Выпрямители. Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменною напряжения в постоянное.
В зависимости oт числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления, независимо от мощности выпрямителей, все схемы делятся на однотактные (однополупериодные) и двухтактные (двухполупериодные).
К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или часть его).
К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, в противоположных направлениях.
В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемыми (с регулируемым выпрямленным напряжением) и неуправляемыми.
Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:
- среднее значение выпрямленного напряжения и тока (Ucp, Icp);
- коэффициент полезного действия;
- коэффициент мощности.
|
|
Однофазные выпрямители. Для выпрямления однофазного переменного тока применяются три типа выпрямителей: однополупериодный; двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора и двухполупериодный мостовой.
Однофазная однополупериодная схема, с трансформатором приведена на рис. 2.11,а. Вентиль включен последовательно с нагрузочным резистором и вторичной обмоткой трансформатора. Ток в нагрузочном резисторе R появляется только в те полупериоды напряжения, когда потенциал точки "а" вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки "Ь", так как в этом режиме вентиль открыт. Когда же потенциал точки "а" отрицателен по отношению к потенциалу точки "b", вентиль закрыт, и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора равен нулю. Таким образом, ток в резисторе R имеет пульсирующий характер, т.е. появляется только в один из полупериодов напряжения. Поэтому данный выпрямитель называют однополупериодным. Временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя изображены на рис. 2.11,б. Среднее значение однополупериодного выпрямленного напряжения вычисляется по формуле
а) б)
Рис. 2.11. Однофазный однополупериодный выпрямитель
а) б)
Рис. 2.12. Однофазный выпрямитель с выводом средней точки
вторичной обмотки трансформатора
Рис. 2.13. Однофазный мостовой выпрямитель
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно
Среднее значение тока вентиля
Недостатками однополупериодной схемы являются
- большие пульсации в кривой выходного напряжения, создаваемые переменной составляющей напряжения;
|
|
- недостаточно эффективное использование трансформатора, необходимого для получения требуемой величины выпрямленного напряжения.
Поэтому однополупериодные выпрямители применяют сравнительно редко, обычно для питания цепей малой мощности, например, электронно-лучевых трубок.
Схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 2.12,а, соответствующие временные диаграммы токов и напряжений изображены на рис. 2.13,б. Двухполупериодное выпрямление достигается в этой схеме выполнением трансформатора с двумя вторичными обмотками и выводом общей (средней или нулевой) точки этих обмоток. В качестве положительных для U2a и U2b обычно принимают направления, совпадающие с проводящими в вентилях. В тот полупериод, когда напряжение в обмотке "оа" положительно, ток пропускает вентиль V1, у которого анод положителен по отношению к катоду, связанному через сопротивление нагрузки RH со средней (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатора. Полюс "b" обмотки "ob" в этот полупериод отрицателен по отношению к нулевому выводу, и, следовательно, вентиль V2 в этой части периода тока не пропускает. В следующий полупериод ток проходит через вентиль V2, а вентиль V1 заперт. Среднее значение выпрямленного напряжения
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно двойной амплитуде фазного напряжения:
Среднее значение тока через вентиль (по условию симметрии)
Мостовая схема изображена на рис. 2.13,а, а временные диаграммы токов и напряжений соответствуют рис. 2.13,б.
Схема имеет структуру, аналогичную мосту Уитстона, в котором сопротивления заменены вентилями. К одной из диагоналей моста присоединена вторичная обмотка трансформатора, а к другой - сопротивление нагрузки. При необходимости мост может быть включен в сеть переменного тока и без трансформатора. Это является одним из преимуществ мостовой схемы.
Вентили включены так, что в один из полупериодов ток проходит через одну пару вентилей, а в другой полупериод он проходит через другую пару вентилей. Через сопротивление нагрузки RН ток идет в течение всего периода в одном направлении. Через вторичную обмотку трансформатора протекает чисто переменный ток. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока через вентиль получается таким же, как и в предыдущей схеме. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора
Таким образом, максимальное обратное напряжение в мостовой схеме при одном и том же значении выпрямленного напряжения в два раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.
Сравнение трех типов выпрямителей позволяет выявить их преимущества и недостатки. Двухполупериодныс выпрямители более эффективны: средние значения выпрямленных токов и напряжений у них в два раза больше, а пуль-сации значительно меньше, чем у однополупериодных выпрямителей. Преимуществами однополупериодных выпрямителей являются простота конструкции и меньшая стоимость.
По причинам, названным выше, из двухполупериодных выпрямителей предпочтение отдают мостовым схемам. Недостатком мостовых схем является удвоенное количество вентилей.
Трехфазные выпрямители. Схемы выпрямителей трехфазного тока применяются в основном для потребителей средней и большой мощности.
Схема с нейтральным выводом изображена на рис.2.14,а. Она состоит из трехфазного трансформатора с выводом нейтральной точки вторичной обмотки, трех вентилей, включенных в каждую из фаз, и нагрузочного резистора RН. Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 2.14,б. Как видно из рисунка, вентили работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода работающего вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух других вентилей. Выпрямленный ток резистора RН создаваемый токами каждого вентиля, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.
|
|
Среднее значение выпрямленного напряжения
Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения или
Средний ток через вентиль равен одной третьей тока нагрузки
Ток нагрузки в данной схеме имеет значительно меньше пульсаций, чем в однофазных выпрямителях. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме составляет 0,25.
а) б)
Рис. 2.14. Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом
а) б)
Рис. 2.15. Трехфазный мостовой выпрямитель
Мостовая схема, изображена на рис. 2.15,а, она предложена в 1923 году А.Н. Ларионовым. В этом выпрямителе первичную и вторичную обмотки трансформатора можно соединять как звездой, так и треугольником. В схеме последовательно соединены две трехфазные выпрямительные группы: анодная V1, V3, V5 и катодная V2,V4,V6. Каждая из групп повторяет работу трехфазной схемы с нулевым выводом. В мостовой схеме ток одновременно пропускают два вентиля: один с наиболее высоким потенциалом анода из катодной группы вентилей, а другой с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы вентилей. Так, например, в интервале t1 – t2 (рис. 2.15,б) ток пропускают вентили V2 и V3 в интервале t2 -t3 - вентили V2 и V5. Как видно из рисунка пары вентилей работают поочередно каждая в течение одной шестой периода. Выпрямленный ток резистора Rн создаваемый токами каждой пары вентилей, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.
Среднее значение выпрямленного напряжения Uср=2.34 U2ф, где U2ф – действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.