Выпрямитель для двух фаз (220 В, 50 Гц)

У меня есть схема переключения, которая работает с двумя фазами. Мне нужен источник питания SMPS с обратной связью для моей логической схемы. Я хочу, чтобы моя цепь управления работала, если какая-либо или обе фазы получают питание. Это может быть достигнуто, если мой объемный конденсатор постоянного тока получает питание от обеих фаз одновременно. В настоящее время моя силовая цепь получает питание от одной фазы, например:

Чтобы добавить второй этап, я планирую сделать это:

Это будет работать? Я думаю, что так и должно быть, потому что напряжение конденсатора будет блокировать любое напряжение ниже, чем его напряжение прямо за самим диодом, в любой момент времени.

Или я не прав? У конденсатора большой емкости будут два напряжения, борющихся друг с другом?

Если это работает, могу ли я сделать что-то вроде этого:

Я удалил избыточный нейтральный источник питания в нижнем выпрямителе, тем самым сэкономив мне два диода.

Помимо этого, есть что-то еще, что я пропускаю? Будет ли напряжение на конденсаторе оставаться одинаковым, независимо от того, будут ли питаться одна или обе фазы или оно будет отличаться?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Посмотрев на ответы, я понимаю, что, если я использую полные мостовые выпрямители, как я показал на предыдущих изображениях, пиковая мощность на объемном конденсаторе значительно возрастет в зависимости от разности фаз напряжений. Это увеличение создаст трудности из-за этих двух причин:

1) Более высокое напряжение означает более высокое номинальное напряжение конденсатора

2) Может быть трудно найти схему обратной связи, которая работает при таком высоком напряжении.

3) Даже если есть конденсатор и микросхема, это может быть дороже по сравнению с тем, что я могу использовать с более низким напряжением, которое я получаю в однофазной конструкции.

Таким образом, я могу придумать другой вариант. Используя полумостовые выпрямители, чтобы исправить каждую фазу и использовать нейтральную линию в качестве моей справки:

Поскольку мое требование к выходной мощности составляет менее 5 Вт (обычно 1-2 Вт), я чувствую, что полумост будет работать, даже если доступна только одна фаза. Это также гарантирует, что мой объемный конденсатор не увидит напряжение выше пикового значения sqrt (2) * 220 В = 311 В. В худшем случае, когда Vrms = 270 В, это даст пик 382 В. Таким образом, мне не нужно изменять мою существующую однофазную цепь питания после объемного конденсатора.

Правильно ли я так думаю? Есть ли лучший способ сделать это?

Олин Латроп

Вы почти там, но не совсем достаточно думаете о проблеме в обобщенном виде.

Если у вас есть N выводов с произвольным переменным напряжением между ними, то вам нужно 2N диодов, чтобы сделать двухполупериодный выпрямитель. Каждый вывод подключен к одному диоду, идущему к положительному выходу постоянного тока, и одному диоду, идущему от отрицательного выхода постоянного тока.

Обратите внимание, что ваша нижняя схема такая, только то, что вы нарисовали ее, чтобы сделать ее не сразу очевидной.

Вот обобщенный двухполупериодный выпрямитель для N входов переменного тока:

У вас есть 3 входа переменного тока. Ваш ментальный блок, кажется, думает о нейтральной линии как особой в этом отношении. Это не хуже, чем просто еще одна входная линия переменного тока, поэтому вы можете сделать двухполупериодный выпрямитель с 3 парами диодов.

Выпрямление двух из трех фаз переменного тока и нейтрали — странная вещь, но это не особый случай для общей схемы выше. Вот график напряжений:

Этот пример использует 120 В переменного тока при 60 Гц и предполагает идеальные диоды.

Выход выпрямителя представляет собой наибольшую разницу между любыми двумя входами переменного тока в любом отдельном случае. Чтобы это было легче увидеть, максимум всех входов переменного тока показан красным, а минимум — синим. Результирующая разница — это зеленая кривая, которая является мгновенным выходом выпрямителя. Это напряжение, которое сглаживает кепка, и это то, что вы получили бы, если бы кепки не было, и вы поместили небольшую резистивную нагрузку на выход.

