Выпрямительные устройства и их характеристики
Выпрямительные устройства
и их характеристики
1. Структурная схема и параметры выпрямителей
ВЫПРЯМИТЕЛЬ - это устройство, преобразующее переменный ток в
постоянный.
Структурная схема выпрямителя
Трансформатор
регулирует напряжение до необходимой величины.
Вентильная группа
содержит элементы с односторонней проводимостью: выпрямительные диоды в
неуправляемых выпрямителях и тринисторы - в управляемых выпрямителях.
Сглаживающие
фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Стабилизатор
напряжения поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе Rн.
Существуют
однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители.
2. Однофазные
выпрямители. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для выпрямления
однофазного переменного напряжения применяют три схемы:
1
однополупериодная;
2
двухполупериодная
мостовая;
3
двухполупериодная
трансформаторная (с выводом средней точки).
Однополупериодная схема - в которой ток проходит через
вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника.
Двухполупериодные схемы - в которых ток проходит через
вентильную группу в течение двух полупериодов переменного напряжения источника.
Рассмотрим соотношения параметров в выпрямителях при
следующих допущениях:
1) Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора и
активное сопротивление его обмоток равны нулю;
2) Сопротивление вентиля в прямом направлении равно
нулю, а в обратном равно бесконечности.
Однополупериодный однофазный выпрямитель
Временные диаграммы напряжений и токов:
Определим постоянную составляющую выпрямленного тока:
.
Так как , то
.
Но так как , т.е. ,
то
или
.
Постоянная составляющая напряжения, выраженная через
максимальное значение:
.
Постоянная
составляющая напряжения, выраженная через действующее значение:
Таким образом, в
данной схеме максимальное напряжение на диоде
,
т.е. напряжение на
диоде в три раза больше, чем на нагрузке.
Среднее значение
тока диода в этой схеме .
Величину
пульсаций выпрямленного напряжения характеризуют коэффициентом пульсаций
,
где U1m
- амплитуда переменной составляющей напряжения, изменяющегося с частотой
повторения импульсов, т.е. амплитуда первой гармоники.
Для
однополупериодной схемы
, а .
Недостатки схемы:
1) большое
значение коэффициента пульсаций ;
2) напряжение
на нагрузке почти в 3 раза меньше, чем на диоде;
3) постоянная
составляющая выпрямленного тока значительно
меньше тока во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к его
недостаточному использованию по току.
Двухполупериодная мостовая схема
I0 в 2
раза больше, чем в однополупериодной схеме. Поэтому:
;
;
Частота
выпрямленного тока в 2 раза больше, чем у сети.
.
Двухполупериодная схема с выводом средней точки вторичной
обмотки трансформатора
Это фактически сочетание двух однополупериодных выпрямителей,
включенных на нагрузочный резистор Rн в различные фазы.
Соотношения параметров в данной схеме такие же, как и в
мостовой схеме.
Преимущества двухполупериодных выпрямителей по сравнению с
однополупериодным:
Среднее значение выпрямленных тока и напряжения в 2 раза
больше, а пульсации меньше.
Но двухполупериодные выпрямители имеют более сложную
конструкцию и стоимость.
Сравнение двухполупериодных схем:
1) Мостовая схема конструктивно проще, ее габариты,
масса и стоимость ниже, чем трансформаторной схемы.
2) Максимальное обратное напряжение на закрытых диодах
в мостовой схеме в 2 раза меньше (на каждый из двух диодов приходится половина
напряжения).
3) Но в мостовой схеме необходимо в 2 раза больше
диодов.
При выпрямлении токов I >Iпрmax для одного
диода параллельно включают однотипные диоды с добавочными сопротивлениями:
Величины токов
определяются их сопротивлениями в прямом направлении. Но сопротивления диодов в
прямых направлениях Rдпр даже для однотипных диодов различны. Для
выравнивания токов диодов последовательно включают добавочные сопротивления.
Причем Rд в 5…10 раз больше Rдпр.
При выпрямлении
напряжения, превышающего максимально допустимое для диода Uобр.max,
используют последовательное соединение диодов, шунтированных резисторами.
При этом обратное
напряжение на диодах распределяется в соответствии с их обратными
сопротивлениями Rд.обр. Для выравнивания обратных напряжений
параллельно диодам включают шунтирующие резисторы Rш, величина
которых равна:
Rш=(0,1…0,2)
Rд.обр.
3.
Сглаживающие фильтры
Схемы, принцип
действия, параметры и характеристики
Для уменьшения
пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ).
Снижение
пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания
,
где Kп
и Kп’ - коэффициенты пульсаций до и после фильтра.
Основными
требованиями к сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение
высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.
У индуктивного
элемента , а у емкостного элемента
,
где k - номер
гармоники.
Поэтому
индуктивность устанавливают последовательно, а емкость - параллельно нагрузке.
Емкостной фильтр
Конденсатор
заряжается до напряжения U2, когда U2 > Uс
(интервал t1 - t2). В течение интервала времени (t2
- t3) напряжение Uс > U2 - диод закрыт, а
конденсатор разряжается через резистор Rн с постоянной времени .
С момента времени
t3 Uс < U2 - конденсатор заряжается и т.д.
То есть, когда
диод пропускает ток конденсатор заряжается, а когда к диоду приложено обратное
напряжение - конденсатор разряжается на нагрузку Rн.
Индуктивный фильтр
В течение
положительного полупериода напряжения u2, когда ток i нарастает,
индуктивная катушка Lф запасает энергию, а в отрицательный
полупериод - энергия расходуется на поддержание тока.
Длительность импульсов
тока iн определяется постоянной времени . Чем больше индуктивность Lф, тем больше
затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления
. Падает и среднее значение тока.
Обычно
индуктивность Lф в однополупериодных схемах не применяют, а
используют в двухполупериодных:
Разновидности сглаживающих фильтров:
LC- RC-фильтры;
Г-, П-, Т- образные фильтры.
4. Внешние
характеристики выпрямителей
Сопротивление нагрузки Rн при работе изменяется,
что вызывает изменение нагрузочного тока Iн.
Трансформаторы и вентили (диоды) имеют определенные величины
активных сопротивлений Rтр и Rпр. На этих сопротивлениях
происходит падение напряжения от тока Iн, приводящее к изменению
напряжения на нагрузке Uн.
Внешняя характеристика выпрямителя Uн(Iн).
,
где Uхх
- выпрямленное напряжение при Iн=0;
- среднее значение падения напряжения на сопротивлении
диода в прямом направлении;
- среднее значение падения напряжения на активном
сопротивлении вторичной обмотки трансформатора.
Внешняя характеристика определяет границы изменения
нагрузочного тока, при котором выпрямленное напряжение не снижается ниже
допустимой величины.
1 - выпрямитель без фильтра (характеристика нелинейна из-за Rпр);
2 - Выпрямитель с емкостным фильтром;
В режиме ХХ (Iн=0) выпрямленное напряжение равно
амплитудному значению Umхх, а без фильтра - среднему значению.
Для однополупериодного выпрямителя
;
Для
двухполупериодного -
.
При росте тока
нагрузки кривая 2 падает более резко, поскольку падение происходит также за
счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление, что снижает
напряжение на нагрузке.
3 - Выпрямитель с
Г-образным RC-фильтром. Дополнительное снижение напряжения вызвано падением
напряжения на последовательно включенном резисторе Rф.