Типы выпрямителей – Выпрямитель — Википедия — specable.ru

Типы выпрямителей переменного тока.

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (

Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

go-radio.ru

Выпрямители. Виды и устройство. Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Устройство и структура выпрямителя

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Рис. 2

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f₁ с сетью питания U₁, I₁, и нагрузочную цепь с U_н, I_нодновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

По мощности на выходе:

Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
Средней мощности – менее 100 кВт.
Малой мощности – до 0,6 киловатт.

По фазности сети питания:

1-фазные.
3-фазные.

По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U₂ за один период:

Однотактные (имеют один полупериод).
Двухтактные (два полупериода).

По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
Неуправляемые. Используются диоды.

Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:

Активно-емкостная.
Активно-индуктивная.
Активная.

Расчет выпрямителя

Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.

Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.

К таким факторам можно отнести:

Мощность и напряжение.
Пульсация и частота напряжения на выходе.
Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
Коэффициент мощности и другие параметры.
КПД.

Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:

Где I_d, U_d, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I₁, U₁ — рабочая первичная величина тока и напряжения, I₂, U₂ – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления

Однофазные выпрямители

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однотактная схема

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Нагрузочный ток i_d под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е₂) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток i_vd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d всегда ниже ЭДС обмотки е₂, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля U_обрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину I_d, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.

Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.

Схемы выпрямителей

Добавлено 4 марта 2017 в 15:10

Сохранить или поделиться

Теперь мы подошли к наиболее популярному применению диода: выпрямлению. Упрощенно, выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное. Оно включает в себя устройство, которое позволяет протекать электронам только в одном направлении. Как мы уже видели, это именно то, что и делает полупроводниковый диод. Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он пропускает через себя на нагрузку только половину синусоиды сигнала переменного напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель не удовлетворяет требований большинства источников питания. Содержание гармоник в выходном сигнале выпрямителя слишком велико, и, следовательно, их трудно отфильтровать. Кроме того питающий источник переменного напряжения подает питание на нагрузку во время только одной половины каждого полного периода, а это означает, что половина его возможностей не используется. Тем не менее, однополупериодный выпрямитель является очень простым способом уменьшения мощности, подводимой к активной нагрузке. Переключатели некоторых двухпозиционных ламповых диммеров подают напрямую полное переменное напряжение на лампу накаливания для «полной» яркости или через однополупериодный выпрямитель для уменьшения яркости (рисунок ниже).

Использование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммер

В положении переключателя «Тускло» лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она бы получала при работе с полным периодом переменного напряжения. Поскольку питание после однополупериодного выпрямителя пульсирует гораздо быстрее, чем нить накала успевает нагреться и охладиться, лампа не мигает. Вместо этого, нить накала просто работает на меньшей, чем обычно, температуре, обеспечивая менее яркий свет. Эта идея быстроты «пульсирования» питания по сравнению с медленно реагирующей нагрузкой широко используется в мире промышленной электроники для управления электроэнергией, подаваемой на нагрузку. Так как управляющее устройство (в данном случае, диод) в любой момент времени либо полностью проводит, либо полностью не проводит ток, то оно рассеивает мало тепловой энергии, контролируя при этом мощность нагрузки, что делает этот метод управления питанием очень энергоэффективным. Эта схема, возможно, является самым грубым способом подачи пульсирующего питания на нагрузку, но она достаточна в качестве применения, доказывающего правильность идеи.

Если нам нужно выпрямить питание переменным напряжением, чтобы получить полное использование обоих полупериодов синусоидального сигнала, то необходимо использовать другие схемы выпрямителей. Такие схемы называются двухполупериодными выпрямителями. Один из типов двухполупериодных выпрямителей, называемый выпрямителем со средней точкой, использует трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке и два диода, как показано на рисунке ниже.