Обратите внимание, что зеленая кривая НЕ относится к той же ссылке, что и входы переменного тока. Он показывает выход постоянного тока, когда он взят в изоляции. Отдельные выходы постоянного тока относительно того же эталона, что и напряжения переменного тока, представляют собой красные и синие кривые.

Для контраста, вот как выглядит полное трехфазное выпрямление:

Обратите внимание, что это имеет гораздо меньшую пульсацию, и эта пульсация в 6x от частоты переменного тока. Ваши две из трех фаз выпрямления приводят к пульсации только в 2 раза больше частоты переменного тока.

Выпрямитель двухфазный

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразования переменного тока в постоянный. Два диодных или тиристорных моста включены последовательно. Мосты питаются от трансформаторов. Новым в изобретении является то, что первичная обмотка первого трансформатора предназначена для подключения к двум фазам сети, а второго — к третьей фазе и нулевому проводу. Технический результат — возможность использования обмоток трансформатора без средней точки для создания фазового сдвига. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразовании переменного тока в постоянный.

Широко известная схема [1] (Скотта) преобразования трехфазного тока в двухфазный содержит два трансформатора, один из которых должен быть выполнен со средней точкой. Недостаток схемы состоит в том, что она сложна и не может быть выполнена на стандартных трансфоматорах. Наиболее близким по схемотехнике и достигаемым результатам является [2] выпрямитель, использующий навходу упомянутую схему расщепления. А на выходе содержащую выпрямительный мост, Сложность, обусловленная необходимостью трансформатора со средней точкой, является недостатком такого устройства, Кроме того под нагрузкой взаимный фазовый сдвиг напряжений изменяется, что ухудшает форму выпрямленного напряжения.

Техническим результатом данного изобретения является упрощение.

Техническая задача решается за счет того, что первичная обмотка первого трансформатора предназначена для подключения к двум фазам сети, а второго к третьей фазе и нулевому проводу. На чертеже представлена схема двухфазного выпрямителя. Он содержит два трансформатора с сетевыми обмотками 1 и 2 и вторичными 3, 4. Последние подключены к входам выпрямительных (диодных или тиристорных) мостов 5, 6, которые по выходу включены последовательно. Возможно также параллельное соединение мостов 5, 6. Обозначено также А, В, С — фазы сети, N- нейтраль сети

Выпрямитель работает следующим образом. На входах выпрямительных мостов 5, 6 с обмоток 3, 4 трансформаторов имеется одинаковые напряжения. Это достигается за счет выбора коэффициентов трансформации трансформаторов отличающихся в 1,73 раза, то есть у трансформатора 2, 4 он выше. Благодаря этому напряжение обмоток 3, 4 — одинаково. После выпрямления каждый мост содержит на выходе постоянное пульсирующее напряжения однофазного двухполупериодного выпрямления. Эти напряжения двух выпрямителей сдвинуты взаимно на половину такта, в результате суммарное напряжение является четырехпульсным. Этот взаимный сдвиг обеспечивается за счет того, что мост питается от фазного напряжения сети через трансформатор 2, 4, а мост 5 — через трансформатор 1, 3 от ортогонального ему линейного напряжения. Так как вторичный ток обоих мостов одинаков, то при изменении тока нагрузки мостов отклонения взаимного фазового сдвига отсутствуют. В известной схеме Скотта /1/ эти отклонения существуют. Кроме того в схеме используются стандартные трансформаторы, в то время как для схемы Скотта используется трансформатор с отпайкой от средней точки. Это упрощает установку.

Источники информации:

1. Копылов И.П. Электрические машины. М., Логос, 2000, стр. 224, рис. 2.120.

2. Авторское свидетельство СССР №598197, кл Н02М 5/14, 1976.

