Теоретический материал к заданию. Выпрямителями называются устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянной или пульсирующий одного направления.

Выпрямителями называются устройства, в которых происходит преобразование переменного тока в постоянной или пульсирующий одного направления.

Это преобразование осуществляется при помощи вентилей (электровакуумных или полупроводниковых диодов). Блок-схема выпрямительного устройства представлена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 Блок-схема выпрямителя

Силовой трансформатор, служит для согласования напряжения сети с заданной величиной выходного напряжения (если напряжение сети согласованно с выходным напряжением, трансформатор отсутствует).

Основным блоком является блок вентилей (диодов), который непосредственно осуществляет процесс преобразования напряжения.

Слаживающие фильтры служат для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения (тока).

Классификация выпрямителей:

1. Однофазные: однополупериодные и двухполупериодные (схема со средней точкой, мостовая схема).

2. Трехфазные: однополупериодные, двухполупериодные (мостовые схемы).

Основными характеристиками выпрямителей являются:

- Номинальное напряжение постоянного тока- среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U₀ и напряжение после фильтра

- Номинальный выпрямленный ток I₀ – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями

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

- Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра и коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

I0 t   t   t   t

Рисунок 5.2Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Рисунок 5.3Временные диаграммы работы однофазного однополупериодного выпрямителя

Вводим понятие: средневыпрямленное значение тока в нагрузке (I₀) – среднее значение тока в нагрузке за период.

В схеме однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой R_н ток через диод (I_д) и ток в нагрузке (I₀) – это один и тот же ток, который протекает только в течение положительной половины периода (рисунок 5.3) переменного напряжения U_2тр, действующего на зажимах вторичной обмотки трансформатора.

В отрицательный полупериод к диоду приложено обратное напряжение, он закрыт, всё напряжение падает на обратном сопротивлении диода, т.к. обратное сопротивление диода намного больше сопротивления нагрузки ( >> ). Максимальное напряжение, которое может быть приложено к диоду при его обратном включении = p

Таким образом, для однофазного однополупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения:

(5.1)

Основными недостатками выпрямителя являются большой коэффициент пульсации (К_П=1,57) и большое обратное напряжение.

2. Однофазные двухполупериодные выпрямители

Эти выпрямители могут быть собраны по двум вариантам схем:

2.1 Со средней точкой

2.2 Мостовая

2.1 Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Двухполупериодный выпрямитель можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку. Схема такого выпрямителя приведена на рисунке 5.4

Рисунок 5.4 Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Напряжения, питающие VD1 и VD2, одинаковы по величине и сдвинуты между собой по фазе на 180 градусов. В один из полупериодов, когда потенциал точки а положителен по отношению к потенциалу среднего вывода, диод VD1 открыт. Ток i _{д 1} протекает от точки а трансформатора, через диод VD1, сопротивление нагрузки R_н и замыкается через вторичную обмотку трансформатора. В следующий полупериод потенциал точи b положителен относительно потенциала средней точки трансформатора. Ток i _{д 2} протекает от точки b через диод VD2, сопротивление нагрузки R_н и замыкается через вторичную обмотку трансформатора. Причем через нагрузку R_н токи i _{д 1} и i _{д 2} текут в одном направлении. Временные диаграммы токов и напряжений представлены на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 Временные диаграммы токов и напряжений однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Постоянная составляющая выпрямленного тока составляет:

(5.2)

Ток через каждый диод протекает только в течении одного полупериода. Поэтому среднее значение тока, проходящего через каждый диод, определяется по формуле:

(5.3)

В течение полупериода, когда работает диод VD1, диод VD2 закрыт, к нему приложено обратное напряжение, равное разности потенциалов между точками а и b вторичной обмотки трансформатора. Такое же обратное напряжение в следующий полупериод будет приложено к диоду VD1

= p

Таким образом, для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой справедливо:

Uобр,m = 3,14 U0

(5.4)

Коэффициент пульсаций в этой схеме по сравнению с предыдущей уменьшился (К_П=0,67), но обратное напряжение остается большим.

