плеч и числу групп вентилей.

Плечо выпрямительной схемы — цепь последователь­ного соединения обмотки трансформатора и вентиля (рис. 3.7, а). Если вентили подключены к обоим концам обмотки, схему на­зывают двухплечей (рис 3.7,6). Когда к концу обмотки подключен вентиль или группа вентилей одного направления, схему называют одногруппной (рис. 3.7, в). В случае если к концу обмотки подклю­чены два вентиля или две группы вентилей разного направления, то схему называют двухгруппной (рис. 3.7, г). Широко распространены выпрямители с неуправляемыми полупроводниковыми вентилями.

Параметры выпрямителей. Заданными обычно являются параметры нагрузки: выпрямленное напряжение U₀, выпрямленный ток I₀ и коэффициент пульсации n_П. Известны номинальное напряжение U₁и частота тока сети f. Для трансформатора такими пара­метрами являются: действующие напряжения U₁, U₂ и токи I₁, I₂для первичной и вторичной обмоток; расчетные мощности первич­ной и вторичной обмоток S₁, S₂; расчетная мощность трансфор­матора S_T и коэффициент использования трансформатора K_T.Для выбора диодов этими параметрами являются ср. I_Д.СР. и дей­ствующий I_Д ток.

На выходе любой схемы выпрямления возникает пульсирующее напряжение сложной формы, которое можно представить как сумму постоянной и переменной составляю­щих. Постоянная составляющая, являющаяся средним значением выпрямленного напряжения, может быть представлена графически высотой прямоугольника с основанием, равным длительности пе­риода, и площадью, равной площади ограниченной кривой вы­прямленного напряжения. Переменную составляющую, как любой периодический сигнал, можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих (гармоник), частоты которых кратны частоте колебаний основной (первой) гармоники, имеющих раз­личные амплитуды и фазы. Наличие гармоник в выпрямленном напряжении создает помехи в питаемой аппаратуре и может нарушить ее работу.

Число фаз выпрямлени я – вспомогательный параметр, характе­ризующий число максимальных пульсаций выпрямленного напря­жения за период т = рq (3.1), где р и q соответственно число фаз сети и выпрямленных полупериодов. Частота первой (основной) гармоники переменной составляю­щей выпрямленного напряжения f ₁ = m·f _С.

Коэффициент пульсации показывает соотношение между ампли­тудой напряжения первой гармоники и постоянной составляющей в выпрямленном напряжении n _П = U _1m/ U ₀, где U_1m - амплитуда напряжения первой гармоники; U₀ - напряжение постоянной составляющей. Амплитуда напряжения первой гармоники переменной состав­ляющей U _1m = 2m·sin(π/m)·U_2m/[π·(m²-1)]. Пост. составляющая выпрямленного напряжения U ₀ = m·sin(π/m)·U_2m/π, где U_2m - амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Откуда n _П = 2/(m²-1).

Вынужденное намагничивание трансформатора обусловлено тем, что токи во вторичных обмотках при нек-х схемах выпрямления протекают только в одном направлении. Поэтому сердечник намагничивается не только переменной, но и пост. составляющими тока вторичной обмотки. В результате чего кривая намагничивания теряет сим­метричность, так как одна ветвь заходит в область большего насыщения. Это приводит к уменьшению магнитной проницае­мости сердечника, уменьшению индуктивности обмоток и увели­чению тока холостого хода. Повышение тока холостого хода и рост потерь на гистерезис являются причиной дополнительных потерь, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы сер­дечников трансформатора.

Полезная мощность выпрямителя - это мощность, выделяемая в нагрузке P₀ = U₀I₀, где I₀ – пост. составляющая выпрям­ленного тока. Расчетная мощность обмоток трансформатора: S₁ = m₁U₁I₁, S₂ = m₂U₂I₂, где U₁, U₂ – действующие напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора; I₁, I₂ - действующие токи в первичных и вторичных обмотках; т₁, т₂ - соответственно число фазных первичных и вторичных обмо­ток.

Коэффициент использования первичной и вторичной обмоток трансформатора k₁ = P₀/S₁, k₂ = P₀/S₂. Расчетная мощность трансформатора S_T = 0.5(S₁+S₂). Коэффициент использования трансформатора k_T = P₀/S_T. Обратное напряжение, приходящееся на один диод при работе его в выпрямительной схеме, определяется наибольшей разностью потенциалов между анодом и катодом за время, когда диод не проводит ток. Действующий ток диода I_д. определяет его нагрев и потери мощности. Ср. ток диода I_Д.СР. используют для нормирования до­пустимых токовых нагрузок полупроводниковых диодов. Амплитудный ток диода I_Д.M - максимальный ток, проходящий ч/з диод.

Внешней или нагрузочной характеристикой выпрямителя на­зывается зависимость выходного напряжения от тока нагрузки U0 = f(I₀), которой характеризуются рабочие свойства любого источника тока, в частности выпрямителя. Внутреннее сопротивление определяется падением напряжения на трансфор­маторе и вентилях. Внешняя характеристика всегда носит падаю­щий характер.