3. Патент РФ №229707

Выпрямитель двухфазный, содержащий два выпрямительных моста, включенных полюсами последовательно, а входами мосты присоединены к вторичным обмоткам трансформаторов, отличающийся тем, что первичная обмотка первого трансформатора предназначена для подключения к двум фазам сети, а второго — к третьей фазе и нулевому проводу.

Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым проводом

Схема двухполупериодного выпрямителя (см. рисунок 12) представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. В первый полупериод, когда потенциал точки а (рисунок 12,а) будет положительным, а потенциал точки b — отрицательным, диод VD

l будет открыт и ток протекает через VD₁ в нагрузку R_н и верхнюю половину вторичной обмотки в направлении, показанном сплошными стрелками, Диод VD₂ в это время закрыт, ток через него не течет и он находится под обратным напряжением (рисунок 12,а). В следующий полупериод, когда потенциал точки b становится положительным, а точки а — отрицательным, VD₂ открывается, a VD₁ закрывается и ток течет через диод VD₂, нагрузку R_H и нижнюю половину вторичной обмотки в направлении, показанном пунктирными стрелками. Диод VD₁ в это время находится под обратным напряжением. Таким образом, через нагрузку протекает ток в одном и том направлении в течение всего периода.

Рисунок 12 – Двухполупериодная схема выпрямления (а), диаграммы напряжений и токов (б)

 

В идеализированной схеме отсутствуют потери в диодах трансформаторе, поэтому форма выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения на работающих половинах вторичной обмотки трансформатора, другими словами, график u₀ является огибающей положительных полусинусоид графиков u’₂ и u»₂ (рисунок 12, б).

В каждый полупериод u₂ по половине вторичной обмот­ки трансформатора, диоду и нагрузке протекают равные между собой токи, т.е. u’₂ =i

VD₁ = i₀ и u»₂ =u_VD2=i₀, причем ток в идеализированной схеме определяется только сопро­тивлением нагрузки и равен u₀/R_Н.

Как следует из рисунка 12, а, токи i’₂ и i»₂, протекающие по половинам вторичной обмотки трансформатора, имеют такое направление, при котором постоянные составляющие этих токов создают встречно направленные магнитные потоки. Поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в двухполупериодной схеме выпрямления отсутствует.

Форма графика u_ОБР требует дополнительных пояснений. Каждую половину периода один из диодов схемы закрыт и к его электродам приложено обратное напряжение, которое равно разности потенциалов между анодом и катодом этого диода. В первую половину периода закрыт VD

2. Потенциал его анода равен отрицательному потенциалу точки b, который определяется отрицательной полусинусоидой u₂. Катод диода VD₂ в это время имеет положительный потенциал точки а (положительная полусинусоида u’₂), поскольку открыт VD₁ и падение напряжения на нем в идеализированной схеме равно нулю (рисунок 12,а). Таким образом, в течение первого полупериода диод находится под обратным напряжением, равным разности потенциалов между концами вторичной обмотки трансформатора (точки а и b), и максимальное значение этой разности потенциалов равно удвоенному амплитудному значению напряжения одной из половин вторичной обмотки,

U_обр.и.п=2U_2m

Рисунок 13 – Вычисление среднего и действующего напряжения и тока в двухполупериодной схеме выпрямления

 

Основные параметры. График выпрямленного напряжения Uo и выпрямленного тока Iо данной схемы приводится на рисунке 13, из которого видно, что импульсы напряжения и тока в нагрузке двухполупериодного выпрямителя имеют место во время каждого полупериода, тогда как однополупериодной схеме выпрямления (см. рисунок 9,б) — только в течение одного полупериода, поэтому при одинаковых амплитудах напряжения и тока вторичной обмотки (U

2_m и I_2m) постоянные составляющие выпрямленного на­пряжения U₀ и тока I₀ будут в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении. Таким образом,

, откуда

причем U_2m= U_0m; , откуда

,

причем I_2m=I_0m.