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой

Понять работу данной схемы довольно легко, рассмотрев ее в разные половины периода синусоидального сигнала. Рассмотрим первую половину периода, когда полярность напряжения источника положительна (+) наверху и отрицательна внизу. В это время ток проводит только верхний диод, нижний диод блокирует протекание тока, а нагрузка «видит» первую половину синусоиды, положительную наверху и отрицательную внизу. Во время первой половины периода ток протекает только через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора проводят ток, а часть схемы, проводившая ток во время предыдущего полупериода, находится в ожидании. Нагрузка по-прежнему «видит» половину синусоиды, той же полярности, что и раньше: положнительная сверху и отрицательная снизу (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

Одним из недостатков этой схемы двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке. Особенно сильно этот недостаток проявляется, если для схемы имеют значение высокая выходная мощность; размер и стоимость подходящего трансформатора становятся одними из определяющих факторов. Следовательно, схема выпрямителя со средней точкой используется только в приложениях с низким энергопотреблением.

Полярность на нагрузке двухполупериодного выпрямителя со средней точкой может быть изменена путем изменения направления диодов. Кроме того, перевернутые диоды могут подключены параллельно с существующим выпрямителем с положительным выходом. В результате получится двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что соединение диодов между собой аналогично схеме моста.

Двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Существует еще одна популярная схема двухполупериодного выпрямителя, она построена на базе схемы четырехдиодного моста. По очевыдным причинам эта схема называется двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Направления потоков электронов в двухполупериодном мостовом выпрямителе показано на рисунках ниже для положительной и отрицательной полуволн синусоиды переменного напряжения источника. Обратите внимание, что независимо от полярности на входе, ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении. То есть, отрицательная полуволна на источнике соответствует положительной полуволне на нагрузке. Ток протекает через два диода, соединенных последовательно для обеих полярностей. Таким образом, из-за падения напряжения на двух диодах теряется (0.7 x 2 = 1.4В для кремниевых диодов). Это является недостатком по сравнению с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой. Этот недостаток является проблемой только для очень низковольтных источников питания.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодовДвухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодов

Запоминание правильного соединения диодов схемы мостового выпрямителя иногда может вызвать проблемы у новичка. Альтернативное представление этой схемы может облегчить запоминание и понимание. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы в горизонтальном положении и указывают в одном направлении (рисунок ниже).

Альтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителя

Одним из преимуществ такого представления схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии (рисунок ниже).

Схема трехфазного мостового выпрямителя

Линия каждой из фаз подключается между парой диодов: один ведет к положительному (+) выводу нагрузки, а второй – к отрицательному. Многофазные системы с количеством фаз, более трех, так же могут быть легко использованы в схеме мостового выпрямителя. Возьмем, например, схему шестифазного мостового выпрямителя (рисунок ниже).

Схема шестифазного мостового выпрямителя

При выпрямлении многофазного переменного напряжения сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга создавая выходное постоянное напряжение, которое более «гладкое» (имеет меньше переменных составляющих), чем при выпрямлении однофазного переменного напряжения. Это преимущество является решающим в схемах выпрямителей высокой мощности, где физический размер фильтрующих компонентов будет чрезмерно большим, но при этом необходимо получить постоянное напряжение с низким уровнем шумов. Диаграмма на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного напряжения.

Трехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителя

В любом случае выпрямления (однофазном или многофазном) количество переменного напряжения, смешанного с выходным постоянным напряжением выпрямителя, называется напряжением пульсаций. В большинстве случаев напряжение пульсаций нежелательно, так как целью выпрямления является «чистое» постоянное напряжение. Если уровни мощности не слишком велики, для уменьшения пульсаций в выходном напряжении могут быть использованы схемы фильтрации.

Иногда метод выпрямления классифицируется путем подсчета количества «импульсов» постоянного напряжения на выходе каждые 360° синусоиды входного напряжения. Однофазная однополупериодная схема выпрямителя тогда будет называться 1-импульсным выпрямителем, поскольку он дает один импульс во время полного периода (360°) сигнала переменного напряжения. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от схемы, со средней точкой или мостовой) будет называться 2-импульсным выпрямителем, поскольку он выдает 2 импульса постоянного напряжения за один период переменного напряжения. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным.

