Общие указания

 

Различные типы выпрямителей в условиях автотранспортных пред­приятий используются в качестве зарядных устройств аккумуляторов, источников питания технологического оборудования, электронных блоков диагностической аппаратуры, гайковёртов с регулируемым моментом затяжки резьбовых соединений, сварочных аппаратов и т.д.

По числу фаз первичной обмотки трансформатора различают выпря­мители однофазного и трехфазного тока.

Основные схемы выпрямителей однофазного тока: однополупериод­ная, двухполупериодная с нулевым выводом; мостовая.

Схемы выпрямителей трехфазного тока: с нулевым выводом форматора; трехфазная мостовая схеме (Ларионова) и др.

 

1. Однополупериодная схема

Простейшей выпрямительной схемой является однополупериодная схема, которая изображена на рис. I, а. Она содержит трансформа­тор Т, в цепь вторичной обмотки которого включены последовательно диод VD и сопротивление нагрузки Rd . Рассмотрим работу схемы.

Рассмотрим работу схемы.

При идеальном трансформа­торе и синусоидальном на­пряжении U1 питающей сети напряжение на концах вто­ричной обмотки Uг также си­нусоидальное. Кривые напря­жения U1 и U2 изображены на рис. I, б. Если диод обла­дает нулевым сопротивлени­ем в проводящем направле­нии, то при положительной полуволне напряжения в на­грузке будет протекать ток, мгновенное значение кото­рого определяется формулой

Рис.1. Однополупериодное выпрямление: а – электрическая схема; б, в, г, д – диаграммы токов напряжений.

При обратной полярности напряжения вторичной об­мотки трансформатора диод будет обладать бесконечно большим сопротивлением и ток в нагрузке будет равен нулю. Ток в нагрузке проте­кает только в одном направ­лении. Форма кривой тока i_d и напряжения U_d на нагрузке показана на рис. 1, в.

Когда диод проводит ток, к нагрузке прикладывается напряжение, представляющее собой положительные полуволны синусоиды вторичной обмотки трансформатора, значение которого определяется выражением

 

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке определяется из выражения

 

где U2 - эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

 

Отсюда

 

т.е. эффективное напряжение вторичной обмотки трансформатора в 2,22 раза превышает выпрямительное напряжение на нагрузке.

Когда диод VD не проводит тока, напряжение на нагрузке равно нулю и все напряжение вторичной обмотки трансформатора приложено к диоду (рис. I, г). Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора:

 

или

 

Таким образом, максимальное обратное напряжение на диоде в π раз превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

В однополупериодной схеме трансформатор, нагрузка и диод вклю­чены последовательно, в связи с чем мгновенные значения тока в этих

элементах совпадают: i_a=i₂=i_d=U₂/R_d.

Приведенная на рис.1.в форма кривой тока i_a=i₂=i_d показыва­ет, что ток схемы пульсирует. Среднее значение (постоянная состав­ляющая) этого тока может быть подсчитано по формуле I_d=U_d/R_d.

Для расчета трансформатора необходимо знать эффективные токи I1 и I2 первичной и вторичной обмоток.

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора оп­ределяется по формуле

т.е. эффективный ток вторичной обмотки более чем в 1,5 раза пре-вьшает выпрямленный ток.

Форма кривой тока первичной обмотки трансформатора показана на рис. I, д. Так как постоянная составляющая тока вторичной обмотки не трансформируется в цепь первичной обмотки, то ток первичной обмотки повторяет по форме переменную составляющую тока вторичной обмотки.

Эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора

 

 

где n_тр - коэффициент трансформации трансформатора.

После нахождения токов и напряжения трансформатора могут быть определены мощности обмоток трансформатора. Мощность вторичной обмотки

 

где P_d – мощность нагрузки

 

мощность первичной обмотки

 

 

Увеличение расчетной мощности вторичной обмотки в 3,5 раза по сравнению о мощностью нагрузки объясняется тем, что до этой об­мотке кроме активного тока основной частоты протекает постоянная составляющая тока.

В связи с неравенством мощностей обмоток габаритные размеры трансформатора (сечение сердечника, размеры окна) определяются по так называемой типовой мощности.

Для однополупериодной схемы выпрямления типовая мощность транс- форматора Рт = (3,35-3,5)Pd, т.е. типовая мощность трансформатора, определяющая его габариты, в 3,35 - 3,5 раза превышает мощность нагрузки, что свидетельствует о плохом использовании трансформатора в схеме.

 

2. Двухполупериодная схема с нулевым выводом

Двухполупериодная схема (рис. 2, а) содержит трансформатор Т, вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, два диода VD1 и VD2 и нагрузку R_d. Эта схема представ­ляет собой сочетание двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку.

На рис.2.б показана форма кривых напряжений на верхней и ниж­ней полуобмотках трансформатора, равных по величине и противопо­ложных по фазе.

В первый полупериод синусоидального напряжения, когда поляр­ность напряжения трансформатора совпадает с указанной на рис.2.а, диод VD1 пропускает ток в нагрузку в направлении, указанном сплошными стрелками, к диоду VD2 приложено обратное напряжение, и ток через него не проходит.

 

Рис.2. Двухполупериодное выпрямление нулевым выводом: а – электрическая схема; б, в, г, д, в – диаграммы токов и напряжений.