Действующее значение напряжения вторичной; обмотки (одной половины) U₂ с учетом синусоидального характера его, а также U_2m:

U2= U_2m/

Действующее значение тока первичной обмотки I

0 вследствие синусоидальности его можно записать:

I₂=0,5 I_2m=0,785 I₀

Габаритная мощность трансформатора определяется по расчетной мощности всех его обмоток. Расчетная мощность первичной обмотки

P₁=U₁I₁=1,23P₀

и вторичной обмотки:

Р₂=2U₂

Габаритная мощность трансформатора:

P_Г=( P₁+ Р₂)/2=1,48 P₀

Обратное напряжение на диоде:

U_{ОБР.И. П.}=2 U_2m=3,14 U₀

Среднее значение тока через каждый диод в 2 раза меньше выпрямленного тока I₀ (поскольку ток нагрузки определяется суммой токов диодов), т. е,

I_ПР.СР=1/2 I₀

Действующее значение прямого тока диода I_ПР равно действующему значению тока вторичной обмотки I₂.

I_{ПР. И.П.}= I_2m=1,57 I₀

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения:

К_П01= U_0m/ U₀=0,67

Преимущества двухполупериодной схемы по сравнению однополупериодной состоят в следующем:

1) значительно уменьшаются габаритные размеры и трансформатора (вследствие лучшего использования обмоток и отсутствия подмагничивания магнитопровода;

2) амплитудное значение тока через диод вдвое меньше;

3) значительно уменьшаются габариты и масса сглаживающего фильтра (вследствие увеличения вдовое основной частоты пульсации и уменьшения более в 2 раза коэффициента пульсации).

Недостатками схемы являются:

1) необходимость вывода средней (нулевой) точки вторичной обмотки трансформатора;

2) наличие в схеме двух диодов вместо одного.

Выпрямители тока часть 2. Виды однофазных и трехфазных схем

Продолжаем рассматривать выпрямители тока, их различные схемы сборки. Всевозможные схемы обеспечивают применение таких устройств в разных отраслях промышленности и в быту.

Выпрямители тока

Производство и передача электроэнергии чаще всего выполняется на переменном токе, так как трансформация напряжения является наиболее простым способом. Но, довольно весомая часть выработанной электрической энергии применяется в виде постоянного тока, даже для транспортировки на значительные расстояния. Эта доля составляет около 30% от всей произведенной электроэнергии.

Двухтактная схема

В устройствах низкого напряжения используют однофазный двухтактный выпрямитель с нулевым отводом обмотки. Это дает возможность снизить потери и количество диодов в два раза. Однако при этом коэффициент использования трансформатора намного ниже, размеры прибора больше, в отличие от однофазного устройства.

Обязательным компонентом такого прибора является трансформатор, у которого имеется две низковольтные обмотки. По сути дела, подключение к средней точке делает выпрямитель двухфазным, так как образуются две ЭДС, которые равны между собой по значению, а направлены в разные стороны. В результате схема подключения заключается в том, что равные напряжения на выходе обмотки сдвинуты от средней точки по фазе на 180 градусов.

К анодам диодных вентилей присоединены вторичные обмотки, на которых напряжение находятся в противофазе, вследствие чего ток по диодам протекает по очереди в определенных полупериодах напряжения.

Отличием прибора со средней точкой от простого исполнения является протекание выпрямленного тока в обоих полупериодах. Но каждая половина обмотки нагружена током в одном полупериоде. Подмагничивание сердечника отсутствует, так как магнитные силы направлены во встречном направлении.

Мостовая схема

Характерна повышенным коэффициентом применения трансформатора. Вследствие этого, ее использование целесообразно в устройствах высокой мощности с напряжением на выходе в сотни вольт. Пульсации в такой схеме аналогичны предыдущей схеме.

Действие мостовой схемы практически не имеет отличий от предыдущей схемы, кроме того, что используются два вентиля вместо одного. Они соединены по последовательной схеме. Для полупериода применяется полностью вся обмотка. Это увеличивает эффективность применения трансформатора.

Преимуществом схемы моста является пониженное обратное напряжение, малые размеры, высокий коэффициент использования трансформатора. К недостатку можно отнести значительное падение напряжения на вентилях.

Напряжение на выходе при активной нагрузке представлено в виде однополярных полуволн. Это возникает из-за поочередного открывания диодов.

По аналогии кривых u_dдля приборов со средней точкой и мостовых схем, работают такие же формулы напряжений:

Вследствие этого пульсации остаются такими же. Ток I_d разделяется на равные части между вентилями. Обратное напряжение на два непроводящих диода подается в одно время на диапазоне проводимости других диодов, его наибольшая величина вычисляется амплитудой напряжения u₂:

Нагрузочный ток проходит в обоих полупериодах как во вторичной обмотке. Действующий ток вторичной обмотки вычисляется:

Это объясняется тем, что ток синусоидальный. Поэтому трансформатор выполнен с одной вторичной обмоткой.

Если учесть, что трансформатор оснащен одной вторичной обмоткой, то габаритная мощность двух обмоток одинакова, а суммарная габаритная мощность S_габ совпадает с мощностью первичной обмотки, которая рассматривалась выше, и равна 1,23 Р_d.

Выпрямительный диодный мост в различных источниках изображают по-разному. Чаще всего это делают упрощенно.

Диодный мост

Такую условность применяют для упрощения внешнего вида схемы. Диодная сборка состоит из четырех диодов с равными характеристиками. Они расположены в одном корпусе, что является технологичным решением. Такая сборка занимает незначительное место на монтажной плате.

В последнее время популярны селеновые и кенотронные выпрямители тока, которые применяются для радиоаппаратуры. В выпрямительных мостах все больше используют полупроводниковые диоды на основе германия.

Трехфазные выпрямители тока

Приборы, способные выпрямлять 3-фазное напряжение переменного тока, имеют трансформатор с первичной обмоткой, состоящей из 3-х отдельных обмоток, соединенных по схеме треугольника или звезды. Схема выпрямляющего устройства для трехфазной сети используется чаще всего для подключения нагрузки большой и средней мощности.

По методу подключения диодов к выходной обмотке схемы разделяют на мостовые с изолированной нулевой точкой, и нулевые со средней точкой обмотки.

Применяя специальные схемы подключения вторичной обмотки и выпрямителя, в общем, получают выпрямленное напряжение с количеством импульсов, кратным трем, за один период. При повышении количества импульсов в напряжении на выходе прибора, можно значительно уменьшить габариты фильтрующих элементов. 3-фазные выпрямители тока создают равномерную нагрузку на линию питания, и имеют повышенный процент использования трансформатора.

Трехфазная нулевая схема

В такую схему включен трансформатор. Выводы обмоток по схеме подключены к анодам трех диодов. Потребляющая нагрузка соединена с общей точкой катодов диодов.

На диаграмме показано действие идеального 3-фазного выпрямителя, имеющего среднюю точку на выходной обмотке, подключенную к нагрузке. В такой идеальной схеме, где не учитывается индуктивность обмоток, а вентили считаются идеальными, при переходе тока между вентилями, их коммутация осуществляется мгновенно, и в любое время ток проходит по одному диоду, имеющему самый большой потенциал.

В трехфазном устройстве выпрямления, нагрузочный ток со средней точки обмотки образуется фазным напряжением этой обмотки. За один период напряжения по каждой вторичной обмотке один раз проходит ток одной полярности. При этом диапазон проводимости одного вентиля равен 120 градусам.

Открытый диод подает напряжение соответствующей фазы к потребляющей нагрузке. В итоге на нагрузку действует импульсное однополярное напряжение, которое является участком напряжений фаз вторичных обмоток, и имеющее тройные импульсы за один период.

Достоинства

• Малое количество вентилей.
• Незначительное падение напряжения на диодах, вследствие чего возможно применение этой схемы для выравнивания низких напряжений при высоких мощностях более 0,5 киловатт.
• Высокая частота импульсов выходного напряжения, так как имеется три частоты на трех фазах сети. Иногда это дает возможность применять такую схему без фильтрации.