Современное соглашение в электротехнике описывает работу схемы выпрямителя с помощью трехпозиционной записи фаз, путей и количества импульсов. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя в данном зашифрованном обозначении будет следующей 1Ph2W1P (1 фаза, 1 путь, 1 импульс), а это означает, что питающее переменное напряжение однофазно, ток каждой фазы источника переменного напряжения протекает только в одном направлении (пути), и, что в постоянном напряжении создается один импульс каждые 360° входной синусоиды. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой в этой системе записи будет обозначаться, как 1Ph2W2P: 1 фаза, 1 путь или направление протекания тока в каждой половине обмотки, и 2 импульса в выходном напряжении за период. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначаться, как 1Ph3W2P: так же, как и схема со средней точкой, за исключением того, что ток может протекать двумя путями через линии переменного напряжения, вместо только одного пути. Трехфазный мостовой выпрямитель, показанный ранее, будет называться выпрямителем 3Ph3W6P.

Вожможно ли получить количество импульсов больше, чем удвоенное количество фаз в схеме выпрямителя? Ответ на этот вопрос, да: особенно в многофазных цепях. При помощи творческого использования трансформаторов наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть соединены параллельно таким образом, что на выходе для трехфазного переменного напряжения может быть получено более шести импульсов постоянного напряжения. Когда схемы соединения обмоток трансформатора не одинаковы, из первичной во вторичную цепь трехфазного трансформатора вводится 30° фазовый сдвиг. Другими словами, трансформатор подключенный по схеме либо Y-Δ, либо Δ-Y будет давать сдвиг фазы на 30°; в то время, как подкючение трансформатора по схеме Y-Y или Δ-Δ такого эффекта не даст. Это явление может быть использовано при наличии одного трансформатора, подключенного по схеме Y-Y к одному мостовому выпрямителю, и другого трансформатора, подключенного по схеме Y-Δ к другому мостовому выпрямителю, а затем параллельном соединению выходов постоянного напряжения обоих выпрямителей (рисунок ниже). Поскольку формы напряжений пульсаций на выходах двух выпрямителей смещены по фазе на 30° относительно друг друга, в результате сложения они дадут меньшие пульсации, чем каждый выпрямитель по отдельности: 12 импульсов каждые 360° вместо шести:

Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph3W12P)

Подведем итоги

Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно «пульсирует».
Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, «пульсирует» не так сильно.
Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.

Оригинал статьи:

Типы и схемы выпрямителей | Все своими руками

Нашел в своих конспектах кучу полезных заметок о радиотехнике, о принципах работы и о их свойствах. Этот материал полезен мне был на протяжении многих, уже многих, лет практики и поэтому решил открыть новую рубрику Полезных памяток, где я буду переписывать для вас свои конспекты.

Темой сегодняшнего дня будут выпрямители. Выпрямители, в основном, в радиоаппаратуре бывают: однополупериодный выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель и трехфазный выпрямитель

Однополупериодный однополярный выпрямитель

Такой выпрямитель можно использовать с маломощной нагрузкой, так как постоянная составляющая тока в обмотке трансформатора снижает его КПД. Я такие выпрямители стараюсь не пользовать, так как данный выпрямитель имеет большие пульсации и малый выхлоп.
Пульсацию можно на осциллограмме глянуть

Однополярный мостовой выпрямитель

Такой тип выпрямителя более подходит для устройств с большим и малым током потребления. Мостовые выпрямители я использую в основном в блоках питания и зарядных устройствах. Пульсации меньше да и ток выдавить можно больше
Пульсации мостового выпрямителя намного меньше

Однополярный выпрямитель на двух диодах

Отличный выпрямитель для аудиотехники с однополярным питанием и в низковольтных блоках питания, так как падение на диодах меньше. Пульсации намного меньше

Единственный недостаток такого выпрямителя, необходимость двух симметричных обмоток трансформатора

Двухполярный выпрямитель

Такой блок питания в основном применяется в усилителях и в схемах, где нужно двухполярное питание

Трехфазный выпрямитель

Трехфазный выпрямитель в основном используется в генераторах. Пульсации минимальны

На этом пока все. В следующей статье расскажу, как сделать дополнительные маломощные выходы и как сделать двух полярное напряжение с однополярного, читаем тут
С ув. Admin-чек

Загрузка… Полезные материалы по этой теме:

Навигация по записям

rustaste.ru

Основные характеристики выпрямителей:

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока– среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0– среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети– напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация– переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций– частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций– отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различаюткоэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) икоэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %).Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания)– отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряженияна выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 3 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”),. Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

studfile.net

Маломощные однофазные выпрямители

Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z_н=R_н. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R_н.Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U_d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление R_н, то и ток в нем i_d_,будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку U_d и среднее значение тока в нем I_d.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку U_d считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения U_d и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U₍₁₎_m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток I_в= I_d/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

elenergi.ru

Электронные выпрямители их виды и характеристика — Студопедия.Нет

Одним из основных источников энергии в быту и в промышленноти является электрический ток. Электрический ток бывает двух видов: постоянный и переменный. Переменный ток имеет следующие преимущества перед постоянным:

1.Переменный ток в промышленном масштабе легче получить, так как генераторы переменного тока имеют более простое техничекое устройство, чем генераторы постоянного тока ( динамомашины ).

2. Переменный ток легко транспортировать на любые расстояния без значительных потерь энергии.

При необходимости переменный ток может быть преобразован в постоянный ток с помощью электронного устройства, который называется выпрямителем.

Электронный выпрямитель — это электротехническое устройство для преобразования переменного тока в постоянный.

Структурная схема выпрямителя:

1 2 4 5

1.Трансформатор — необходим для повышения или понижения входного перенменного напряжения до необходимого уровня и изоляции аппарата от входной электрической сети.

2.Выпрямляющие элементы ( вентили )- это ламповые или полупроводниковые диоды, которые подключаются ко вторичной обмотке трансформатора и служат для преобразования переменного тока в пульсирующий.. Все выпрямляющие элементы обладают односторонней проводимостью.

3.Сглаживающий фильтр — применяется для понижения пульсации выпрямленного напряжения и тока. Это совокупность резисторов ,катушек индуктивности и конденсаторов.

4.Стабилизатор — поддерживает постоянным амплитуду выпрямленного напряжения и тока на выходе выпрямителя. Стабилизатор делает эти характеристики независимыми от колебания напряжения в электрической сети на входе выпрямителя. Иногда стабилизатор ставят сразу перед трансформатором — стабилизатор входного напряжения.

Технические характеристики выпрямителей.

Если в качестве выпрямляющего элемента используется двухэлектродная лампа (кенотрон), выпрямитель называется ламповым. Если полупроводниковый диод – полупроводниковым.

Если выпрямляется один полупериод входного напряжения, выпрямитель называется однополупериодным. Если оба полупериода – двухполупериодным.

При выпрямленном напряжении на выходе меньше 500 вольт выпрямитель называется низковольтным. Если напряжение на выходе больше 500 вольт, выпрямитель высоковольтный.

Электрические характеристики выпрямителей.

1. Входное переменное напряжение и ток.

1. Выходное напряжение и ток.

2. Коэффициент пульсации Kp = Uп / Ucp.

Uп – амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Uср – среднее значение выпрямленного напряжения.

Кр – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Пусть график выходного напряжения на выходе выпрямителя имеет следующий вид. Рассчитаем коэффициент пульсации для данного случая.

Umax

Uср

Umin

0 t

По определению:

Uп = ( Umax – Umin ) / 2

Uср = ( Umax + Umin ) / 2

Kp = Uп / Ucp = ( Umax – Umin ) / ( Umax + Umin )

Вопрос 11

Выпрямителем называется статическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный 1. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является источник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.
Процесс выпрямления осуществляется непосредственно вентильными элементами схемы выпрямления и заключается в том, что нагрузка циклически переключается с одной фазы источника переменного напряжения на другую. В настоящее время разработано и применяется на практике много схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Выбор той или иной схемы определяется свойствами применяемых вентилей и условиями работы выпрямителя. Например, в выпрямительных агрегатах для зарядки аккумуляторных батарей, где требуются небольшие значения выпрямленного напряжения (24—48 В), наиболее приемлемыми оказались схемы однофазного выпрямления с вентилями на небольшие значения L/0gp. При выпрямлении высоких напряжений (до 1000— 1500 В) часто приходится прибегать к последовательному соединению вентилей или применять диоды на большие значения L/0gp. Следовательно, применение в таком выпрямителе трехфазной нулевой схемы выпрямления на кремниевых диодах позволит затратить меньшее число вентилей (три вместо четырех), получить более высокий КПД и снизить габариты выпрямителя (см. § 6).
Учитывая вышесказанное, рассмотрим работу основных схем выпрямления однофазного и трехфазного тока, предполагая вначале для простоты расчетов параметров и облегчения понимания физической сущности процессов в элементах схем, что выпрямитель работает на активную нагрузку и состоит из идеальных вентилей и трансформаторов, в которых можно пренебречь падениями напряжения, а также обратными токами вентилей, индуктивностями и намагничивающим током трансформатора.
Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчете служат выпрямленные напряжения Ud и ток ld, а также действующее значение напряжения питающей сети Ux.
1 По ГОСТ 23414-79 для названия таких устройств допускается также применять термин «преобразователь». 34
Устройство и основные элементы выпрямителей. Выпрямитель представляет собой электрический агрегат, который состоит в общем случае из следующих основных элементов (рис. 15): силового трансформатора 1. служащего для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя, а также для электрического разделения цепи выпрямленного тока с питающей сетью, что необходимо при заземленной нагрузке; блока вентилей 2, соединенных по определенной схеме и обеспечивающих протекание тока в цепи нагрузки в одном направлении, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее; сглаживающего фильтра 3, который ослабляет пульсации выпрямленного напряжения в цепи нагрузки 4. Если выпрямитель управляемый, то в него входит еще узел 6, содержащий систему управления вентилями. Для защиты выпрямителя от повреждений при аварийных режимах в его схему может входить блок защиты и сигнализации 5, а для поддержания с определенной точностью значения Uвых при изменениях напряжения питающей сети Uc и сопротивления нагрузки RH — стабилизатор напряжения или тока.
В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутствовать отдельные элементы, например фильтр 3 при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера или силовой трансформатор 1 в случае бестрансформаторного включения выпрямителя, что может иметь место в мостовых схемах выпрямления.
В зависимости от количества выпрямленных полупериодов питающего напряжения схемы выпрямления подразделяются на одно полупериодные и двухпопупериодные. По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.
Выпрямители однофазного тока. При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных устройств промышленной электроники, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.

Рис. 15. Структурная схема (а) и кривые напряжений (б) выпрямителя

Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере простейшей однофазной однотактной схемы выпрямления. В этой схеме (рис. 16 ,з) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение и2 которой изменяется по синусоидальному закону и2 = Umax2 sincor. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля VI, имеет положительный потенциал относительно точки Ь, к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и2 оказывается приложенным к резистору R^. через который начинает протекать ток нагрузки.
Индекс d используется для обозначения элементов, токов и других величин на стороне постоянного тока.