2.2 Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Рисунок 5.6 Схема двухполупериодного мостового выпрямителя.

В схему входят 4 диода, включенные по схеме моста. К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, к другой – нагрузка . В один из полупериодов, когда потенциал точки B положителен, а точки A – отрицателен, ток проходит от точки B через диод VD3, сопротивление нагрузки R_н, диод VD2, к точке А и через вторичную обмотку трансформатора.

В следующую половину полупериода, когда полярность концов А и В вторичной обмотки трансформатора меняется, ток течёт от точки А через диод VD4, сопротивление нагрузки R_н, диод VD1 к точке В.

Направление тока, проходящего через нагрузочное сопротивление R_н в течение обоих полупериодов, одинаковое. Поэтому имеет место двухполупериодное выпрямление. Временные диаграммы токов и напряжений представлены на рисунке 5.7

 

 

 

Рисунок 5.7 Временные диаграммы токов и напряжений однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя.

Постоянная составляющая выпрямленного тока составляет:

(5.5)

Ток через каждый диод протекает только в течении одного полупериода. Поэтому среднее значение тока, проходящего через каждый диод, определяется по формуле:

(5.6)

Обратное напряжение, приложенное к одному диоду в 2 раза меньше, чем в схеме со средней точкой, так как в течение каждой половины периода данное напряжение приложено к двум диодам, включенным последовательно.

Таким образом, для однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя справедливо:

 

(5.7)

В этой схеме значительно уменьшилось обратное напряжение. Поэтому однофазный мостовой выпрямитель является наиболее часто используемой схемой.

3. Трехфазный однополупериодный выпрямитель

Рисунок 5.8 Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя.

Ток через каждый диод и связанную с ним фазу вторичной обмотки трансформатора проходит в течение одной трети периода, когда напряжение соответствующей фазы выше напряжения в двух других фазах. Ток через два других диода в эту треть периода не проходит, они закрыты. Как видно на временной диаграмме (рисунок 5.9), точки пересечения положительных полупериодов напряжения соответствуют прекращению тока одного диода и появлению тока прямой проводимости следующего диода

Рисунок 5.9 Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя

Как видно из рисунка 5.9 пульсация тока в трёхфазном выпрямителе значительно меньше (К_П=0,25), чем в двухполупериодном однофазном.

Ток через каждый диод протекает в течении одной трети периода:

(5.8)

Обратное напряжение, приложенное к диоду в закрытом состоянии

= 2,1 (5.9)

Таким образом, для трехфазного однополупериодного выпрямителя справедливо:

(5.10)

4. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель

Рисунок 5.10 Схема трёхфазного мостового выпрямителя (Схема Ларионова)

 

В рассматриваемой схеме все диоды работают попарно-поочерёдно, причем каждый диод работает на протяжении одной трети периода, а каждая пара – на протяжении шестой части периода. Ток проходит через пару диодов, разность потенциалов между которыми в данный момент времени максимальна.

Рисунок 5.11 Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя

Как видно из временной диаграммы (рисунок 5.11) переключение диодов происходит в 2 раза чаще, в результате чего коэффициент пульсации резко уменьшается (К_П=0,057). Кроме того, в схеме лучше используется трансформатор и обратное напряжение снижается

Таким образом, для трехфазного однополупериодного выпрямителя справедливо:

(5.12)

Сравнительные характеристики схем выпрямителей

 

Таблица 5.1

Схема выпрямителя	Среднее значение тока диода, Iд	Обратное напряжение Uобр.m	Коэффициент пульсаций, КП
Однофазный однополупериод- ный	Iд = I0	Uобр. m = 3,14 U0	1,57
Однофазный двухполупериод- ный с выводом средней точкой	Iд =	.m =3,14 U0	0,67
Однофазный двухполупериод- ный мостовой	Iд =	. m =1,57 U0	0,67
Трёхфазный однополупериод- ный	Iд =	. m =2,1U0	0,25
Трёхфазный двухполупериодный (мостовой)	Iд =	. m =1,05 U0	0,057

 

Алгоритм расчета

Таблица 5.2

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

---

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: