Выпрямительные устройства.
Наиболее распространенными источниками тока является выпрямитель-устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.
Выпрямитель состоит из следующих элементов:
- силового трансформатора, служащего для понижения или повышения напряжения сети до нужной величины;
- одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью;
- сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного тока. (рис.1,2)
| Вентиль |
| Сглаживающий фильтр |
| Трансформатор |
| Сеть |
| нагрузка |
Рис.1
Однополупериодные выпрямители.
Рис.2
Среднее значение вывпрямленого тока( ) и напряжения ( ) определяются выражениями:
где - амплитудное значение тока на вторичной обмотке трансформатора.
Если пренебречь потерями в диоде, то можно записать
Поэтому , где - действующее значение.
Коэффициент трансформации и величина обратного напряжения будут определяться выражениями:
; ;
; .
Качество преобразования переменнного напряжения в пульсирующее будет определяться коэффициентом пульсации , который будет определяться выражением:
,
где - амплитуда первой гармоники пульсирующего напряжения.
Большая величина является большим недостатком однополупериодной схемы. Кроме этого, постоянная меньше действующего значения тока во вторичной обмотке трансформатора. Это приводит к недостаточному использованию обмоток трансформатора по току.
Двухполупериодная схема выпрямления.
Рис. 3
Схема с выводом от средней точки вторичной обмотки силового трансформатора приведена на рис. 3.
В один из полупериодов, когда конец обмотки А положителен по отношению к среднему выводу, ток , проходит от точки А, диод , нагрузку , (0) вторичной обмотки.
Рис. 4
В двухполупериодной схеме величина тока, проходящего через каждый диод, в два раза меньше, чем в однополупериодной схеме.
Частота пульсации и коєфициент определяется выражением
Двухполупериодная схема дает более сглаженное напряжение, чем однополупериодная.
В двухполупериодной схеме максимальное обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение, что является недостатком схемы. К недостаткам следует отнести и усложненную конструкцию трансформатора.
Двухполупериодная мостовая схема.
В схему входят силовой трансформатор и четыре диода, включенных по схеме моста (Рис. 5).
Рис. 5
Рис. 6
В один из полупериодов, когда потенциал точки А положителен, а потенциал точки В отрицателен, ток проходит от точки А диод , сопротивление и диод D3 к точке В. В следующий полупериод ток проходит от точки В через диод D2 , и диод D4 к точке А. Направление тока через в оба полупериода остается неизменным. Поэтому в рассматриваемой схеме имеет место двухпериодное выпрямление.
Постоянная составляющая выпрямленного тока представляет собой среднее значение тока протекающего за период через сопротивление .
Т.к. ток , запишем
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения можно определить по закону Ома
если пренебречь потерями на диодах.
Заменив амплитудное значение напряжения его действующим получим
Обычно значение напряжения и тока задается при расчете выпрямителя.
Зная , определим на вторичных зажимах тр-ра.
Если известно, то находим коэффициент трансформациии
Максимальное значение обратного напряжения на диодах равно
Или
Подбирая диоды для работы в схеме необходимо следить, чтобы
если равенство не выполняется, то необходимо включить несколько диодов, количество которых определяет выражение:
Так же необходимо следить, чтобы среднее значение тока через диод удовлетворяло равенству
Если равенство не выполняется, то включаются несколько диодов в параллель, число которых определяется выражением:
-число диодов включенных параллельно.
Так как мостовая схема двухполупериодная, то частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети а коэффициент пульсации будет равен:
– амплитуда первой гармоники пульсирующего напряжения.
Мостовая схема получила широкое распространение в электронике т.к.:
1. размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток по току;
2. конструкция трансформатора выполнена без специального вывода от средней точки;
3. обратное напряжение, приходящееся на один диод, вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.
Схема выпрямления с умножением напряжения
Для повышения выпрямленного напряжения на нагрузке при заданном напряжении на вторичной обмотке тр-ра или при отсутствии повышающего тр-ра применяют схемы выпрямления с умножением напряжения.
В качестве дополнительных источников э.д.с. предназначенных для увеличения выходного напряжения в этих схемах используют конденсаторы, периодически заряжаемые через диоды.
Рис.
По аналогии могут быть построены схемы с большей кратностью умножения. Однако чем выше кратность умножения, тем больше диодов и конденсаторов должно быть в схеме и тем более высокое напряжение они должны выдерживать.
Эти схемы применяются главным образом для получения высоких напряжений при малом токе нагрузке.
Это обьясняется тем, что при больших токах нагрузки, конденсаторы должны иметь очень большую емкость. При малой емкости они будут быстро разряжаться и пульсации напряжения на нагрузке станут недопустимо большими.
Сглаживающие фильтры
При питании электронной аппаратуры допускается малая (порядка десятых, сотых и даже тысячных долей процента) пульсация выпрямленного напряжения. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры.
Любой сглаживающий фильтр должен обладать необходимым коэффициентом сглаживания , величина которого определяется отношением ,
где - коэффициенты пульсации до и после фильтра.
Для того, чтобы на выходе выпрямителя получить напряжение с меньшими пульсациями, достаточно параллельно сопротивлению нагрузки подключить конденсатор, (рис. 8).
В те промежутки, когда диод пропускает ток, конденсатор запасает энергию. Когда диод заперт, конденсатор разряжается через нагрузку.
Рис. 8
Рис. 9 Напряжение на нагрузке
без конденсатор
Рис. 10
Величину емкости сглаживающего фильтра, при которой пульсация выпрямленного тока составляет не более 10%, при частоте сети , расчитываем по формулам: для однополупериодной схемы
для двухполупериодной схемы
Выбор той или иной схемы определяется величиной выпрямленного тока и допустимым значением коэффициента пульсации выпрямленного напряжения на выходе фильтра.
В качестве последовательных элементов фильтров чаще всего используют индуктивности (дроссели) (рис. 11) и активные сопротивления-резисторы (рис. 12). Параллельными элементами фильтра обычно служат конденсаторы.
Рис. 11 Рис. 12
Для постоянного тока сопротивление бесконечно велико, а сопротивление мало.
Сопротивление стремятся выбрать значительно больше нагрузочного сопротивления .
Произведение в зависимости от коэффициента сглаживания определяется по формуле
где - частота сети в Гц;
- число фаз выпрямления
Для наиболее распространенных схем с
.
Величины и должны быть выбраны так, чтобы выполнялось условие
Обычно в качестве конденсаторов фильтра используют электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью.
Для увеличения коэффициента сглаживания применяются несколько Г-образных фильтров, при этом суммарный коэффициент сглаживания равен
Существенным недостатком дроссельных фильтров является их большая масса, а так же образование магнитных полей.
Эти недостатки устраняются в фильтрах, величина элементов которых определяется выражением:
Трехфазные выпрямители.
Применяются для питания потребителей большой мощности. Они равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трехфазного трансформатора.
Наиболее типичной схемой является трехфазная схема с нулевым выводом.
Трехфазная схема с нулевым выводом состоит из трехфазного трансформатора, трех вентилей и нагрузочного сопротивления .
Первичная обмотка тр-ра может быть соединена треугольником или звездой, вторичная только звездой.
Рис. 13
В данной схеме через каждый вентиль проходит ток в течение одной третьей части периода, когда напряжение на фазе трансформатора, в которую включен вентиль, выше напряжения двух других фаз.
Рис. 14
Для определения среднего значения выпрямленного напряжения
Среднее значение тока протекающего через вентиль равно
Максимальное значение тока во вторичных обмотках равно
Максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде линейного
Коэффициент пульсации равен:
Эти схемы наиболее экономично работают при мощностях, не превышающих десятков килловат.
Однофазные управляемые выпрямители
На практике в большинстве случаев выпрямительные установки должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах (например, для управления скоростью электродвигателей постоянного тока).
В таких выпрямителях применяют управляемые выпрямительные элементы, в качестве которых в настоящее время обычно используют тиристоры. Управление выпрямленного напряжения сводится к задержке во времени включения тиристора по отношению к моменту естественного включения за счет напряжения, приложенного между “анодом” и “катодом”.
На катоде приведена схема двухполупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку.
Моменты отпирания тиристоров и определяются моментами поступления на их управляющие электроды импульсов тока и , задержанных относительно момента перехода через нуль вторичных напряжений и на некоторое время, которое соответствует фазовому углу , называемому углом управления.
В результате форма и длительность импульсов тока в протекающих через открытый тиристор и нагрузку, оказываются иными, чем в аналогичном выпрямителе на выпрямительных диодах, а среднее значение выпрямленного напряжения зависит от угла управления и определяются выражением
При выражение не отличается от выражения для обычного выпрямителя, а при .
т.к.
Очевидно, с увеличением угла величина уменьшается. При этом увеличивается пульсации выпрямленного напряжения и уменьшения К.П.Д. Это является основным недостатком управляемых выпрямителей. Для работы таких схем необходимы специальные устройства управления для создания управляющих импульсов прямоугольной формы и малой длительности. Для создания таких управляющих импульс ов, поступающих на тиристор с заданной последовательностью, используются разнообразные схемы генераторов импульсов и фазосдвигающих устройств, получивших название импульсно-фазовых систем управления.
| У-во управ-ления |