Схемы выпрямления переменного тока. Схемы выпрямления переменного тока

3).Какие схемы выпрямления переменного тока вы знаете? Нарисовать и объяснить принцип работы.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применяются, например, в блоках питания такой аппаратуры, как промышленная и бытовая радио- и электроаппаратура (в т.ч. так называемые адаптеры), бортовая радиоэлектронная аппаратура транспортных средств. Это обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток. И выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 3.1:

Рисунок 3.1- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках однополупериодного выпрямителя

где , U2 –Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 3.2:

Рисунок 3.2.- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя с нулевой точкой

Где, U2 -Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

studfiles.net

Схемы выпрямления переменного тока — Мегаобучалка

I. Однополупериодная. Последовательно с нагрузкой включается вентиль или диод, который образует плечо и подается однофазное переменное напряжение. В один из полупериодов, когда на вентиль подается прямое напряжение, через вентиль и нагрузку проходит прямой ток. В другой полупериод на вентиль подается обратное напряжение и ток по вентилю и нагрузке не проходит. Среднее напряжение на нагрузке равно половине напряжения сети, а ток постоянный по направлению и пульсирующий по величине. Такая схема выпрямления применяется ограниченно, так как выпрямляет напряжение только в один полупериод.

II.

Двухполупериодная с нулевым выводом трансформатора.

К крайним выводам трансформатора подключаются аноды или катоды вентилей двух плеч. С другой стороны аноды или катоды вентилей плеч соединяются вместе. Нагрузка или потребитель подключается между средним выводом трансформатора (нулевым) и между общим анодом или катодом плеч. При такой схеме в оба полупериода под действием напряжения одной полуобмотки по нагрузке R проходит ток в одном направлении. Напряжение на нагрузке равно напряжению полуобмотки. В нерабочий полупериод на вентили плеча подается обратное напряжение, которое равно сумме напряжений полуобмоток или двойному рабочему – это необходимо учитывать, чтобы не было пробоя вентилей в плечах.

III. Двухполупериодная мостовая.При данной схеме используется 4-е вентиля, которые соединяются между собой и образуют контур. Катоды двух вентилей или плеч соединяются вместе и образуют «+» моста, а аноды двух других плеч образуют «-» моста. «+» и «-» моста образуют диагональ постоянного напряжения к которым подключается нагрузка R. Свободные катоды и аноды плеч соединяются вместе и образуют диагональ, на которую подается однофазное переменное напряжение от обмотки трансформатора или от сети переменного тока. При данной схеме в оба полупериода по нагрузке проходит ток постоянного направления и изменяется по величине с двойной частотой. В каждый полупериод поочередно работают два плеча моста, а в нерабочий полупериод на вентили плеч подается обратное напряжение равное рабочему.

IV. Мостовая полууправляемая. Два плеча моста собираются на управляемых вентилях – тиристорах. При помощи электронных блоков на управляющие электроды тиристоров в определенный момент полупериода подается импульс напряжения, тиристоры открываются и до конца полупериода работают как неуправляемые вентили. В конце полупериода прямой ток по тиристору уменьшается и тиристор закрывается. Изменяя время открытия тиристоров плеч можно плавно регулировать и поддерживать постоянное напряжение на нагрузке. Применяется на ВЛ-80с для подачи напряжения на обмотку управления ТРПШ.

V. Двухполупериодная мостовая с разомкнутыми плечами мостов.Применяется для выпрямления переменного тока при подаче на ТЭД секции ВЛ-80с. Две выпрямительные установки (ВУ), по схеме 61 и 62 собраны по мостовой схеме но в каждой ВУ два плеча моста со стороны подачи переменного напряжения, разомкнуты. Вывод а1 нерегулируемой части 1-й полуобмотки соединяется с неразомкнутым плечом ВУ61, а средний вывод ПР второй полуобмотки с неразомкнутым плечом ВУ 62. Одновременно вывод а1 и средний вывод ПР 2-й полуобмотки соединяются проводом, который называется уравнительным или нулевым. Катод разомкнутого плеча ВУ 61 соединяется со средним выводом ПР 1-й полуобмотки и с анодом разомкнутого плеча ВУ 62. Анод разомкнутого плеча ВУ 61 соединяется с катодом разомкнутого плеча ВУ 62 и с выводом а2 нерегулируемой части 2-й полуобмотки.

При такой схеме соединения:

1. В первый полупериод, когда ЭДС во вторичных обмотках направлена справа налево, от первой полуобмотки, через ВУ 61 подается напряжение на 1-й и 2-й ТЭД первой тележки. От 2-й полуобмотки, через ВУ 62 подается напряжение на 3-й и 4-й ТЭД второй тележки.

2. В следующий полупериод, когда ЭДС направлена слева направо:

a) От 1-й полуобмотки, через ВУ 62 подается напряжение на 3-й и 4-й ТЭД второй тележки, затем ток проходит по уравнительному проводу справа налево.

b) От 2-й полуобмотки, через ВУ 61 подается напряжение на 1-й и 2-й ТЭД первой тележки и ток проходит по уравнительному проводу слева направо.

Таким образом, в этот полупериод по уравнительному проводу проходят встречно направленные токи ТЭД первой и второй тележек и если эти токи равны, то ток в уравнительном проводе равен 0, поэтому этот провод называют нулевым. Но в этом случае ток проходит последовательно по группам ТЭД и по полуобмоткам трансформатора.

На четных позициях ЭКГ, когда напряжение 1-й полуобмотки больше напряжений 2-й примерно на 72 В, ток 3-го и 4-го ТЭД также больше тока 1-го и 2-го ТЭД. В этом случае по уравнительному проводу проходит разность этих токов, но одновременно выравнивается среднее напряжение на тяговых двигателях за период, поэтому провод называют еще и уравнительным.

Применение схемы с разомкнутыми плечами мостов и переходных реакторов, работающих как делители напряжения, при малом числе выводов полуобмоток (14), дает получить большее число позиций регулирования напряжения на ТЭД.

megaobuchalka.ru

Выпрямление переменного тока

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока при использовании лишь одного вентиля. Вентиль В включается последовательно с нагрузкой Rн, в которой должен быть получен постоянный ток (рисунок 34, а). В качестве источника питания используем генератор, вырабатывающий переменный синусоидный ток (рисунок 34, г). При положительных значениях напряжения генератора ток I в цепи, а следовательно, и в нагрузке Rн будет изменяться прямо пропорционально этому напряжению (рисунок 34, д). В течение отрицательных полупериодов напряжения генератора направление тока в цепи должно измениться на противоположное. Однако вентиль в обратном направлении ток не пропускает. Поэтому при отрицательных значениях напряжения генератора цепь окажется обесточенной.

Такие схемы выпрямления тока получили название однополупериодных. Выпрямленный ток будет постоянным по направлению, но пульсирующим по величине. Среднее значение тока в цепи при однополупериодном выпрямлении составляет лишь около 1/3 максимального. В связи с этим использование мощности источника переменного тока оказывается весьма низким.

Для более рационального использования источника электрической энергии, уменьшения пульсаций тока разработаны различные двухполупериодные схемы выпрямления. На рисунке 34, б показана схема выпрямления переменного тока, в которой используется трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам обмотки подключены вентили. Нагрузка Rн подключается ко вторым выводам вентилей и среднему выводу трансформатора. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток I1 проходит через вентиль В1, нагрузку Rн и возвращается к среднему выводу трансформатора. Вентиль В2 тока не пропускает. В течение отрицательных полупериодов ток I2, равный по величине току I1 проходит к нагрузке через вентиль В2. Таким образом, при обоих полупериодах изменения напряжения трансформатора через нагрузку проходит постоянный по направлению ток (рисунок 34, е). Отсюда следует и название выпрямительной схемы такого вида — двухполупериодная. При использовании одного и того же источника тока применение двухполупериодной схемы выпрямления взамен однополупериодной позволяет в два раза увеличить среднюю величину тока, проходящего по нагрузке.

Наибольшее практическое распространение на ПС получили мостовые схемы выпрямления переменного тока (рисунок 34, в). В этой схеме применены четыре вентиля. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток I1 проходит через вентиль В2, нагрузку Rн, вентиль В1 возвращается на минусовый зажим. При отрицательных полупериодах напряжения полярность изменяется и ток I2 проходит через вентиль B2, нагрузку Rн, вентиль В3 и т. д. Следовательно, мостовая схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление переменного тока (рисунок 34, е).

Рисунок 34 - Выпрямители однофазного тока: а — однополупериодный выпрямитель;

б — двухполупериодный выпрямитель с трансформатором; в — двухполупериодный выпрямитель с мостовой схемой включения вентилей; г — график напряжения источника тока;

д — график выпрямленного тока в однополупериодной схеме; е — то же, в двухполупериодной схеме

Подлежит выпрямлению и трехфазный ток.В схеме (рисунок 35) использовано шесть вентилей, образующих три группы. В каждой группе два вентиля соединяются последовательно. Концы вторичных обмоток трансформатора (или обмоток трехфазного генератора) подключаются к соединенным точкам каждой группы вентилей. Нагрузка соединяется со вторыми зажимами вентилей всех групп. В разбираемой схеме выпрямления каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает в течение одного периода изменения тока дважды.

Рисунок 35 - Выпрямитель трехфазного тока:

а - трехфазная мостовая выпрямительная схема; б - график напряжения источника тока; в - график выпрямленного тока в нагрузке

В качестве примера рассмотрим работу третьей фазы трансформатора. Если обратиться к развернутой диаграмме трехфазного тока (рисунок 35), то можно видеть, что в момент времени А напряжение первой фазы равно нулю, напряжение второй фазы имеет отрицательную величину, а напряжение третьей фазы положительную. Следовательно, напряжение третьей фазы алгебраически больше напряжения других фаз. Поэтому ток третьей фазы проходит выпрямитель 6, нагрузку Rн, вентиль 3, зажим К2, обмотку второй фазы и возвращается на зажим Н3. При отрицательном же полупериоде напряжения третьей фазы, например в момент времени В, когда напряжение второй фазы равно нулю, а первой — имеет положительное значение, питание нагрузки осуществляется первой фазой. Ток проходит от зажима К1 через вентиль 2, нагрузку Rн, вентиль 5, зажим К3 и обмотку третьей фазы, но уже в противоположном направлении по сравнению с моментом времени А. Пульсации выпрямленного напряжения в рассмотренной

схеме получаются весьма небольшими, и ток нагрузки становится почти постоянным по своей величине

Вопросы для самоконтроля:

1. Для чего предназначены выпрямители?

2. Какие схемы выпрямления существуют?

3. Из каких основных элементов состоит выпрямитель?

4. Какие бывают сглаживающие фильтры?

5. Как осуществляя проводимость в полупроводниках?

6. Какие полупроводниковые приборы вы знаете?

7. Как на схеме обозначаются полупроводниковые приборы?

Выпрямление переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель. Используется диод, подключенный последовательно нагрузке. При подключении выпрямителя к источнику переменного напряжения UBX в течение положительных полупериодов переменного напряжения диод VD оказывается включенным в прямом направлении, сопротивление его становится небольшим и через нагрузкуRH протекает ток, вызывающий на ней падение напряжения.В течение отрицательных полупериодов диод включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим, в результате чего ток, протекающий через диод и нагрузку, почти не протекает. Таким образом, благодаря полупроводниковому диоду через нагрузку протекает пульсирующий ток. Поскольку этот ток протекает лишь в положительные полупериоды, а при отрицательных полупериодах очень мал, такой выпрямитель называют однополупериодным.

Двухполупериодный выпрямитель.

Чаще всего двухполупериодный выпрямитель выполняют по мостовой схеме.При этом приходится использовать не два, а четыре диода. Когда на верхнем конце вторичной обмотки образуется положительный полупериод («+»), а на нижнем — отрицательный («—»),ток протекает через диоды VD2, VD3 и нагрузку.Диоды VD1 и VD4 при этом закрыты. В следующий полупериод переменного напряжения на верхнем конце вторичной обмотки создается отрицательное напряжение, а на нижнем — положительное, и ток протекает через диоды VD1, VD4 и нагрузку Rн, а диоды VD2 и VD3 закрыты.

Транзисторы.

Полупроводниковый прибор с двумя p – n переходами переводится с английского как управляемый резистор.

Применяют для усиления электрических сигналов, генерирования электрических колебаний и в качестве бесконтактного ключа.

В зависимости от расположения полупроводников бывают: p – n – р и n – р – n.

Принцип действия на основе транзистора p – n – р.

Левый слой р – области называется эмиттер, правый – коллектор, а средний база.

Если на эмиттер подать «+», а на коллектор «-», то по транзистору ток протекать почти не будет, так как второй p – n переход будет заперт, создавая большое сопротивление.

Если на базу подать дополнительный отрицательный потенциал, то дырки, впрыснутые в n – область через открытый первый p – n переход подхватятся «-» коллектора, втянутся в коллектор и по транзистору потечет большой ток.

