ЭМПС / Лекции ЭМПС / Однофазные выпрямители. Однофазный мостовой выпрямитель схема

Однофазные выпрямители

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный УВ с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Схема (рис. 1) отличается от схемы неуправляемого выпрямителя только тем, что вместо неуправляемых вентилей здесь используются управляемые (обычные тиристоры) с соответствующей схемой управления.

Рис. 1. Однофазный управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу схемы на чисто активную нагрузку: S1 замкнут, S2 разомкнут. Если на входе выпрямителя имеет место положительная полуволна напряжения сети (на рис. 1 полярности напряжения без скобок), то в интервале 0...t1 (рис. 2, а) оба тиристора VD1 и VD2 закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. Тиристор VD1 находится под прямым напряжением, a VD2 - под обратным (рис. 2, д).

В момент времени t1 от схемы управления СУ на тиристор VD1 поступает управляющий импульс, тиристор скачком открывается, напряжение на нем падает до нуля (прямым падением напряжения на тиристоре в большинстве случаев можно пренебречь, так как ) и все напряжение половины вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. Естественно, ток в активной нагрузке будет меняться до конца полупериода пропорционально напряжению.

Рис. 2. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на активную нагрузку

В момент времени напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора падают до нуля иVD1 закрывается. Так как никаких специальных мер для запирания тиристора не принимается, такой процесс называется естественной коммутацией.

В момент t2 подается отпирающий импульс на тиристор VD2. Он включается, и в нагрузке формируется такой же сигнал, как и при включении VD1. Таким образом, через нагрузку будет протекать ток, форма которого показана на рис. 2, г, а среднее значение напряжения определяется заштрихованными площадками. Очевидно, что чем раньше в полупериоде будет подан управляющий сигнал, тем больше будет среднее значение тока и напряжения в нагрузке, и наоборот.

Если угол управления , режим работы УВ не отличается от работы неуправляемого выпрямителя и

Это максимальное значение . Прикак видно из диаграммы (рис. 2),.

Зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Так как

то,

где (для).

На рис. 3 приведена регулировочная характеристика однофазного УВ для L = 0. Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме (с учетом коэффициента трансформации) ток во вторичной обмотке и, если , имеет паузы в интервалах. Его первая гармоника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительноU1 даже при активной нагрузке.

Рис 3. Регулировочная характеристика однофазного УВ при работе на активную и индуктивную нагрузку

Прямое напряжение на тиристоре изменяется по закону U2 до момента отпирания_тиристора, и максимальное значение может достигнуть . Обратное напряжение запертого тиристора (см. рис. 2, д) меняется по такому же закону до момента отпирания второго, а затем к первому прикладывается обратное напряжение обеих половин вторичной обмотки, и максимальное значение может достичь величины

Итак, характерными качествами УВ, работающего на активную нагрузку, являются предельный угол регулирования и индуктивный характер первичного тока при.

Индуктивная нагрузка УВ (на рис. 1 S1 и S2 разомкнуты) вносит существенные отличия в его работу. Так, если принять индуктивность достаточно большой (), то ток нагрузки можно (при данном) считать постоянным, практически полностью сглаженным (рис. 4, в), а ток, протекающий по вторичным обмоткам и через вентили, состоящим из прямоугольных отрезков (рис. 4, г), амплитуда которых равнаId.

Рис. 4. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

Так как включение очередного тиристора, например VD2, происходит с запаздыванием на угол а по отношению к моменту перехода вторичного напряжения через нуль, а ток через работающий вентиль должен протекать до тех пор, пока не включится VD2, то возникают интервалы времени, когда ток (под действием электромагнитной энергии, запасенной в дросселе) протекает при отрицательном напряжении на обмотке, т.е. в кривой напряжения Ud(рис. 4, б) появляются участки напряжения отрицательной полярности. Иначе говоря, среднее значение напряжения Ud при данном будет меньше. Приплощади фигур, описываемые кривойUd, положительной и отрицательной полярности будут одинаковыми, т. е. Ud будет равно нулю. Регулировочная характеристика УВ будет описываться выражением

откуда ,(рис. 3).

Потребляемый от сети ток i1 состоит из прямоугольных импульсов с амплитудой (- коэффициент трансформации), его первая гармоника сдвинута в сторону отставания на уголотносительно напряжения питания (рис. 4, а).

Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения, равного , т. е. сумме напряжения на обеих обмотках. Так как один тиристор постоянно включен, максимальное обратное напряжение (для), как и максимальное прямое (для), равно.