Недостатки

• Повышенное обратное напряжение на вентилях.
• Малый коэффициент использования трансформатора из-за эффекта подмагничивания.

Однако такие недостатки нулевой схемы не ограничивают использовать выпрямители тока в определенных областях, и нашли определенную популярность.

Трехфазная мостовая схема

Позволяет наилучшим образом использовать трансформатор по его мощности, имеет малое обратное напряжение на вентилях и повышенную частоту импульсов выходного напряжения. Мостовая 3-фазная схема стала популярной в широком интервале мощностей и напряжений.

Выпрямители тока по мостовой трехфазной схеме имеется мост выпрямления, состоящий из шести диодов, соединенных двумя группами последовательно. Одна из групп – катодная, так как диоды соединены катодами, а вторая анодная. Питание на нагрузку подается от точек соединения анодов и катодов диодов. Обмотки допускается соединять треугольником или звездой.

Каждая группа вентилей устройства работает по принципу, подобному схеме прибора со средней точкой, на выходе среднее напряжение повышается в 2 раза.

Если рассматривать отличия двух последних схем, то в схеме со средней точкой нагрузочный ток создается фазным напряжением, в отличие от мостовой схемы, в которой ток нагрузки создается при воздействии линейного напряжения. Здесь нагрузочный ток проходит по двум диодам: одному с максимальным потенциалом анода по отношению к нулевой точке, другому – с минимальным потенциалом катода. Другими словами, в состоянии проводимости будут такие два вентиля моста, которые имеют максимальное линейное напряжение в сторону проводимости.

За один период напряжения осуществляется шесть коммутаций диодов, поэтому схема функционирует в шесть тактов. Такую схему называют шестиимпульсной. В результате выходное напряжение выпрямителя содержит шестикратные импульсы, однако угол проводимости отдельного диода равен углу 120 градусов.

График тока вторичной обмотки зависит от токов двух диодов, подключенных к этой фазе. Один из диодов состоит в анодной группе, а другой – в катодной. Выходной ток переменный, с промежутком между пульсациями 60 градусов, при закрытых двух диодах этой фазы. Подмагничивания сердечника в этой схеме нет.

Похожие темы:

Power Electronics • Просмотр темы

gyrator писал(а):

Попробуйте почитать, хотя бы у того же Мелёшина, как работает выпрямитель с удвоением тока.

Как он работает, я знаю. Почитать конечно не вредно, но я предпочел поиграться в свечке. В своей модели разделенного отключил обратные диоды , убрал основной дроссель и вместо него поставил индуктивности того же номинала(9мкГн) между вторичками и диодами для сравнительной оценки. Как понимаю, именно за это ратует neon с идеей интегрированных дросселей…
Не ввязывался в дискуссию, поскольку вольтодобавка у меня собрана именно по такой схеме, и с самого начала видел существенную разницу в работе накопительного дросселя в классике и проходных в этой схеме. Но глыбоко не рыл…
Эффект оказался весьма заметный. Ток дуги упал с 160А до 40А при почти тех же пульсациях 12А. Но и при этом токе ключи колотят пстрики в 1.1кВт вместо 800Вт при 160А в классике.

Разница в работе индуктивностей. В классике напряжение на дросселе при размагничивании равно напряжению дуги плюс открытый диод. Что меньше или равно напряжению при намагничивании. Соответственно, скорость спада тока меньше или равна скорости его нарастания. У меня вдвое ниже (напряжение вторички 60В).
А вот проходные индуктивности работают совсем иначе- при размагничивании напряжение на дросселе увеличивается на величину выходного напряжения вторички. Размагнивание минусом упирается в минус на обмотке и через трансформатор в рекуперационные диоды. У меня в модели напряжение оказывается вчетверо больше классики- соответственно скорость размагничивания повышается тоже вчетверо и более!

Трибун писал(а):

Возможно в роли балласта вместо стабилизации тока?