Таким образом, небольшим по величине током базы можно управлять током коллектора. Если в цепь эмиттер – база включить источник слабых сигналов (микрофон), а в цепь эмиттер – коллектор нагрузку (динамики), то слабые сигналы, подаваемые на базу транзистора, будут усиливаться и подаваться на нагрузку.

Транзистор как ключ: база используется в качестве рубильника. При подаче на нее электрического сигнала, транзистор начинает пропускать ток.

Транзистор как усилитель: в отличии от ключа в этом режиме нужно подать такое напряжение на базу, чтобы транзистор не был открыт полностью. Это даст возможность регулировать ток транзистора при помощи незначительно меняющегося тока базы.

Тиристор.

Это полупроводниковый управляемый вентиль, имеющий три p – n перех

Тиристор - это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении.

Тиристор имеет три вывода, один из которых - управляющий электрод, можно сказать, "спусковой крючок" - используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:

тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;
тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия;
управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;
средний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.

Выпрямление переменного тока

Общие сведения о выпрямителях

Преобразователи, стабилизаторы напряжения и ряд других элементов не являются обязательными для всех источников питания. В зависимости от требований, предъявляемых к источникам питанию, эти узлы могут присутствовать в схеме, а могут и отсутствовать. Однако процесс выпрямления переменного напряжения будет присутствовать всегда, а значит будут присутствовать и связанные с ним проблемы сглаживания пульсаций напряжения. Эти две операции неразрывно связаны друг с другом и в конечном итоге определяют требования, предъявляемые к силовому трансформатору, а поэтому они являются основополагающими для всего дальнейшего процесса проектирования блока питания. Так как в блоке питания требуется выпрямлять синусоидальное напряжение, создаваемое на вторичных обмотках силового трансформатора, необходимо стремиться к максимальной эффективности использования трансформатора, поэтому следует рассматривать вариант только двухполупериодного выпрямления. Однополупериодное выпрямление не только менее эффективно (так как при этом используется только одна полуволна из полного периода синусоидального сигнала), но также возникает постоянная составляющая тока, протекающего в трансформаторе, а даже небольшие величины постоянного тока, протекающего в обмотках трансформатора, могут привести к намагничиванию и даже к насыщению его сердечника. При насыщении материала сердечника возникают дополнительные потери и поток рассеяния, который может индуцировать токи фоновых помех в ближайших к трансформатору цепях схемы. Более того, при насыщении сердечника, на элементах трансформатора может выделяться повышенная тепловая энергия, вплоть до разрушения его конструкции.

Выбор ламповых или полупроводниковых выпрямительных диодов

Существует две основные разновидности схем двухполупериодного выпрямления: выпрямитель, использующий отвод от средней точки обмотки трансформатора, и мостовая схема выпрямления (рис. 6.2).

Мостовая схема (часто называемая схемой Греца) выпрямления представляет стандартную современную топологию, так как она позволяет экономить на обмотке трансформатора (требуется вдвое меньше витков вторичной обмотки). Схема выпрямления, в которой используется обмотка трансформатора с отводом от среднего витка, считается традиционной в схемах ламповых выпрямителей, так как она позволяет экономить на количестве выпрямляющих элементов (которые всегда стоили недешево).

При рассмотрении схемы высоковольтного источника питания, для которого напряжение постоянного тока VDC не превышает 1 кВ, необходимо сделать выбор между использованием кремниевого полупроводникового диода или вакуумного термоэлектронного диода (кенотрона), например, такого, как GZ34. Ламповый выпрямительный диод не отличается высокой эффективностью работы. Дело заключается не только в том, что для него требуется источник питания подогревателей, но и в том, что на ламповых выпрямителях падение высоковольтного напряжения составляет десятки вольт, кроме этого возрастает выходное сопротивление источника питания. Они очень чувствительны в отношении пульсирующей составляющей постоянного тока (которая будет рассмотрена ниже), и, следовательно, с ними требуется применять сглаживающие конденсаторы с максимальной емкостью, которые будут подключаться параллельно их выводам. Более того, полное сопротивление, подключаемое последовательно в цепи каждого анода, должно превосходить минимальное значение, которое определяется следующим выражением:

Схемы двухполупериодного выпрямления

Рис. 6.2 Схемы двухполупериодного выпрямления

в которой Rs — сопротивление вторичной обмотки трансформатора; Rp — сопротивление первичной обмотки трансформатора; п — коэффициент трансформации, или отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков в первичной.

Хотя приводимые ниже в табл. 6.1 данные позволяют производить быстрое сравнение характеристик наиболее распространенных двойных выпрямительных ламповых диодов (двухполупериодных кенотронов), за получением более подробной информации необходимо будет обратиться к паспортным данным, представляемых производителями ламп.

Таблица 6.1
Тип лампы		Rseries, Ом (Vout = 300 В)	C(max), мкФ	Iheater,мА
EZ90/6X4	70	520	16	0,6
EZ80/6V4	90	215	50	0,6
EZ81/6CA4	150	190	50	1
GZ34/5AR4	250	75	60	1,9
GZ37	250	75	60*	2,8

Примечание. Компания Маллэрд (Mullard) не указала значение C(max) для лампового диода GZ37, но в силу того, что как для GZ34, так и для GZ37 амплитудные значения токов одинаковы, ia(pk) = 750 мА, то можно будет принять, что для диода GZ37величина C(max) = 60 мкФ.

Ламповые диоды GZ34, входящие в серию NOS и выпускаемые компанией Маллэрд (Mullard), представляют в настоящее время почти музейную редкость и поэтому очень дорогие, хотя некоторые из современных дамповых диодов GZ34, как сообщалось в печати, имеют очень неустойчивые параметры при высоких напряжениях, поэтому достаточно популярной заменой для данного лампового диода является весьма «прожорливая» в отношении потребляемых токов лампа NOS GZ37. Ламповые диоды с косвенным подогревом EZ80 и EZ81 дешевле и значительно доступнее, они являются идеальными для применения в схемах предусилителей или небольших монофонических усилителей мощности. Для не очень популярного лампового диода EZ90 приводимые паспортные характеристики не являются такими подробными, как это сделано для диода EZ80, но вполне возможно предположить, что он окажется даже дешевле.

Выпрямительные диоды с косвенным подогревом разработаны для питания от стандартного блока питания подогревателей катодов, который имеет напряжение 6,3 В и предназначен для приемо-усилительных ламп, однако, их особенностью является то, что напряжение между подогревателем и катодом Vgh может достигать значения примерно 300 В. Это предъявляет повышенные требования к качеству изоляции между катодом и подогревателем, при этом шумовые токи с катода выпрямительного диода поступают в общий заземленный источник питания подогревателей. Если условие низкого уровня шумов является определяющим, то можно как бы переложить возникающие сложности со столь чувствительной изоляцией катод-подогреватель на более выносливый силовой трансформатор, путем использования отдельной обмотки, предназначенной для цепи подогревателей катодов ламповых выпрямительных диодов и гальванически связанной с катодами.

Высоковакуумные ламповые выпрямители обладают одним единственным явным преимуществом перед кремниевыми диодами, но это преимущество может оказаться настолько важным, что позволит стерпеть все их недостатки. Время нарастания выходного напряжения (время, необходимое для изменения напряжения от значения 10% до значения, составляющего 90% номинального) при условии полной нагрузки составляет примерно 5 с, что сильно снижает величину противотока электролитических конденсаторов по сравнению с полупроводниковыми выпрямителями (рис. 6.3).

Ярые приверженцы высоковакуумных ламповых диодов указывают, что лампа включается и выключается более чисто по сравнению с кремниевым диодом, и это в итоге приводит к менее выраженным резонансным явлениям в источнике питания. Однако, по мнению автора, оба типа выпрямителей характеризуется пиками (выбросами) при переключении, и, в силу этого, особое значение приобретает необходимость использования сглаживающих и демпфирующих элементов. Если и наблюдаются некоторые преимущества при использовании ламповых выпрямительных диодов, то они, скорее всего, обязаны своим происхождением уменьшенным пульсирующим составляющим переменного тока (подробнее эта проблема будет рассмотрена ниже).

Плавное нарастание высоковольтного напряжения, питаемого от лампового выпрямителя EZ81 с током нагрузки 120 мА

Рис. 6.3 Плавное нарастание высоковольтного напряжения, питаемого от лампового выпрямителя EZ81 с током нагрузки 120 мА

Какая бы топологическая схема выпрямителя ни была бы выбрана, необходима уверенность, что она будет в состоянии оказывать противодействие возмущениям, оказываемым на нее окружающими цепями. При рассмотрении схемы выпрямителя, питающегося от сети переменного тока промышленной частоты, необходимо точно задавать максимально допустимые значения напряжений и токов. Однако, величина ни того, ни другого параметра не является строго однозначной, как это может показаться на первый взгляд (рис. 6.4).

На рис. 6.4 приведена схема выпрямителя, в которой использованы два кремниевых диода, включенных в плечи вторичной обмотки трансформатора, имеющей отвод от средней точки (обмотки 300-0-300 В). Напряжение холостого хода на накопительном конденсаторе составит 424 В постоянного тока (необходимо обратить внимание, что это напряжение значительно превышает то значение, которое было бы, если бы вместо кремниевых диодов использовались ламповые диоды: прямая замена кремниевых диодов на ламповые недопустима). Предельно допустимое напряжение диода, удовлетворяющее требованиям схемы, представляет максимально допустимое обратное напряжение, которое может быть многократно приложено к нему, VRPM. Иногда оно указывается как рабочее напряжение диода, (или, как сложилось исторически, максимальное или амплитудное обратное напряжение).

В табл. 6.2 сравниваются необходимые рабочие напряжения кремниевых диодов для мостовой схемы выпрямления и схемы с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Влияние конденсатора на величину выпрямленного напряжения

Рис. 6.4 Влияние конденсатора на величину выпрямленного напряжения

Таблица 6.2
Схема выпрямления	Отношение допустимого обратного напряжения диода к среднеквадратическому значению напряжения, VRPM/ VRMS	Количество диодов, включаемых последовательно в каждом плече схемы
С отводом от центрального витка обмотки трансформатора	2√2	1
Мостовая	√2	2

При выпрямлении высоких напряжений схема с отводом от центрального витка вторичной обмотки трансформатора имеет тот недостаток, что для нее требуется использовать полупроводниковые диоды, рассчитанные на удвоенные значения напряжения VRPM.Поэтому в схеме выпрямителя, в которой используется вторичная обмотка трансформатора с отводом от средней точки и напряжения 300-0-300 В необходимо будет использовать диоды, у которых VRRM > 849 В. Однако в выпрямителе, в котором будет использоваться только одна вторичная обмотка, рассчитанная на напряжение 300 В и мостовая схема выпрямления, может быть обеспечено точно такое же значение выходного напряжения, при этом необходимо использовать диоды, для которых напряжение VRPM > 424 В. Несмотря на это, очень удобными для применения оказываются выпрямители, в которых используются полупроводниковые диоды и трансформаторы с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора, предназначенные для работы с низкими напряжениями и высокими значениями токов, так как в этой схеме прямое падение напряжения на диодах схемы, V будет в два раза ниже аналогичного параметра, характерного для мостовой схемы выпрямления, поскольку за каждый полупериод выпрямляемого синусоидального напряжения, ток протекает только через один диод, а не через два, как в мостовой схеме.

Такие лаповые диоды, как GZ34, EZ81, EZ80 и т. д. предназначаются для использования в схемах выпрямления с отводом от средней точки, что подразумевает использование трансформатора, вторичная обмотка которого изготовлена с отводом от среднего витка. Однако совместное использование лампового и полупроводникового выпрямительных диодов позволяет обойти данную проблему, а также сохранить преимущество первых, связанное с плавным нарастанием выпрямленного тока (рис. 6.5).

Схема выпрямителя с комбинированным использованием лампового и полупроводниковых выпрямительных диодов

Рис. 6.5 Схема выпрямителя с комбинированным использованием лампового и полупроводниковых выпрямительных диодов

Когда выпрямленное напряжение с диодов поступает на накопительный конденсатор, импульсные токи в несколько раз превышают величину постоянного тока, протекающего в нагрузке. К счастью, современные кремниевые диоды разрабатываются таким образом, чтобы учесть это превышение пиковых значений тока, поэтому для двухполупериодной схемы выпрямления оказывается достаточным выбрать каждый диоде номинальным значением рабочего тока, равным половине постоянного тока, протекающего в нагрузке. (Это становится возможным потому, что через каждый диод в схеме двухполупериодного выпрямления ток протекает только в течение одной половины периода.)