При работе УВ данного вида на активно-индуктивную нагрузку при меньших значениях индуктивности () первичный и вторичный токи будут иметь вид отрезков, близких к синусоиде, но ток будет достигать нулевого значения при угле, большем, но меньшем(при определенных соотношенияхи), т. е. токid будет прерывистым, форма Ud - промежуточной между рассмотренными выше, а регулировочная характеристика для такой нагрузки будет располагаться между характеристиками для L = 0 и L =.

Как было уже упомянуто, первая гармоника входного тока будет отставать от входного напряжения даже при активной нагрузке, а при индуктивной и больших углах регулированиястановится очень низким. Это приводит к потреблению от сети значительной реактивной мощности, увеличению потерь в обмотках и сети, дополнительной загрузке генератора и т. д. Несколько ослабить отрицательные последствия этого явления можно, применив так называемый нулевой диодVD0, для чего необходимо включить S2 (см. рис. 1). Следует иметь в виду, что применение VD0 имеет смысл только при индуктивной нагрузке.

Диаграмма работы такой схемы приведена на рис. 5. При положительном полупериоде вторичного напряжения ток через W1 протекает с момента включения VD1, но как только напряжение U2 спадает до нуля, тиристор VD1 запирается, а контур тока замыкается через VD0 (L-VD0-Rн), т.е. вторичная обмотка не работает. Этот режим продолжается до момента включения VD2, затем ток с VD0 переходит на VD2 и процесс повторяется. Кривые напряжения на тиристоре аналогичны кривым при работе данной схемы на чисто активную нагрузку (см. рис. 2). Так как в кривой тока вторичных обмоток появляются паузы (пока ток нагрузки протекает через нулевой диод), то точно такую же форму с учетом коэффициента трансформации будет иметь и ток i1. Следовательно первая гармоника входного тока будет теперь сдвинута по отношению к U1 на угол (вместо), т. е.схемы будет теперь выше ().

Рис. 10.5. Диаграмма работы однофазного УВ с нулевым диодом

Регулировочная характеристика УВ с нулевым диодом совпадает с характеристикой схемы для активной нагрузки, т. е.

Таким образом, применение нулевого диода позволяет уменьшить нагрузку на тиристоры (в особенности при больших ) и поднятьвыпрямителя.

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

Такая схема (рис. 6) включает четыре тиристора; вторичная обмотка не имеет отвода от средней точки, схема управления должна обеспечивать одновременное открытие двух тиристоров, расположенных в противоположных плечах моста. Диаграмма работы схемы на активную нагрузку приведена на рис. 7, на активно-индуктивную и индуктивную - на рис. 8.

Рис. 6. Однофазный мостовой УВ

Рис. 7. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активную нагрузку

Рис. 8. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активно-индуктивную нагрузку

Режим работы и регулировочные характеристики мостового УВ с полным числом управляемых вентилей аналогичны таковым для УВ с нулевым выводом. Но есть одно отличие: для нулевой схемы кривая напряжения на вентилях формируется из участков синусоиды амплитудой ,a для мостовой схемы - , т. е. вентили можно выбирать на вдвое меньшее обратное напряжение. Правда, потери на прямое падение напряжения у мостовой схемы вдвое больше. Все остальные характеристики указанных схем и диаграмма работы идентичны.

В некоторых случаях возможно применение мостового УВ с неполным числом управляемых вентилей, например, если в схеме (см. рис. 6) оставить VD1 и VD3 управляемыми (тиристоры), а в качестве VD2 и VD4 поставить неуправляемые диоды. Режим работы схемы будет аналогичен рассмотренному режиму схемы УВ с нулевым выводом и VDO. Если , т.е.id идеально сглажен, то схема работает следующим образом (см. рис. 5). С задержкой управляющим сигналом отпирается тиристорVD1, на интервале ток нагрузки протекает через обмотку, вентилиVD1 и VD2 и Zн. В момент полярность напряженияU2 меняется на обратную, диод VD2 запирается, но, так как ток прекратиться не может (), то он протекает через тот же тиристорVD1 и открывшийся диод VD4, цепь нагрузки закорочена, источником питания является индуктивность, трансформатор не работает. В момент времени отпирается тиристорVD3, тогда VD1 сразу же закрывается, так как к нему прикладывается обратное напряжение, и работает вторая цепь схемы W-VD3-RdL-VD4. Далее процесс повторяется.