Рис. 16. Однофазные выпрямители
а — однополупериодная схема; б — двухполупериодная схема; виг—, диаграммы напряжений и токов на элементах схем выпрямления
Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Достоинства выпрямителя: простота схемы и питающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.
Данная схема широко применяется для снятия квалификационных параметров силовых диодов и тиристоров, когда в испытуемом вентиле обеспечиваются однополупериодный синусоидальный прямой ток и синусоидальное обратное напряжение.
Двухполупериодная однофазная схема со средней точкой представлена на рис. 16,6. Схема состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток. Коэффициент трансформации п определяется отношением Ui/U2, где иг — напряжение каждой из вторичных обмоток (фазные напряжения), сдвинутые относительно друг друга на 180°.
Свободные концы вторичных обмоток а и b присоединяются к анодам вентилей VI и V2, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка Rвключается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом О трансформатора, который служит отрицательным полюсом.
Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформатора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений и2а и и2Ь (рис. 16,г), в качестве которых обычно принимают направления, совпадающие с проводимостями вентилей.
Действительно, при изменении напряжения в точках а и b по закону и2 = Uzmsin ш в тот полупериод, когда напряжение в обмотке Оа положительно, ток проводит вентиль VI, анод которого положителен по отношению к катоду, связанному через резистор Rd с точкой О вторичных обмоток. Анод вентиля V2, так же как вывод b обмотки Ob, в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выводу О и, следовательно, тока не пропускает. Вентиль V1 будет находиться во включенном (проводящем) состоянии до тех пор, пока ток /в1, протекающий через него, не станет равным нулю (момент времени Г]).
В следующий полупериод (интервал времени f,_ t2 на рис. 16,г) когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток будет пропускать вентиль V2. В результате к нагрузке Rd будет теперь приложено напряжение и2Ь, а ток id будет равен току /в2 вентиля V2. Вентиль V1 выключится, так как к нему будет приложено обратное напряжение ^обр. Спустя полупериод, начиная с момента времени t2, процесс повторяется: ток будет проводить вентиль VI, а вентиль V2 выключится и т.д.
Ток id в нагрузке все время течет в одном направлении — от катодов вентилей к нулевой точке О вторичных обмоток трансформатора, и на резисторе Rd появляется выпрямленное пульсирующее напряжение ud, содержащее постоянную и переменную составляющие.
Для однофазной нулевой схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Ud = 0,91/2. (11)
где U2 — действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке, U2 = 1,11 Ud. (12)
Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пульсаций fn(1) =2fc при частоте питающей сети fc = 50 Гц составляет 100 Гц. Подставляя в (19) т = 2. определяем коэффициент пульсации: q = 0.67, т.е. амплитуда первой гармоники ud для данной схемы составляет 67% Ud.
Однофазная мостовая схема состоит из трансформатора Тс двумя обмотками и четырех диодов VI — V4, соединенных по схеме моста (рис. 17,з). К одной диагонали моста (точки 1,3) присоединяется вторичная обмотка, а в другую (точки 2, 4) включается нагрузка Rd. Общая точка катодов вентилей VI и V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрицательным—точка связи анодов вентилей V3 и V4.
Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения иг, соответствующая полярность которого обозначена без скобок, проводят ток вентили VI и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения иг будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили VI и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение ио6р = = иг.
Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 17,в) будут такими же, как для однофазного двух полу периодного выпрямителя со средней точкой.

Рис. 17. Однофазный мостовой выпрямитель
в — схема включения; б и в — временные диаграммы напряжений и токов на элементах схемы
Ток id в нагрузке проходит все время в одном направлении — от соединенных катодов диодов V1 и V2 к анодам диодов V3 и V4. Ток /2 во вторичной обмотке трансформатора (рис. 17,6) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком. Ток ii в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.

Однофазная мостовая схема:
Амплитуда обратного значения на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.
Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки трансформатора при одинаковых значениях напряжения Ud.
Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.
Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и железа, меньше будут размеры и масса.
Данная схема выпрямителя может работать и без трансформатора, если напряжение сети (Д подходит по значению для по лучения необходимого напряжения Ud и не требуется изоляции цепи выпрямленного тока от питающей сети.
Выпрямители трехфазного тока. Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Для лучшего уяснения принципа выпрямления трехфазного тока и режимов работы элементов выпрямителей вначале рассмотрим трехфазную схему с нулевым выводом.

Рис. 18. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой: в — схема соединения обмоток трансформатора и вентилей; б — г — диаграммы напряжений и токов на элементах
Из временной диаграммы на рис. 18,6 видно, что напряжения игд, и2Ь и и2с сдвинуты по фазе на одну треть периода (773, или 120°) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Ток через вентиль /в, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет протекать в течение той трети периода, когда напряжения в данной фазе больше, чем в двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, и к нему прикладывается обратное напряжение.
Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и г на рис. 18,6). Выпрямленный ток id проходит через нагрузку /?£/ непрерывно (рис. 18,в).
Напряжение ud на выходе выпрямителя в любой момент времени равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряжение представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений игф трансформатора Т.
При изменении вторичного напряжения иг по синусоидальному закону ток /2 каждой из фаз на участке проводимости вентилей будет также синусоидальным
(21)
Следовательно, анодный ток /в будет иметь форму прямоугольника с основанием Т/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды. На рис. 18,г изображен ток фазы а. токи фаз b и сизображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 120 относительно друг друга.
Для трехфазной нулевой схемы выпрямления характерны следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.
Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе (когда на выходе выпрямителя включен только вольтметр)
(22)
где Сзф — действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Выпрямленное напряжение ud содержит постоянную составляющую U(j и наложенную на нее переменную составляющую U^.—, имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Выпрямитель в данной схеме состоит их трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 19,з):
катодную, или нечетную (диоды VI, V3 и V5), в которой электрически связаны катоды вентилей и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;
анодную, или четную (диоды V2, V4 и V6), в ко торой электрически связаны между собой аноды вентилей, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей, т.е. к диагонали выпрямленного моста.
Катодная группа вентилей повторяет режим работы трехфазной нулевой схемы. В этой группе вентилей в течение каждой трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 19,6). В анодной группе в данную часть периода работает тот вентиль, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.
Вентили катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, б, в и г на рис. 19,6), а вентили анодной группы — в момент пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м и н). Каждый из вентилей работает в течение одной трети периода (Т/3, или 2 я/3).
При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток два вентиля — один из катодной, другой из анодной группы, при этом любой вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки (рис. 19,г и д). Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение и2п.