Ртутные выпрямители

Ртутные выпрямители последнее время становятся все более модными, а их мягкий голубоватый разряд, возникающий в парах ртути, внешне выглядит очень привлекательно. Ртутные выпрямители очень хрупкие, а их пары ядовиты, поэтому они требуют к себе очень внимательного отношения, не допускающего как механических повреждений баллона лампы, так и превышения номинальных электрических нагрузок. Так как при работе такого выпрямителя используются пары ртути, то капли жидкого металла достаточно быстро осаждаются на внутренних стенках баллона лампы, поэтому при включении подогреватель должен, прежде всего, испарить некоторое количества металла, что требует в обязательном порядке вертикального положения баллона ртутного выпрямителя. Время, которое необходимо для предварительного прогрева катода перед тем, как будет приложено высоковольтное напряжение, приведено в табл. 6.3.

Таблица 6.3
Необходимое время предварительного прогрева лампы	Лампы производства компании Ediswan	Лампы производства компании Milliard
После длительного хранения или механических воздействий	Не менее 15 мин	Не менее 30 мин
При ежедневной эксплуатации	Не менее 60 с	Не менее 60 с

Для предотвращения обратной вспышки работа ртутных выпрямителей ограничивается диапазоном температур от 20 до 60 °С, хотя для ряда ртутных выпрямителей верхний предел температуры ограничивается значением 50 °С. Поэтому для таких выпрямителей может оказаться необходимым использовать электрический вентилятор, обеспечивающий дополнительный отвод горячего воздуха от близкорасположенных нагретых элементов схемы. В дополнение ко всему, выпрямитель типа 866 требует применения совместно с ним стабилизирующего нагрузочного резистора, подключенного параллельно выходным клеммам выпрямителя и отводящего примерно 10% от общего тока нагрузки.

Ртутные выпрямители характеризуются меньшим падением прямого напряжения (примерно 15 В) и значительно меньшим значением собственного сопротивления по сравнению с высоковакуумными ламповыми диодами и могут применяться при более высоких значениях рабочих напряжений и токов. Однако процесс их включения и выключения происходит значительно более резко по сравнению с другими типами ламповых выпрямительных диодов, поэтому они склонны вызывать дополнительные осцилляции (паразитные колебательные процессы), если их анодный провод не снабжен поглощающими ферритовыми шайбами или ВЧ дросселем, а в ряде случаев может потребоваться заключение дампы в металлический экранирующий кожух. Наиболее простым способом, позволяющим выявить влияние генерации, оказывается использование не осциллографа, а обычного радиоприемника, работающего в диапазоне УКВ-ЧМ, который необходимо перемещать рядом со схемой и прослушивать «жужжание» при его приближении к ламповым диодам. В ртутных выпрямителях как бы соединяются недостатки полупроводниковых и ламповых выпрямляющих диодов, когда объединяются требования, заставляющие использовать источник питания для цепи подогревателей, цепь задержки включения высоковольтного напряжения и демпфирующие устройства, чтобы добиться электрических характеристик ненамного лучших, чем для кремниевых диодов. Однако, следует отметить, что в ртутных выпрямителях отсутствует процесс накопления заряда, который вызывает превышение значения, или бросок, тока.

ВЧ шумы выпрямителей

При работе выпрямителя постоянно происходят переключения выпрямляющих элементов схемы с одного на другой. Следует учесть, что хотя нижеприведенные рассуждения относятся к случаю чисто омической нагрузки выпрямителя, полученные результаты также будут справедливы и для случая нагрузки, представленной накопительным конденсатором.

Как только амплитудное значение переменного входного напряжения при своем увеличении пройдет через нулевое значение, один или несколько выпрямляющих диодов перейдут во включенное состояние и будут оставаться включенными во время действия положительной полуволны, то есть пока амплитуда напряжения не снизится обратно до нулевого значения. После прохождения амплитуды через нулевое значение во время действия отрицательной полуволны напряжения включится второй диод, или несколько диодов, образующие второе плечо схемы выпрямителя. Для каждого диода необходимо минимальное значение прямого напряжения, при котором будет происходить его включение (даже если величина такого напряжения составляет всего 0,7 В, требуемого для включения кремниевого диода). Это означает, что существует своего рода мертвая зона, симметрично расположенная относительно нулевого значения напряжения, когда ни один диод из обоих плечей не будет проводить ток. Трансформатор, обладающей собственной индуктивностью, в такие моменты времени окажется отключенным и будет пытаться поддерживать протекание тока по цепи, однако это приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции, величина которой определяется выражением:

К счастью, в самом трансформаторе существует слишком большое количество паразитных емкостей, предотвращающих возрастание напряжения до слишком высоких значений. Однако, бывают и случаи, когда избыточное напряжение, приложенное к системе, может возбудить колебательный процесс, приводящий к появлению последовательности затухающих импульсов. Используя измерительную катушку, автор однажды зафиксировал выброс импульсов с частотой 200 кГц, возникающих в силовом трансформаторе именно по указанной выше причине. К счастью, указанная проблема решается достаточно простым шунтированием каждого отдельного диода пленочным конденсатором с емкостью 10 нФ, рабочее напряжение которого равняется рабочему напряжению VRRM диода.

next-sound.ru

Однофазные схемы выпрямления

Количество просмотров публикации Однофазные схемы выпрямления - 2351

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.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере простейшей однофазной однополупериодной (однотактной) схемы выпрямления. В этой схеме (рисунок 76) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение u2которой изменяется по синусоидальному закону. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля V1, имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод.

В результате напряжение u2оказывается приложенным к резистору Rd, через который начинает протекать ток нагрузки id.

Поскольку при активной нагрузке ток по фазе совпадает с напряжением, вентиль V1 будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение u2 не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды (интервал времени t1 – t2 на рис. 76) к вентилю V1 прикладывается все напряжение источника U2. Оно является для диода обратным, и он будет закрыт.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, на резисторе Rd будет пульсирующее напряжение udтолько одной полярности, ᴛ.ᴇ. выпрямленное напряжение, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ будет описываться положительными полуволнами напряжения u2 вторичной обмотки трансформатора Т. Ток в нагрузке id проходит в одном направлении, но имеет также пульсирующий характер и представляет собой выпрямленный ток.

Рисунок 76 - Однофазный однополупериодный выпрямитель:

схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

Выпрямленные напряжения udи ток id содержат постоянную (полезную) составляющую Ud, Id и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57.

Для однополупериодной схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя по отношению к соответствующим средним значениям на нагрузке.

Среднее за период значение выпрямленного напряжения при идеальных вентилях и трансформаторе

Ud = 0,45 U2

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле

Uобр.max = √2U2 = 3,14Ud

где U2 - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора Т

Среднее значение тока, протекающего через вентиль и нагрузку

Iв.ср= Id= Im/π,

где Im = Um/Rd - амплитуда тока цепи.