Таким образом, на интервале, равном углу регулирования , тока через вторичную, а следовательно первичную обмотку, нет, угол сдвига первой гармоники входного тока, в кривойUdотсутствуют участки напряжения U2 отрицательной полярности.

Возможно использование и несколько иной схемы: управляемые вентили VD1 и VD4, а неуправляемые - VD2 и VD3. Характер работы схемы сохранится, только изменятся интервалы проводящих состояний вентилей.

Как указывалось выше, однофазные выпрямители в силовой технике практически не применяются, поэтому далее будут рассмотрены трех- и шестифазные схемы, однако к однофазным придется еще неоднократно возвращаться для пояснения ряда эффектов, возникающих в управляемых выпрямителях.

studfiles.net

Неуправляемые выпрямители

При рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку - чисто активной.

Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель

Схема 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. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале от 0 до  фазное напряжение (U2) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U2 проходит в нагрузку. В момент смены полярности U2 происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

высокое значение коэффициента выпрямления К0, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение Кп) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.
по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:

- т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.

, где Рmp– габаритная мощность трансформатора.

Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики токов и напряжений в различных точках схемы.

На интервале времени [0;] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент  происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом, через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К0,Кп) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношениядля схемы выпрямителя:

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для Pmр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток Iа протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя Kтр = 1,23, что используется в уравнение для Pтр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем

studfiles.net

Однофазный мостовой выпрямитель

На рис. 2.2 диоды VD1 – VD4 включены по схеме моста. При положительной полуволне приложенного напряжения u2 ток проходит по цепи - диод VD1→сопротивление нагрузки RН→диод VD3. Мгновенное значение тока равно ia1=i0=ia3. Диоды VD2 и VD4 в этот полупериод закрыты, так как к ним приложено обратное напряжение.

В отрицательный полупериод напряжения u2 ток будет проходить по цепи: диод VD2→сопротивление нагрузки RН→ диод VD4. При этом направление тока в сопротивлении RН будет таким же, как и в предыдущем полупериоде.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке с учетом

Коэффициент схемы

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

а)

uд1

uд3

Uосн m

б)

Рис. 2.2

а - схема; б- временные диаграммы токов и напряжений на его элементах

Среднее значение тока через диод

Максимальное значение обратного напряжения на диоде

Среднее значение тока диода

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Частота основной гармоники пульсаций , где- частота напряжения сети.

Типовая мощность трансформатора .

Преимущества однофазного мостового схемы выпрямления: уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения; лучшее использование трансформатора из-за отсутствия подмагничивания сердечника выпрямленным током .

Трехфазный мостовой выпрямитель

Наиболее распространенной схемой выпрямления трехфазного тока является мостовая схема (рис. 2.3, а). Схема выпрямления включает 6 диодов: диоды VD1, VD3, VD5 с общим соединением катодов образуют катодную группу, а диоды VD2, VD4, VD6 c общим соединением анодов образуют анодную группу.

В определенные интервалы времени ток проходит во внешнюю цепь нагрузки через два диода – один в катодной группе, другой - в анодной. При этом ток проходит через тот диод катодной группы, у которого наибольший положительный потенциал на аноде по отношению к общей точке (точка соединения фаз вторичной обмотки трансформатора) (рис. 2.3, б). В анодной группе ток проходит через диод, у которого наибольший отрицательный потенциал катода.

u2a

u2b

u2c

u2a

u2b

u2c

б)

в)

г)

д)

е)

uд

а)

Рис. 2.3

Проследим работу диодов по диаграммам (рис. 2.3, б, г, д). В интервале времени t1-t2 ток проходит через диоды VD1 и VD6 по цепи: диод VD1→резистор RH→диод VD6, в интервале t2-t3 - через диоды VD1 и VD2 по цепи: диод VD1→резистор RH→диодVD2 и т.д. Диоды работают попарно. Переход тока из одного диода в другой происходит в точках пересечения синусоид напряжений. Направление тока в резисторе RH остается неизменным.

Напряжение u0 на нагрузочном резисторе RH в интервале времени t2-t3 определим из уравнения электрического состояния контура, включающего: фазы а и с вторичной обмотки трансформатора, диоды VD1, VD2, резистор RH: , гдеu2а, u2с - фазные напряжения.

Полусинусоида напряжения u0, полученная в интервале t1-t4 на рис. 2.3, в, обозначена пунктиром. Выпрямленное напряжение u0 формируется из линейных напряжений, указанных на рис. 2.3, б в интервале времени t2-t1; t3-t2; t4-t3 и т.д.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Коэффициент схемы КС=2,34.

