3. Однофазная мостовая схема выпрямления. Мостовая однофазная схема выпрямления

7.3 Однофазная мостовая схема выпрямления

Однофазная мостовая схема (рисунок 7.3) имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором резисторы заменены диодами. К одной из диагоналей этого моста подключается источник переменного напряжения (например, вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка. В данной схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1,RН,VD2, а на втором полупериоде – по цепиVD3,RН,VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

Рисунок 7.3 – Однофазная мостовая схема выпрямления

Временные диаграммы для мостовой схемы, изображённые на рисунке 7.4, подобны диаграммам выпрямителя с нулевой точкой. Разница лишь в том, что у мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит одновременно через два диода (например, VD1,VD2), потому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей.

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя

(7.13)

где U2─ действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Рисунок 7.4 – Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы выпрямления: u2– кривая входного переменного напряжения; iV1, iV2 – кривая тока диодов VD1 и VD2; uV1, uV2– напряжение на диодах VD1 и VD2; iV3, iV4 – кривая тока диодов VD3 и VD4; uV3, uV4 – напряжение на диодах VD3 и VD4; iн– кривая тока нагрузки; uн – кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на входе выпрямителя

. (7.14)

Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:

. (7.15)

Максимальное значение тока, протекающего через диод,

. (7.16)

Действующее значение тока диода

. (7.17)

Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

. (7.18)

Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

(7.19)

Напряжение на нагрузке состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. После разложения в ряд Фурье напряжение такой формы можно представить в виде

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2ω

следовательно, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

.(7.20)

Коэффициент трансформации трансформатора

. (7.21)

Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

. (7.22)

Достоинства рассмотренной схемы выпрямителя в том, что обратное напряжение на диодах здесь меньше, чем у схемы с нулевой точкой, лучше использование трансформатора по мощности, не требуется наличие трансформатора с двумя одинаковыми вторичными обмотками.

В качестве недостатков однофазной мостовой схемы можно отметить: большее количество диодов и протекание тока в каждом полупериоде по двум диодам одновременно. Последнее свойство схемы снижает ее КПД из-за повышенного падения напряжения на полупроводниковых структурах вентилей. Это особенно заметно у низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами.

Несмотря на отмеченные недостатки, мостовая схема широко применяется на практике в однофазных выпрямителях различной мощности.

studfiles.net

3. Однофазная мостовая схема выпрямления

Данная схема, как и предыдущая, позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя (рис. 3,а).

Рис. 3. Мостовая схема выпрямления (а), диаграммы напряжений

и токов в схеме (б)

В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки b — отрицателен, диоды VD1 VD3 будут открыты, а диоды VD2, VD4 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками (рис. 3, а).

Во второй полупериод, когда потенциал точки b становится положительным, а точки а — отрицательным, открываются диоды VD2, VD4, а диоды VD1, VD3 оказываются закрытыми и находятся под обратным напряжением.

В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном пунктирными стрелками. Как видно из рис. 3, а, направление токов i0, протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадает, т. е. в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средним выводом (двухфазной).

На рис. 3,б показаны графики выпрямленного напряжения и0 и выпрямленного тока i0. Так как падение напряжения на обмотках трансформатора и в диодах относительно малы, форма выпрямленного напряжения и0 повторяет форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора и2 и состоит из положительных полусинусоид напряжения и2. График выпрямленного тока i0 повторяет график напряжения и0

Как видно из схемы (рис. 3, а) токи i'2 и i''2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий ток i2 не содержит постоянной составляющей (рис. 3,а), поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным, а трансформатор работает в течение обоих полупериодов так, как если бы он был нагружен лишь на активное сопротивление.

Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение каждого полупериода напряжения u2, то для получения одинаковых выпрямленных напряжений и0 в данной схеме и в двухфазной достаточно, чтобы напряжение u2 мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обусловливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшее Uобр.и.п=U2m. Однако во вторичной обмотке протекает ток i2, действующее значение которого I2 больше, чем в половинах вторичной обмотки двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Недостатками схемы являются: увеличенное количество диодов, а также увеличенные потери в диодах, определяемые увеличенным внутренним сопротивлением (одновременно открыты два последовательно включенных диода ).

studfiles.net

6 Однофазная мостовая схема выпрямления

Данная схема, как я предыдущая, позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя (рисунок 6.1, а).

Рисунок 6.1 – Мостовая схема выпрямителя (а), диаграммы напряжений и токов (б)

В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки б — отрицателен, диоды VD1 VD3 будут открыты, а диоды VD2, VD4 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками (рисунок 6.1, а).