Действующее значение тока цепи

I2 = Im /2

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в однополупериодной схеме выпрямления среднее значение выпрямленного тока в π раз меньше его амплитуды, а действующее значение - в 2 раза меньше амплитуды тока.

Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется

Pd = UdId

Расчетную (типовую) мощность Sт трансформатора, определяющую его габариты, можно представить как полусумму расчетных мощностей первичной S1 = U1I1 и вторичной S2 = U2I2 обмоток, ᴛ.ᴇ.

Sт = (S1 + S2) /2 = 3,09Pd

Следовательно, расчетная мощность трансформатора, работающего на выпрямитель, больше мощности в нагрузке в 3,09 раза, так как во вторичной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий постоянную и переменные составляющие, а в первичной обмотке кроме тока основной частоты f1- токи высших гармоник. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощности, лишь нагревают обмотки трансформатора выпрямителя. Наличие во вторичной обмотке постоянной составляющей тока Id увеличивает степень насыщения магнитпровода трансформатора, что вызывает возрастание тока холостого хода, и как следствие этого возникает необходимость в завышении расчетной мощности трансформатора.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется формулой

I2 = 1,57Id

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

U2 = 2,22Ud

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации трансформатора n = U1/U2равно

I1 = I2/n

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.

Двухполупериодная однофазная схема со средней точкой

Схема (рис. 77) состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток. Коэффициент трансформации nопределяется отношением U1/U2,где U2 - напряжение каждой из вторичных обмоток (фазные напряжения), сдвинутые относительно друг друга на 180°.

Свободные концы вторичных обмоток а и Ь присоединяются к анодам вентилей V1 и V2, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка Rdвключается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом 0 трансформатора, который служит отрицательным полюсом.

Рисунок 77 - Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой:

схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформатора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений u2a и u2b.

Действительно, при изменении напряжения в точках а и b, в тот полупериод, когда напряжение в обмотке 0а положительно, ток проводит вентиль V1, анод которого положителен по отношению к катоду, связанному через резистор Rdс точкой 0 вторичных обмоток. Анод вентиля V2, так же как вывод b обмотки 0b, в данный полупериод (t0-t1) отрицателен по отношению к нулевому выводу 0 и, следовательно, тока не пропускает.

В следующий полупериод (интервал времени t1-t2 на рис. 77), когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток будет пропускать вентиль V2. Врезультате к нагрузке Rdбудет теперь приложено напряжение u2b, а ток id будет равен току iв2 вентиля V2. Вентиль V1 выключится, так как к нему будет приложено обратное напряжение. Спустя полупериод, начиная с момента времени t2, процесс повторяется: ток будет проводить вентиль V1, а вентиль V2 выключится и т.д.

Ток idв нагрузке все время течет в одном направлении - от катодов вентилей к нулевой точке 0 вторичных обмоток трансформатора, и на резисторе Rd появляется выпрямленное пульсирующее напряжение udсодержащее 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 = 0,9U2,

где U2 - действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке,

U2 = 1,11 Ud

Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

Id = Ud/Rd

Среднее значение тока через каждый вентиль в 2 раза меньше тока Id, проходящего через нагрузку, ᴛ.ᴇ.

Iв.ср = 0,5Id

Действующее значение тока вентиля Iв равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I2 и определяется формулой

I2 = 1,57 Iв.ср

Вентиль, не работающий в отрицательную часть периода, оказывается под воздействием обратного напряжения, равного двойному фазному напряжению 2U2. Максимальное значение обратного напряжения

Uобр.max = 2√2U2 = 3,14Ud

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации n,выраженное через ток Id,

I1 = √2 I2/n = 1.11 Id/n

Расчетные мощности обмоток трансформатора определяют по произведениям действующих значений токов и напряжений: S1 = U1I1 = 1,23 Pd и S2 = 2U2I2= 1,74Pd, а типовую мощность — как полусумму мощностей S1 и S2, ᴛ.ᴇ.

ST = (S1 + S2)/2 = 1,48Pd

Оценка качества выпрямленного напряжения производится посредством коэффициента пульсации, который представляет собой отношение амплитуды первой (основной) гармонической Ud1m, как наибольшей из всех остальных к среднему значению напряжения Udи определяется по формуле

q = Ud1m / Ud = 2/(m2 -1)

где m - число фаз выпрямления, ᴛ.ᴇ. число полуволн выпрямленного напряжения, приходящихся на один период переменного тока, питающего выпрямитель.

Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пульсации fn1 = 2fcпри частоте питающей сети fc = 50 Гц составляет 100 Гц. Подставляя в последнею формулу m = 2, определяем коэффициент пульсации: q = 0,67.

Однофазная мостовая схема

Состоит из трансформатора Т сдвумя обмотками и четырех диодов V1 - V4, соединенных по схеме моста (рисунок 78, а). К одной диагонали моста (точки 1,3) присоединяется вторичная обмотка, а в другую (точки 2, 4) включается нагрузка Rd. Общая точка катодов вентилей V1 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 u2соответствующая полярность которого обозначена без скобок, проводят ток вентили V1 и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили VI и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение uобр = u2.

Рисунок 78 - Однофазный мостовой выпрямитель:

а - схема включения; б и в — временные диаграммы

напряжений и токов на элементах схемы

Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 78, в) будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Ток idвнагрузке проходит все время в одном направлении — от соединенных катодов диодов VI и V2 к анодам диодов V3 и V4. Ток I2 во вторичной обмотке трансформатора (рисунок 78, б) 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 i1 в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.

Средние значения выпрямленного напряжения Udи тока Iв.ср через вентиль в этой схеме получаются такими же, как и в двухполупериодной схеме с нулевой точкой.

Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям, определяется напряжением U2вторичной обмотки трансформатора, так как не работающие в данный полупериод вентили оказываются присоединенными ко вторичной обмотке трансформатора Т через два других работающих вентиля, падением напряжения в которых можно пренебречь. Следовательно,

Uобр.max = √2U2 = 1,57Ud

Токи во вторичной и первичной обмотках трансформатора определяются по формулам

I2 = U2/Rd I1 = I2/n

Типовая мощность трансформатора

ST = 1,23Pd

На рисунке 79 также представлена однофазная мостовая схема, аналогичная рассмотренной. Чаще всего именно так изображается мостовое включение выпрямительных диодов.

Рисунок 79 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Сравним достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.

Однофазная нулевая схема:

1) Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мостовой.

2) Потери мощности в выпрямителе будут меньше, так как в нулевой схеме ток проходит через один вентиль, а в мостовой - последовательно через два.

Однофазная мостовая схема:

1) Амплитуда обратного напряжения на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.

2) Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки трансформатора при одинаковых значениях напряжения Ud

3) Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.

4) 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, в случае если напряжение сети U1 подходит по значению для получения крайне важно го напряжения Udи не требуется изоляции цепи выпрямленного тока от питающей сети.

10.3 Трёхфазные схемы выпрямления

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсаций и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом(или трехфазная нулевая)

К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т, три первичные обмотки которого бывают соединены в звезду или треугольник, вторичные обмотки - только в звезду (рисунок 80, а). Свободные концы а, Ь, с каждой из фаз вторичной обмотки присоединяются к анодам вентилей VI, V2, V3. Катоды вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки Rd, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора — отрицательным полюсом.

Рисунок 80 - Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а - схема соединения обмоток трансформатора и вентилей;

6 - г- диаграммы напряжений и токов на элементах

Из временной диаграммы на рисуноке 80 видно, что напряжения u2a,u2b,u2с сдвинуты по фазе на одну треть периода (Т/3или 120°) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Ток через вентиль, 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. 80, б). Выпрямленный ток idпроходит через нагрузку Rd непрерывно (рис. 80, в).

Напряжение udна 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 u2ф трансформатора Т.

Следовательно, анодный ток будет иметь форму прямоугольника с основанием Т/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды. На рисунке 80, г изображен ток фазы а, токи фаз б и с изображаются 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

Ud = 1,17U2ф,

где U2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Выпрямленное напряжение udсодержит постоянную составляющую Udи наложенную на нее переменную составляющую, имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

q = 2/(m2 -1) = 2/(32 -1) = 0,25

Обратное напряжение Uобр приложенное к неработающему вентилю, равно междуфазному (линейному) напряжению вторичных обмоток трансформатора, так как анод закрытого вентиля присоединен к одной из фаз, а катод через работающий вентиль присоединен к другой фазе вторичной обмотки Т. На рисунок 80, г показана кривая обратного напряжения Uобр между анодом и катодом вентиля V1.

Максимальное значение Uобр равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, ᴛ.ᴇ.

Uобр.max = √3 √2 U2ф = 2,09Ud

Каждый вентиль в данной схеме работает 1 раз за период в течение Т/3. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, ᴛ.ᴇ.

Iв.ср = (1 /3)Id

Действующее значение токов во вторичной обмотке I2 и вентиля Iв,д определяется формулой

I2 = Iв,д = √3Iв.ср = 0,585 Id

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в данной схеме токи вторичных обмоток имеют пульсирующий характер и содержат постоянные составляющие.

Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньше тока Id

Iв.ср = 0,33Id

При одинаковом числе фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора и одинаковых схемах соединения обмоток (звезда-звезда) действующее значение первичного фазного тока I1меньше приведенного значения вторичного фазного тока I2, так как в кривой тока первичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, которая не трансформируется, ᴛ.ᴇ.

I1 ≈ 1/n 0,47Id

Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным обмоткам трансформатора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает в стержнях сердечника поток Фо одного направления, значение которого составляет 20-25% основного магнитного потока Фв трансформатора и который изменяется с тройной частотой в соответствии с пульсацией анодного тока. Наличие потока однонаправленного или вынужденного подмагничивания Фо в сердечнике приводит к увеличению тока холостого хода, в результате чего сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают дополнительные тепловые потери. Помимо насыщения сердечника трансформатора такой поток приводит к значительному возрастанию падения напряжения в обмотках, что вызывает резкое уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения.

Устранить эти нежелательные явления можно либо увеличением сечения сердечника трансформатора, а следовательно, и типовой мощности трансформатора, либо уменьшением амплитуды основного потока Фв. При заданной мощности трансформатора это приводит к увеличению размеров магнитной системы и влечет за собой повышение не только массы стали, но и массы обмоток трансформатора, поскольку с повышением периметра сечения сердечника растет и средняя длина витка у обмоток.

Типовая мощность трансформатора при соединении вторичных обмоток в звезду

Sт = (S1 + S2) /2 = 1,35Pd

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. 81, а):

1) катодную, или нечетную (диоды V1, 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;

2) анодную, или четную (диоды V2, V4 и V6), в которой 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, ᴛ.ᴇ. 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. 81, 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, 6, в и г на рис. 81, 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 2π/3).

Рисунок 81 - Трехфазная мостовая схема выпрямителя:

а - схема соединения элементов; б - в-временные диаграммы напряжений и токов

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. 81, г и д). Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста͵ между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение u2л. К примеру, на интервале времени t1 – t2ток проводят вентили V1, V6, на интервале t2 - t3—вентили V1, V2, на интервале t3 – t4 - вентили V3, V2 и т.д. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3, или 120° (рис. 81, е), а интервал совместной работы двух вентилей равен π/3, или 60°. За период напряжения питания Т = 2πпроисходит 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. Через каждую фазу трансформатора ток i2 будет проходить в течение 2/3 периода: 1/3 периода - положительный и 1/3 - отрицательный. Ток idв нагрузке все время проходит в одном направлении. Контур тока нагрузки при открытых вентилях V1 и V6 показан на схеме (рис. 81, а) тонкой черной линией.

Выпрямленное напряжение ud в этой схеме описывается верхней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений (рис. 81, е). Частота пульсаций кривой ud равна 6f1,коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

q = 2/(m2 -1) = 2/(62 -1) = 0,25= 0,057

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле в трехфазной мостовой схеме равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора, ᴛ.ᴇ. Uo6p.max = √2 U2л = 1,05 Ud.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.

Напряжение на нагрузке по сравнению с трехфазной схемой с нулевым выводом получается вдвое большим. Это объясняется тем, что трехфазная мостовая схема выпрямителя представляет собой как бы две трехфазные схемы с нулевым выводом, выходы которых включены последовательно. Это сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

U2 = π/3√6 = 0,425Ud

Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньше тока Id

Iв.ср = 0,33Id

Токи во вторичной и первичной обмотках трансформатора определяются по формулам

I2 = Iв,д = √(2/3) = 0,585Id I1 = I2/n

Типовая мощность трансформатора

ST = π/3 Pd = 1,045Pd

referatwork.ru

Выпрямление переменного тока

Хотя, как мы уже указывали, в технике применяется преимущественно переменный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь постоянный ток. Такой ток необходим, например, для питания радиоприемных и радиопередающих устройств, телевизоров, для зарядки аккумуляторов, для электролитического получения металлов, для приведения в действие двигателей трамваев, троллейбусов и электропоездов и для многих других целей. Поэтому очень важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать переменный ток в постоянный, или, как принято говорить, выпрямлять его.