Для получения требуемой величины U0 действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2Ф должно быть в 2,34 раза меньше U0, что значительно уменьшает размеры и массу трансформатора.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения (рис. 2.2,в) .

Каждый из диодов работает на протяжении 1/3 периода (рис. 2.3, г, д). Поэтому среднее значение тока диода

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению линейного напряжения:

Кривая обратного напряжения на диоде VD1 показана на рис. 2.3, е.

Типовая мощность трансформатора .

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения KПО=5,7%.

Преимущества трехфазной мостовой схемы выпрямления:

- большое среднее значение выпрямленного напряжения по отношению к фазному напряжению вторичной обмотки трансформатора;

- хорошее использование мощности трансформатора;

- незначительные пульсации выпрямленного напряжения.

studfiles.net

2.1.3. Однофазный управляемый мостовой выпрямитель

Коммутационные процессы в однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.6) подобны процессам в однофазной схеме с нулевой точкой. Особенность заключается в том, что на этапе коммутации в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре вентиля. На схеме показан контур коммутации при отпирании тиристоровVS1 и VS2 и запирании тиристоров VS3 и VS4.

Рис. 2.6. Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя

Для тока коммутации и его свободной и принужденной составляющих действительны соотношения (2.10) – (2.12), полученные для схемы с нулевой точкой. Отличие связано с тем, что в мостовой схеме непосредственно в коммутации каждого из тиристоров участвуют соответствующие составляющие коммутационного токаи(рис. 2.6). При равенстве этих составляющих процесс коммутации (переход тока с одной пары тиристоров на другую) заканчивается при. При этом токубудет соответствовать значение 2Id . На основании указанного правую часть выражения (2.13) необходимо умножить на 2

(2.19)

Следовательно, уравнение внешних характеристик мостовой схемы записывается в виде

. (2.20)

По аналогии с однофазной нулевой схемой фазовый сдвиг между первой гармоникой тока в первичной обмотке по отношению определяется величиной

2.2. Трехфазные управляемые выпрямители

2.2.1. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Трехфазная управляемая схема с нулевым выводом приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Так же как и в неуправляемых выпрямителях, индуктивности обмоток трансформатора представлены в виде включенных в цепи вторичных обмоток анодных сопротивлений Xa . Предполагается активно-индуктивная нагрузка. При рассмотрении режима работы также, как и в разделе 1.2, обобщаются аналитические зависимости на m-фазную систему с тем, чтобы подставляя затем в результирующие формулы частные значения m=3 и m=6, получить зависимости для трехфазной и шестифазной схем с нулевым выводом.

Угол управления  отсчитывается вправо от точки естественной коммутации и находится в пределах до максимума синусоиды вторичного напряжения, как показано на рис. 2.7, б., на угол . Продолжительность работы вентилей зависит от отношения индуктивных сопротивлений в катодной и анодной цепях Xd и Xa к активному сопротивлению нагрузки Rd . На рис. 2.7, в. показан график анодного тока для случая Xd=0 . Выпрямленный ток при этом угле  в этом случае получается прерывистым. Ток остается так же прерывистым если Xd и Xa имеют малое значение (пунктирные кривые на том же рисунке 2.7, в). На рис. 2.7, г. показан режим начально-непрерывный (граничный режим). Здесь уже нет разрывов в кривой тока, но нет и перекрытия кривых анодных токов (угол коммутации =0). Режиму непрерывного тока с конечным значением угла коммутации соответствуют диаграммы анодных токов на рис. 2.7, д.

С переходом к режиму непрерывного тока, пока углы коммутации очень малы, среднее значение анодного и выпрямленного токов становятся зависимыми через угол коммутации  от соотношения катодного Xd и анодного Xa .

С переходом к начально-непрерывному току, когда время протекания тока через вентиль  становится равным , среднее значение выпрямленного напряжения независимо от соотношения индуктивных и активных сопротивлений в преобразовательном контуре определяется интегралом

(2.21)

Далее, при рассмотрении m –фазной схемы на активно-индуктивную нагрузку, ограничимся режимом, когда Xd =.

Схема замещения для коммутирующего узла при участии в коммутации тока только двух анодов приведена на рис.2.8, а.

Рис. 2.8. Процесс коммутации многофазного управляемого выпрямителя

До начала коммутации тока замкнут ключ VS1 и по преобразовательному контуру будет протекать ток . В момент замыкания ключаVS2 начинается коммутация тока во внутреннем контуре, включающем две анодные цепи. Внутренний ток короткого замыканиябудет таким же, как и у неуправляемого выпрямителя.