Рис. 19. Трехфазная мостовая схема выпрямителя:
а — схемр соединения элементов; 6 — е — временные диаграммы напряжений и токов

Таблица 1. Основные электрические параметры схем выпрямителей при активно-индуктивной нагрузке

Например, на интервале времени t\—t2 ток проводят вентили V1, V6. на интервале t2—t3 — вентили VI, V2, на интервале f3—Г„ — вентили V3, V2 и т.д. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 4> = 27г/3, или 120° (рис. 19,е), а интервал совместной работы двух вентилей равен я/3, или 60°. За период напряжения питания Г = 2ir происходит шесть переключений вентилей (шесть тактов), в связи с чем такую схему выпрямления часто называют шестипульсной.
Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме не носит случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора, указанной на рис. 19,з. Через каждую фазу трансформатора ток /2 будет проходить в течение 2/3 периода: 1/3 периода- положительный и 1/3 — отрицательный. Ток id в нагрузке все время проходит в одном направлении. Контур тока нагрузки при открытых вентилях VI и V6 показан на схеме рис. 19,з тонкой черной линией.
В течение рабочего интервала времени одновременно протекают токи во вторичных обмотках, расположенных на разных стержнях магнитной системы (см. токи /2а и i2b на рис. 19,з), при этом через две первичные обмотки, расположенные на тех же стержнях, также протекают токи. Намагничивающие силы от токов /»i и /2 на каждом из стержней в этом случае уравновешиваются, и однонаправленный поток Ф0 не возникает, что является одним из существенных достоинств данной схемы.
Выпрямленное напряжение ud в этой схеме описывается верхней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений (рис. 19,в). Частота пульсаций кривой иj равна 6/,, коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя
(30)
Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Ординаты кривой «обр Для вентиля VI показаны на рис. 19,6 штриховкой, на рис. 19,е кривая иобр изображена полностью. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле в трехфазной мостовой схеме равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. Цэбрmax = v2* U2 л. При открытом состоянии двух вентилей выпрямительного моста другие четыре вентиля закрыты приложенным к ним обратным напряжением. Выпрямленный ток id при работе на чисто активную нагрузку полностью повторяет кривую напряжения ud (см. черную кривую на рис. 19,в).

Соотношения между напряжениями и токами в трехфазной мостовой схеме приведены на табл. 1.
Шестифазная схема со средней точкой представлена на рис. 20.а. Питание схемы осуществляется через трехобмоточный трансформатор Т, на каждом стержне которого расположены три обмотки: по одной первичной, которые соединены в треугольник и подключены на ~ Uc. и две одинаковые вторичные обмотки, соединенные в шестифазную звезду с нулем. Начала обмоток обозначены точками. При этом вторичные обмотки / подключены к анодам диодов V1, V3 и I/5 началами, а обмотки // подключены к анодам диодов V4, \/6 и V2 концами. В результате такого соединения звезды фазных напряжений иа1, иь.. ис1 и иа2.иЬ2, ис2 смещены относительно друг друга на 180 (рис. 20,6), а векторы напряжений соседних фаз — на 60°.
Как и в трехфазной нулевой схеме (см. рис. 18,а), в любой момент времени в шестифазной схеме будет открыт тот вентиль, потенциал анода которого в данный момент выше, чем у других вентилей. Как видно изрис. 20,в, на котором изображены синусоиды вторичных фазных напряжений Цгф, в интервале f,—12 открыт вентиль VI, в интервалах t2—t3 и t^—t^ — вентили V2 и V3 и далее — в соответствии с порядковыми номерами вентилей. Коммутация тока с вентиля на вентиль происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора Т.
Кривая выпрямленного напряжения ud в этой схеме описывается верхней частью синусоид фазных напряжений и2 ф. Частота пульсаций кривой ud по отношению к частоте сети (]) = = 6/с, коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Из рис. 20,в видно, что для вентиля VI потенциал катода по отношению к нулевой точке изменяется по огибающей синусоид фазных напряжений, а потенциал анода — по кривой фазного напряжения uaJ (на рис. 20,в кривые этих напряжений показаны соответственно черной и синей линиями). Ординаты кривой ообр для вентиля VI показаны штриховкой.
Рис. 20. Шестифазный выпрямитель со средней точкой: а — схема соединения элементов; б — векторная диаграмма напряжений обмоток трансформатора; в — е — временные диаграммы напряжений и токов