В основе действия всех устройств такого рода – выпрямителей – лежит применение так называемых электрических вентилей, т. е. приборов, которые пропускают ток в одном направлении и не пропускают его в противоположном направлении. С одним из таких вентилей мы уже знакомы. Это – двухэлектродная лампа с накаленным катодом (§ 106). Если мы включим такую лампу в сеть переменного тока последовательно с нагрузкой, для питания которой нам нужен постоянный ток (рис. 315), то ток будет проходить через цепь только в тот полупериод, когда накаленная нить будет катодом, а холодная пластинка – анодом. В следующий полупериод, когда холодная пластинка служит катодом, а раскаленная нить – анодом, ток проходить не может, потому что испускаемые нитью электроны не будут притягиваться полем к пластинке, а, наоборот, будут отталкиваться обратно к нити. Поэтому ток в нагрузке будет прямым, т. е. направление его меняться не будет. Форма такого пульсирующего прямого тока показана на рис. 316. Эта схема выпрямления переменного тока носит название однополупериодной.

Рис. 315. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 316. Форма тока при однополупериодном выпрямлении

Чтобы сгладить колебания силы тока в цепи, применяют более сложную, двухполупериодную, схему выпрямления, показанную на рис. 317. Здесь сетевое напряжение подводят к первичной обмотке трансформатора, а середину вторичной обмотки соединяют с отдельным зажимом. Ясно, что в течение одного полупериода зажим имеет относительно средней точки более высокий потенциал, т. е. является по отношению к ней плюсом, а точка – минусом. В течение следующего полупериода, наоборот, плюсом по отношению к средней точке будет точка , а минусом – точка .

Рис. 317. Схема двухполупериодного выпрямителя

Крайние точки трансформатора и присоединяют к анодам двух выпрямительных ламп, катоды которых соединены между собой и накаливаются отдельной батареей или отдельной понижающей обмоткой на трансформаторе. Нагрузка, как это видно из рис. 317, включается между средней точкой трансформатора и катодами обеих выпрямительных ламп. В течение того полупериода, когда точка положительна по отношению к точке , а точка – отрицательна, ток проходит только через первую лампу, а вторая заперта, т. е. не пропускает тока. В течение следующего полупериода лампы меняются ролями: первая лампа заперта, и ток проходит только через вторую. Направления этих токов отмечены на рис. 317 стрелками. Мы видим, что через нагрузку ток проходит в течение обоих полупериодов в одном и том же направлении. Форма этого тока показана на рис. 318 штриховой линией.

Рис. 318. Форма тока при двухполупериодном выпрямлении

Чтобы еще больше сгладить пульсации выпрямленного тока, применяют так называемые фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке. Этот конденсатор, показанный штриховой линией на рис. 315, заряжается в тот полупериод, когда через выпрямительную лампу проходит ток, и разряжается через приемник энергии в течение следующего полупериода, поддерживая в нем, таким образом, ток в течение всего периода.

Еще более совершенным является фильтр, состоящий из катушки с железным сердечником, обладающей большой индуктивностью, и двух конденсаторов. Катушка включается последовательно с приемником энергии, а конденсаторы – параллельно ему: один – перед катушкой, другой после нее (рис. 317). Э. д. с. самоиндукции в катушке противодействует изменениям тока. Она ослабляет его во время нарастания и поддерживает во время убывания. Форма сглаженного тока показана на рис. 318 сплошной ломаной линией.

Двухэлектродные вакуумные выпрямительные лампы с накаленными катодами называют кенотронами (§ 106). Они получили очень широкое распространение в радиоприемниках, телевизорах и других радиоустройствах.

Кенотроны могут пропускать через себя лишь сравнительно слабые токи, до нескольких десятков миллиампер. В тех случаях, когда нужно выпрямлять большие токи (до 50 А), вместо кенотронов применяют так называемые газотроны (рис. 319). Это тоже двухэлектродная лампа с накаленным катодом и металлическим или угольным анодом, но в отличие от кенотрона, внутри которого воздух по возможности полностью откачан, колба газотрона заполнена парами ртути или инертным газом. Электроны, вылетающие из накаленного катода, на своем пути к аноду ионизуют при соударениях атомы ртути. Появляющиеся при этом положительные ионы способствуют увеличению эмиссии с катода, так что ток через газотрон может быть значительно больше, чем через кенотрон.

Рис. 319. Газотрон: а) внешний вид; б) условное обозначение

Наконец, в тех случаях, когда требуется выпрямить токи очень больших мощностей (до 200 А при напряжении до 50 кВ), в качестве вентилей применяют так называемые ртутные выпрямители. Они представляют собой большие стеклянные или металлические колбы (рис. 320), в которых происходит дуговой разряд в парах ртути между катодом 1 (жидкая ртуть) и графитовыми электродами 2 и 3, впаянными в боковые отростки. Дополнительные электроды 4 и 5 включены в устройство, обеспечивающее работу выпрямителя при малых нагрузках. Ртуть в дополнительном отростке 6 служит для зажигания дуги. Дуга в колбе может гореть только тогда, когда жидкая ртуть является катодом. При этом на поверхности ртути образуется ярко светящееся пятно, представляющее собой нагретый участок ртути. С этого участка происходит усиленное испарение ртути, пары которой при высоком давлении заполняют всю колбу. Это же пятно является и источником электронов, которые движутся под действием электрического поля к тому из электродов 2 и 3, который в данное время положителен по отношению к ртути и другому аноду.

Рис. 320. Устройство ртутного выпрямителя

Такой выпрямитель включается по схеме двухполупериодного выпрямления, и дуга горит в течение одного полупериода между катодом 1 и анодом 2, а в течение другого – между катодом 1 и анодом 3. При этом в нагрузке ток идет все время в одном и том же направлении. Такими ртутными выпрямителями оборудованы, в частности, почти все подстанции, питающие электрические железные дороги, трамваи и троллейбусы.

Наряду с описанными электронными или газоразрядными выпрямителями в последнее время получили более широкое распространение твердые или полупроводниковые выпрямители, о которых было сказано в гл. IX. Их включают в выпрямительные устройства по тем же схемам одно- и двухполупериодиого выпрямления, как газотроны или кенотроны.

На чертежах полупроводниковые вентили принято обозначать условным знаком, изображенным на рис. 321. Направление острия указывает направление пропускания тока. Иными словами, устройство, обозначенное этим знаком, пропускает ток только тогда, когда электрод, изображенный треугольником, является анодом (плюсом), а электрод, изображаемый пластинкой, – катодом (минусом).