Принужденная составляющая определяется по аналогии для неуправляемого выпрямителя (1.105)

. (2.22)

Свободная составляющая соответствует (рис. 2.8, г) ординате косинусоиды при углеt =

. (2.23)

Суммируя алгебраически (2.22) и (2.23), получаем выражение для тока в первый коммутационный для данного вентиля период

. 2.24)

Аналитическую связь между и  получим после подстановки в (2.24) вместо ωt угол  и ток Id вместо

(2.25)

Графически угол  определяется по отрезку на оси абсцисс, соответствующей дуге косинусоиды, крайние ординаты которой определяются, как это видно из рис. 2.8, г, и, а высота равнаId . При графическом определении угла  наглядно видно, как меняется угол коммутации  при неизменном токе Id по мере увеличения  от нуля до 90˚. Уменьшение угла  с ростом угла  объясняется возрастанием мгновенных значений междуфазного напряжения, участвующего в процессе коммутации тока. По выделенному жирной линией участку косинусоиды построена на рис. 2.9,в кривая анодного тока в первый период коммутации в вентилеVS2.

Рис. 2.9. Линейные диаграммы трехфазного управляемого выпрямителя

studfiles.net

Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления

Мостовая схема (рис. 1.3) состоит из трансформатора и четырех диодов VD1 – VD4. Переменное напряжение u2ф подводится к одной диагонали моста, а нагрузка rВ, LВ подключается к другой его диагонали. Диоды VD1, VD2 образуют катодную группу, VD3 – VD4 – анодную. Предполагаем вначале, что нагрузка выпрямителя носит активный характер (см. рис. 1.3, ключ К замкнут).

В положительный полупериод (0 – θ1) напряжения u2ф верхний конец обмотки трансформатора имеет положительную полярность, а нижний – отрицательную (без скобок). В соответствии с этим открываются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 запираются. Ток проходит по пути «а – VD1 – rВ – VD3 – б». В результате, к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения u2ф. В следующий полупериод θ1 – θ2 (см. рис. 1.1, б) полярность напряжения изменяется (см. рис. 1.3, полярность в скобках). При этом диоды VD1, VD3 запираются, а диоды VD2, VD4 оказываются открытыми, и ток нагрузки замыкается по контуру «б – VD2 – rВ – VD4 – а». Направление тока через нагрузку rВ осталось таким же, как и в предыдущий полупериод. Нужно заметить, что ток протекает всегда по двум последовательно соединенным диодам. Следовательно, падение напряжения в диодах в мостовой схеме в два раз выше, чем в нулевой.

Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период в противоположных направлениях, поэтому вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током отсутствует.

Из изложенного принципа работы следует, что точка соединения катодов имеет положительный потенциал выпрямленного напряжения, а точка соединения анодов – отрицательный. Включение индуктивности LВ в цепь нагрузки (см. рис. 1.3, ключ К разомкнут) приводит к изменению формы и расчетных величин токов. Кривые напряжений и токов в мостовой схеме при различном характере нагрузки имеют такой же вид, как в нулевой схеме (см. рис. 1.1, б – д). В отличие от нулевой схемы (см. рис. 1.1, а) действующие значения тока I2 вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме для активной и индуктивной нагрузки соответственно равны:

В связи с этим изменяются расчетные значения мощностей S1, S2, SТ Параметры, характеризующие работу мостовой схемы, приведены в таблице 1.1.

В мостовой схеме, возможно одновременно получить два значения выпрямленного напряжения: Ud и Ud/2, если вывести среднюю точку трансформатора (рис. 1.3). Проводя сравнительный анализ рассмотренных однофазных схем выпрямления, нулевой и мостовой (см. рис. 1.1, 1.3 и таблицу 1.1), можно сделать следующие выводы:

1. Обе схемы проводят ток в течение обоих полупериодов сетевого напряжения, поэтому они называются двухполупериодными.

2. Кратность пульсаций выпрямленного напряжения по отношению к частоте сети в обеих схемах равна m = 2. Коэффициенты пульсации одинаковы.

3. При одинаковых значениях выходных параметров выпрямителей Ud, Id амплитуда обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше, а число диодов в два раза больше, чем в нулевой схеме. В связи с этим нулевую схему целесообразнее использовать для управления низковольтными машинами.

4. Использование трансформатора в мостовой схеме эффективнее (примерно на 20 %), чем в нулевой.