Трехфазная схема с нулевой точкой:
Схема простая. Число вентилей в 2 раза меньше, чем в мостовой или шестифазной нулевых схемах.
Меньше потери в вентилях, так как в данной схеме ток id протекает через один диод, а в мостовой — последовательно через два диода.

Трехфазная мостовая схема:
Обратное напряжение, прикладываемое к вентилям, в 2 раза меньше, чем в трехфазной и шестифазной нулевых схемах, и вентили следует выбирать на напряжение, близкое к Ud
Напряжение (число витков) вторичной обмотки вдвое меньше, чем в трехфазной, и в 1,73 раза, чем в шестифазной нулевых схемах, но сечение провода соответственно в 1,41 и в 2 раза больше.
Нет вынужденного намагничивания сердечника трансформатора и нормальное исполнение обмоток.
Габаритная мощность трансформатора на 30% меньше, чем в трехфазной, и на 48% меньше, чем в шестифазной нулевых схемах, ток первичной обмотки имеет форму синусоиды.
Схема допускает соединение первичных и вторичных обмоток трансформатора звездой и треугольником. Она может быть применена и без трансформатора.
Шестифазная нулевая схема:
При соединении первичной обмотки трансформатора в треугольник поток вынужденного намагничивания практически не возникает.
Частота основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения, как и в мостовой схеме, в 2 раза выше, а коэффициент пульсации напряжения ud почти в 4,5 раза меньше, чем в трехфазной нулевой схеме.

Преимущества трехфазной схемы с нулевой точкой проявляются в случае, если главным требованием является простота выпрямителя или используется блок трех вентилей с общим катодом.
При применении полупроводниковых вентилей преимущества имеет мостовая схема, которая может работать непосредственно от сети, если напряжение Ut подходит по значению для получения нужного Ud и не требуется изоляция от питающей сети цепи выпрямленного тока.
Шестифазная схема с нулевой точкой в связи с наличием трансформатора с двумя вторичными обмотками уступает мостовой схеме. Однако для выпрямителей на низкое напряжение (около 100 В) и большой ток (500—1000 А) целесообразно применять шестифазную схему, так как нагрузочный ток в этой схеме

проходит через вентиль в течение 1/6 периода, а в трехфазны.схемах — в течение 2/3 периода, следовательно, среднее значение тока вентиля для шестифазной схемы будет в 2 раза меньше, чем для трехфазных схем выпрямления.
Это обстоятельство позволяет уменьшить число установленных вентилей и получить более высокий КПД выпрямителя (см. § 6) на значительный ток ом, когда /в,ср> ‘п и в трехфазных схемах приходится использовать более мощные вентили либо применять параллельное соединение вентилей в плече выпрямителя. Например, при токе нагрузки ном = 210 А, имеющем прямоугольную форму, в трехфазной схеме предельный ток вентилей будет равен /п = 1,1-210/3 = 77 А, а в шестифазной /п = = 1,41-210/6=49,4 А. Следовательно, для первой схемы выпрямления нужно применить вентили на 100, а для второй — на 50 А.

Вопрос 12

studopedia.net

Типы выпрямителей – Выпрямитель — Википедия