Во второй полупериод полярность напряжения на обмотках трансформатора меняется. Поэтому ток будет проходить через диод VD2 и нагрузку. Диод VD1 в это время находится под обратным напряжением и тока не пропускает. Ток в нагрузке протекает в одном и том же направлении б течение обоих полупериодов. Форма кривой тока и на­пряжения на нагрузке приведены на рис. 2, в.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке определяется из выражения

 

где U₂ – эффективное напряжение одной из вторичных обмоток трансформатора.

Отсюда U₂=1.11U_d, т.е. напряжение вторичной полу-обмотки должно быть в 1,11 раза больше постоянной со­ставляющей выпрямленного напряжения.

Ток в нагрузке (постоян­ная составляющая) равен сумме средних токов диодов

Токи во вторичных полуоб­мотках трансформатора и дио­дах VD1 и VD2 протекают поо­чередно (рис. 2, г), вследст­вие чего использование обмо­ток трансформатора оказывает­ся неудовлетворительным.

В первичной обмотке трансформатора протекает чисто пе­ременный синусоидальный ток (рис. 2,д).

Кривая напряжения на диоде приведена на рис. 2, е.

Максимальное обратное на­пряжение, приложенное к каж­дому из диодов, равно

 

Эффективное значение тока во вторичной обмотке

трансформатора определяется по формуле I₂=πI_d/4.

Типовая (расчетная) мощность трансформатора Р_ТР=1,48P_d.

Снижение типовой мощности и лучшее использование трансформатора в двухполупериодной схеме объясняется чисто переменным током пер­вичной обмотки и отсутствием намагничивания сердечника трансформатора постоянной составляющей тока вторичных обмоток.

 

3. Однофазная мостовая схема

Однофазная мостовая схема (рис. 3, а) содержит трансформатор и четыре диода VD1-VD4, собранные по схеме моста. Питающее на­пряжение вторичной обмотки трансформатора включено в одну из диа­гоналей моста. В другую диагональ моста включено сопротивление

Форма кривой напряжений U₂ вторичной обмотки трансформато­ра изображена на рис. 3, б.

При положительной полуволне синусо­иды напряжение U₂ и ток I₂=I_d протекают через диод VD1 , со­противление нагрузки R_d и диод VD3 в направлении, показанном сплошными стрелками. Диоды VD2, VD4 в этот момент ток не пропус­кают и находятся под обратным напряжением. Во второй полупериод, когда потенциал верхнего конца обмотки становится отри­цательным, а потенциал нижнего конца – положительным, ток проте­кает через диод

 

Рис.3. Однофазная мостовая схема выпрямления: а - электрическая схема; б,в,г,д - диаграммы токов и напряжений

VD2, сопротив­ление нагрузки R_d и диод VD4 в направлении, указанном пунктир­ными стрелками. Диоды VD1 и VD3 в этот полупериод тока не пропус­кают. Форма кривых тока и напря­жения на нагрузке показана на рис. 3, в.

Ток вторичной обмотки трансформатора I₂ (рис. 3, г) проте­кает в течение всего периода, что обеспечивает хорошее исполь­зование трансформатора в схеме.

Кривая напряжения на диоде приведена на рис. 3, д. Когда диод проводит ток, напряжение на нем равно нулю, а когда не проводит, то к нему приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора.

В мостовой схеме выпрямления справедливы для токов и напряжений следующие соотношения:

 

Обратное напряжение на диоде

т.е. обратное напряжение в мостовой схеме в два раза меньше, чем в двухполупериодной схеме.

Ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме чисто си­нусоидален, и эффективное значение его по отношению к постоянной составляющей тока нагрузки определяется выражением

Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме ток вторичной обмотки

Типовая (расчетная) мощность трансформатора в мостовой схеме меньше чем в ранее рассмотренных схемах:

 

где

 

 

4. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом

.

Рис.4. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом (рис. 4) содержит трехфазный трансформатор Т, три диода VD1 - VD3 и со­противление нагрузки Rd. Первичная обмот­ка трансформатора может быть соединена в звезду или треугольник, а вторичная - только в звезду. Нулевая точка звезды со­единяется с одним из зажимов нагрузки. Общая точка катодов – с другим зажимом

 

5. Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

 

Трехфазная мостовая схема (рис. 5) со­держит трехфазный трансформатор Т, шесть диодов VD1 - VD6 и нагрузку R_d.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены либо в звезду, либо в треугольник.

К преимуществам трехфазной мостовой схемы следует отнести мень­шую типовую мощность трансформатора по сравнению с другими выпря­мительными схемами и хорошее использование диодов по напряжению

Для сравнения в табл. 1 приведены основные параметры выпрями­тельных схем при работе на активную нагрузку для идеальных диодов и трансформатора.

 

Особенности работы выпрямителей с аккумуляторами в качестве нагрузки

 

 

Рис.5. Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Упрощенно схему замещения акку­мулятора можно представить в виде последовательно соединенных ЭДС ак­кумулятора ε_GB и его сопротивления R_GB (рис. 6, а).

Вследствие наличия ЭДС аккумуля­тора EGB, являющейся встречной от­носительно выпрямленного напряжения U_d отдельные интервалы работы выпрямителя мгновенное значение на­пряжения на аккумуляторе по абсо­лютному значению выше мгновенного значения напряжения выпрямителя (рис. 6, б).

 

Рис.6. схема замещения аккумулятора: а - при однополу­периодном выпрямлении; б - формы токов и напряжений при зарядке аккумуляторов