5. Мостовая схема может работать без трансформатора, если величина выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети. Схему с нулевым выводом без трансформатора осуществить невозможно.

6. Остальные параметры обеих схем выпрямления, характеризующие использование диодов по току (kI), и его реакции на питающую сеть (kИ, kГ) одинаковы.

electrono.ru

Однофазный мостовой выпрямитель

Количество просмотров публикации Однофазный мостовой выпрямитель - 511

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.5. В данной схеме у трансформатора только одна вторичная обмотка, но в нагрузку поступают два полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нечётные полупериоды ток проходит через диод VD1, нагрузку, диод VD3. В чётные – через диод VD2, нагрузку, диод VD4.

Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель

Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.6. Она практически не отличается от временной диаграммы двухполупериодного выпрямителя, только лишь отмечено прохождение тока через пары диодов VD1, VD3 и VD2, VD4, а также видно, что обратное напряжение на закрытом диоде Ub.max уменьшилось.

Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки

Подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

где Pd = Ud×Id – мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

Коэффициент использования трансформатора по мощности

Для удобства сравнения различных схем выпрямителей составим таблицу базовых электрических параметров.

Таблица 3.1

Основные электрические параметры однофазных выпрямителей

Схема выпрямителя	Трансформатор	Диоды	Нагрузка КП(1)
Ud/U2	I2/Id	I1/nId	S1/Pd	S2/Pd	ST/Pd	Ub.maxUd	Ia/Id
Однофазная однополупериодная	0,45	1,57	1,21	2,69	3,49	3,09	1,57		1,57
Однофазная двухполупериодная	0,9	0,79	1,11	1,23	1,73	1,48	3,14	0,5	0,667
Однофазная мостовая	0,9	1,11	1,11	1,23	1,23	1,23	1,57	0,5	0,667

Проведённый анализ работы схем выпрямителей не учитывал влияние на выходное напряжение выпрямителя внутреннего сопротивления трансформатора и сопротивления диодов, а также потерь из-за прямого падения напряжения на открытых диодах.

На холостом ходу выпрямителя выходное напряжение будет меньше расчётного на величину прямого падения напряжения на открытых диодах. Для однополупериодной и двухполупериодной схемы последовательно с нагрузкой включён только один диод, а в мостовой схеме – два. По этой причине мостовая схема для малых выходных напряжений не применяется, так как падение напряжения на двух диодах существенно снижает коэффициент полезного действия схемы. Предположим, выходное напряжение выпрямителя равно 3 В. На каждом из диодов мостовой схемы прямое падение напряжения составит около 1 В, итого 2 В. То есть трансформатор должен иметь на вторичной обмотке запас по напряжению в 40% из-за потерь в диодах.

Под нагрузкой выходное напряжение выпрямителя начнёт уменьшаться из-за потерь напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и диодов. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от тока нагрузки принято называть внешней характеристикой.

Уравнение внешней характеристики

, (3.14)

где Ud0 – напряжение холостого хода выпрямителя;

ra – активное сопротивление трансформатора;

rпр – прямое динамическое сопротивление диодов;

Id – ток нагрузки.

Как следует из выражения (3.14) внешняя характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, представляет собой прямую линию. Примерный вид внешней характеристики представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой

Более подробные сведения об однофазных выпрямителях приведены в литературе [11, 14, 20].

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются выпрямители?

2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.

3. Нарисуйте схему однополупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

4. Нарисуйте схему двухполупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

5. Нарисуйте схему мостового однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения

referatwork.ru

Однофазный мостовой выпрямитель — Мегаобучалка

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки RН на выходе моста. К мосту подводится напряжение u2, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u1 на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u1. Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0y на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фаз y в скобках.

В интервале фаз 0y положительное напряжение подводится к аноду диода Д 1 и к катоду диода Д 4, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д 3 и к катоду диода Д 2. Следовательно, диоды Д 1 и Д 2 будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д 3 и Д 4 – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз y изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д 3 и Д 4 и к закрытию диодов Д 1 и Д 2 . Ток будет протекать через открытые диоды Д 3 и Д 4 , и напряжение в нагрузке R Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз y . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u1 на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора .

На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью , а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.

Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д 1 подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д 3. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

Uв max = U2 = 0,5π Ud, (6.9)

то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д1 и Д3, вторая – на диодах Д2 и Д4. Величины разнополярных напряжений ud1 и ud2 равны 0,5 ud – половине суммарного выходного напряжения.

megaobuchalka.ru

Каталог товаров