Во второй полупериод, когда потенциал точки б становится положительным, а точки а — отрицательным, открываются диоды VD2, VD4, а диоды VD1, VD3 оказываются закрытыми и находятся под обратным напряжением. В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном пунктирными стрелками. Как видно из рисунка 6.1, а, направление токов Iо, протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадает, т.е. в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средним выводом (двухфазной).

На рисунке 6.1,б показаны графики выпрямленного напряжения u0 и выпрямленного тока i0. Так как падение напряжения на обмотках трансформатора и в диодах принято равным нулю, то форма выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора u0, являясь огибающей положительных полусинусоид напряжения u2. График выпрямленного тока i0 соответствует графикам токов диодов и вторичной обмотки трансформатора и определяется соотношением

i0=u0/RH

Как видно из схемы (рисунок 6.1, а) токи i'2 и i''2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий ток i2 не содержит постоянной составляющей, поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным, а трансформатор работает в течение обоих полупериодов так, как если бы он был нагружен лишь на активное сопротивление.

Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение каждого полупериода напряжения u2 то для получения одинаковых выпрямленных напряжений u0 в данной схеме и в двухфазной достаточно, чтобы напряжение u2 мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обусловливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшее обратное напряжение

Uобр и п.=U2m.

Однако во вторичной обмотке протекает ток i2, действующее значение которого I2 больше, в полуобмотках двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Сравнивая мостовую схему с двухфазной (схема с выводом нулевой точки), можно отметить следующее: значения коэффициентов пульсации и частоты пульсации у этих схем одинаковые.

Достоинства мостовой схемы заключаются в следующем: размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток, число витков вторичной обмотки в два раза меньше, габаритная мощность трансформатора на 20 % меньше и проще его схема, так как не требуется делать вывод средней точки. К преимуществам данной схемы можно отнести также возможность ее работы без трансформатора и, если значение выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети, а цепь нагрузки не исключает электрической связи с сетью переменного тока, то схема выпрямления (диоды) может включаться непосредственно в сеть, т. е. точки а и б схемы (рисунок 6.1, а) присоединяются к сети переменного тока.

Недостатками схемы являются: увеличенная стоимость, определяемая наличием в ней четырех диодов, а также увеличенные потери напряжения и мощности в схеме, определяемые увеличенным внутренним сопротивлением (одновременно работают два диода схемы).

studfiles.net

Однофазная мостовая схема выпрямления | Онлайн журнал электрика

В однофазовой мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, при этом в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

Однофазовая мостовая схема выпрямления

Рис.1. Однофазовая мостовая схема выпрямления

Временные диаграммы для мостовой схемы, изображённы на рисунке 2.

У мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит сразу через два диодика (к примеру, VD1, VD2), поэтому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя

где U2 ─ действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Временные диаграммы работы однофазовой мостовой схемы выпрямления

Рис. 2. Временные диаграммы работы однофазовой мостовой схемы выпрямления: u2 – кривая входного переменного напряжения; iV1, iV2 – кривая тока диодов VD1 и VD2; uV1, uV2 – напряжение на диодиках VD1 и VD2; iV3, iV4 – кривая тока диодов VD3 и VD4; uV3, uV4 – напряжение на диодиках VD3 и VD4; iн – кривая тока нагрузки; uн – кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на входе выпрямителя

Среднее значение тока через диодик вдвое меньше среднего значения тока нагрузки Id:

Наибольшее значение тока, протекающего через диодик

Действующее значение тока диодика

Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

Наибольшее оборотное напряжение на диодике в непроводящую часть периода

Напряжение на нагрузке состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, последующих одна за другой. После разложения в ряд Фурье напряжение таковой формы можно представить в виде

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2ω

как следует, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Коэффициент трансформации трансформатора

Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

В качестве недочетов однофазовой мостовой схемы можно отметить: большее количество диодов и протекание тока в каждом полупериоде по двум диодикам сразу. Последнее свойство однофазовых мостовых выпрямителей понижает их КПД из-за завышенного падения напряжения на полупроводниковых структурах вентилей. Это в особенности приметно у низковольтных выпрямителей, работающих с большенными токами.

Невзирая на отмеченные недочеты, мостовая схема выпрямления обширно применяется на практике в однофазовых выпрямителях различной мощности.

Школа для электрика

elektrica.info

Однофазная мостовая схема выпрямления

Неуправляемая однофазная схема выпрямления представляет собой мост, в плечи которого включены вентили, а в диагональ моста - нагрузка (рис. 3.3). Рассмотрим сначала работу системы выпрямления на активную нагрузку.

На интервале времени напряжение источника является прямым по отношению к диодам В1 и В4. Они открываются и пропускают ток в нагрузку Rd по цепи: вторичная обмотка источника - В1 – Rd – В4 (рис. 3.3, а,б).

Вентили В2 и В3 на этом интервале времени будут закрыты, т.к. напряжение источника по отношению к ним будет обратным. При мгновенное значение напряжения источника и ток в цепи спадают до нуля, вентили В1 и В4 закрываются, а вентили В2 и В3 открываются, поскольку потенциал точки в становится положительным по отношению к потенциалу точки а. На интервале ток в нагрузку будет протекать по цепи: вторичная обмотка источника – В3 – Rd – В2.

Таким образом, в нагрузке будет протекать постоянный пульсирующий ток . При активной нагрузке ток повторяют форму напряжения (рис. 3.3, в). С учетом (3.3) и (3.6) средние значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока на интервале повторяемости :

, (3.10)

. (3.11)

Амплитуда обратного напряжения на вентилях при мостовой схеме выпрямления определится амплитудой фазного напряжения, т.к. к каждому непроводящему плечу моста приложено фазное напряжение источника (рис. 3.3, г)

. (3.12)

Коэффициент схемы , а мощность на активной нагрузке с учетом (3.7):

т.е. в два раза больше, чем при однополупериодной схеме выпрямления (см. 3.8).

Максимальное значение тока, проходящего по вентилям в соответствии с (3.11):

. (3.13)

Среднее значение тока вентиля равно половине тока нагрузки, т.к. каждый вентиль проводит ток в течение полупериода:

В управляемой однофазной схеме выпрямления в плечах моста установлены тиристоры (рис. 3.4, а) /2/. На каждом полупериоде напряжение к нагрузке будет приложено на интервале . Поэтому среднее значение напряжения при активной нагрузке определиться как

(3.14)

Соответственно среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке будет равно:

. (3.15)

При работе управляемой схемы выпрямления значение может меняться, поэтому параметры элементов схемы целесообразно рассчитывать на напряжение и ток при , т.е. по зависимостям (3.12) и (3.13).

Наличие индуктивности Ld в нагрузке меняет характер изменения токов и напряжений.

Ели индуктивность очень велика, т.е. можно считать, что , выпрямленный ток непрерывен и идеально сглажен, т.е. не имеет пульсаций (рис. 3.4.г). Отсюда следует, что даже при снижении напряжения до нуля на проводящих вентилях, через них будет протекать ток за счет энергии, запасенной в индуктивности (рис. 3.4.в). Эти вентили будут пропускать ток до тех пор, пока не откроются два другие вентиля (после подачи на них управляющих импульсов) и ток вытеснится в них. Таким образом, несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили через после смены полярности напряжения, длительность протекания тока через каждый диод составляет Т/2.

Среднее значение выпрямленного напряжения является его постоянной составляющей и выделяется на (см. § 3.7), а переменная составляющая выделяется на . Сдвиг тока относительно напряжения на приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков. что вызывает снижение его среднего значения Ud (рис. 3.4.г). Очевидно, что с увеличением площадь отрицательных участков напряжения увеличивается, а среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается:

(3.16)

Согласно (3.16) Ud становится равным нулю при , когда площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая напряжения отсутствует.

Максимальное значение обратного напряжения на тиристорах

- максимальное значение токов через тиристоры

- среднее значение тока вентиля равно току нагрузки

При в соответствии с (3.16) постоянная составляющая напряжения становится отрицательной, т.е. прикладывается к нагрузке в обратном направлении (рис. 3.6). Это свойство симметричных мостов используется для увеличения скорости затухания тока короткого замыкания в нагрузке при аварийных режимах.

Зависимость называется регулировочной характеристикой выпрямителя; она показывает изменение постоянной составляющей напряжения в зависимости от угла управления тиристорами. Регулировочная характеристика однофазной мостовой схемы выпрямления приведена на рис. 3.5.

Если рассмотреть цепь, где энергии запасенной в индуктивности недостаточно для протекания в нагрузке непрерывного тока, то проводящие вентили закроются раньше, чем будут поданы отпирающие импульсы на другие два вентиля (рис. 3.7). За счет энергии, запасенной в индуктивности ток будет продолжать протекать через открытые вентили на протяжении угла γ после того, как напряжение uав станет для них отрицательным (рис. 3.7, б). Чем больше значение электрической постоянной времени цепи - , тем больше будет угол γ. При этом форма выпрямленного тока значительно искажается по отношению к форме напряжения и имеет прерывистый характер (режим работы с прерывистым выпрямленным токам). Сдвиг тока относительно напряжения на приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения. При такой нагрузке выпрямленные значения напряжения и тока нагрузки будут меняться в зависимости от и (рис 3.7, в).

Регулировочные характеристики данной схемы выпрямления зависят от отношения и соответствуют приведенным на рис. 3.5.

infopedia.su

Каталог товаров