Очень уж возможно… Так, что аж противно…
А главное- как поднять ток в дуге? И убрать приличный звон на диодах. И пстрики…
Но это не все. Часть энергии дросселя через обратную трансформацию сливается через рек. диоды в питание. Да еще в придачу полностью нарушает работу рек.снабберов, откуда и пстрики. (У меня тощий ток вольтодобавки и то гадит немилосердно).
Сама идея имеет место быть, но ее эффективность и реализация под большим вопросом. Так и хочется сказать » Нам такой хоккей не нужен!…» А мне такие индуктивности…
П.с. Возможно кто-то попытается решить эту квадратуру круга данной топологии, но вряд-ли эффект превзойдет классику. Ну и конечно прав Гиратор в приведенных выдержках- задать идеальным образом Ls между обмотками — задача не простецкая…

_________________
К людям надо помягше… А на вопросы глядеть поширше!

Лекция 17. Выпрямители И СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Виды выпрямителей и их характеристики. Выпрямителем называется устройство для преобразования пере­менного напряжения в постоянное [1,2,3,5,9,10,12,13,14]. Основное назначение выпрями­теля заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обоб-щенная структурная схема выпрямителя приведена на рис.17.1. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабили­затор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие фун­к­ции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество

Рис.17.1. Обобщенная структурная схема выпрямителя

 

фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выпол­няет высокочастотный инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В каче­стве вентилей могут использоваться электровакуумные, газораз­рядные или полупроводниковые приборы, обладающие односто­ронней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, тран­зисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные эле­менты отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропус­кают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение на­пряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на сни­жении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпря­мителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего уст­ройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), вы­полненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с примене­нием активных элементов — транзисторов, операционных усилите­лей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряже­ния можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъяв­ляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вен­тильный блок.

Кроме основных узлов в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения на­пряжения питающей сети 110-220 В.

Классификация выпрямителей. Для классификации выпря­мителей используют различные признаки: количество выпрямлен­ных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополу­периодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз пи­тающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трех­фазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз пи­тающего напряжения понимают число питающих напряжений с от­личными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой выпрямитель будет однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдви­нутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуются три питающих напряже­ния, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120°, то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрями­тели состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме вентильного блока различают выпрямители с парал­лельным, последовательным и мостовым включением однофазных выпрямителей. Схемы таких выпрямителей приведены на рис.17.2.

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема кото­рого приведена на рис.17.2,a, является простейшим.

Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полу­волну питающего напряжения, как показано на рис.17.3а. Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель, приведенный на рис.17.2,б, представляет собой параллельное соединение двух одно-

фазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки и . С помощью этих полуобмоток создаются два противофаз-

Рис.17.2. Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: одно­полупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мосто­вой (в) и однофазный с последовательным включением (схема удвоения) (г)

ных питающих выпрямитель напряжения. Форма вы­ходного напряжения такого выпрямителя приведена на рис.17.3,б. Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансформатора.

Рис.17.3. Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питае­мых от однофазной сети, при резистивной нагрузке без фильтра: однополу­период­ного (а) и двухполупериодного (б)

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.17.2,в) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для вы­пря­м­ле­ния напряжения сети и без трансформатора. К его недостат­кам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформа-тор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет под­магничивания магнитопровода постоянным током, и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полуперио­дов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В).

Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения (рис.17.2,г) представляет собой последовательное соединение двух однофаз­ных однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде при положительном напряжении на аноде диода VD₁ заряжается конденсатор , а во втором полупериоде проводит диод VD₂и кон­денсатор заряжается напряжением противоположной полярно­сти. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы и могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы, изображенной на рис.17.2,в, если заменить диоды VD₃ и VD₄конденсаторами и . В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К досто­инствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного на­пряжения трансформатора, а к недостаткам наличие двух конденса­торов и .

Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение в ИВЭП, приведены на рис.17.4. Пер­вичные обмотки трансформаторов Тр могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включены по схеме звезды. На рис.17.4,а приведена схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки 0′ вторичных обмоток. На рис.17.5,а при­ведены временные диаграммы напряжений и токов для этой схемы при резистив­ной нагрузке без фильтра. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет , в то время как для двухполу­пе­­риодного однофазного выпрямителя он составляет 67%, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты питаю­щей сети.

Рис.17.4. Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а)

и мостового трехфазного выпрямителя (б)

Все это значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения, а в ряде случаев позволяет вообще обойтись без фильтра.

К недостаткам схемы относится плохое использо­вание трансформатора, работающий с подмагничиванием по­стоянным током, и повышенное обратное напряжение на выпрями­тельных диодах.

Мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларио­нова) приведена на рис.17.4,б. В этой схеме включены 6 диодов, которые выпрямляют как положительные, так и отрицательные по­луволны трехфазного напряжения. При этом в любой произволь­ный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее по-

ложительное напряжение, а на катоде — наибольшее отрицательное. Графики токов и напряжений для трехфазной мос­товой схемы приведены на рис.17.5,б. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие под­магничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций (равный 5,7%) и вдвое увеличенная частота пульсаций . Все это позволяет во многих случаях не использовать вы­ходной фильтр.

 

Рис.17.5. Формы напряжений и токов в трехфазном выпрямителе с нуле-

вой точкой (а) и в трехфазном мостовом выпрямителе (б)

Для сравнения рассмотренных схем выпрямителей в табл.17.1 при­ведены их основные параметры при работе на резистивную на­г­рузку без фильтра. В этой таблице приняты следующие обозначения основных характеристик: — коэффициент транс-

фор­­­мации, -действующее значение напряжения на первич­ной обмотке, — действующее значение напряжения на вто­ричной обмотке, w₁ и w₂ — число витков первичной и вторич­ной обмоток соответственно, — расчетное значе­ние напряжения на нагрузке, — чис­ло последовательно включен­ных диодов, — среднее

 

Таблица 17.1

Узнать еще:

Выпрямители — Студопедия

3.1 Общие соображения на примере простейших схем.

В общем случае задача выпрямительного элемента – получить из периодического сигнала без постоянной составляющей однополярный сигнал (где она есть). Рассмотрим реализацию этой задачи на простейшем примере.

3.1.1 Однофазный (однополупериодный) выпрямитель, работающий на активную нагрузку R_н.

Его схема приведена на рис. 25:

На его вход подается однофазный гармонический сигнал. Трансформатор служит для преобразования амплитуды сигнала в требуемое значение. Основным элементом выпрямителя является вентиль, пропускающий ток в одном направлении. Здесь в качестве вентиля используется полупроводниковый диод. Связь между током и напряжением в нем

определяется его вольт – амперными характеристиками (ВАХ) рис. 26.

Вентильные свойства диода определяются значениями U_пор. Для наиболее применяемых на практике кремниевых диодов U_пор» 0,6–0,7 В. При u>U_пор диод открыт, при u<U_пор диод закрыт. При анализе выпрямителей используют кусочно – линейную аппроксимацию ВАХ диода (жирная линия, рис. 26), а при больших напряжениях (более 10 В) считают U_пор» 0 (пунктирная линия, рис. 26).

На практике используемые в ЭПУ кремниевые диоды обычно не имеют ограничений по частоте.

Тогда работу выпрямителя рис. 25 можно наглядно представить следующим образом (рис. 27):

Выпрямленное напряжение имеет вид, представленный на рис. 27 б. Используя ранее введенные понятия постоянной составляющей сигнала U₀ и его коэффициент пульсации k_п можно качественно оценить напряжение на нагрузке. Известно, что постоянная составляющая для такого вида сигналов равна:

U₀=U_max/p.

Амплитуда максимальной (первой) гармоники:

U₁= U_max/2,

тогда коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды первой гармоники, содержащейся в рассматриваемом напряжении к его постоянной составляющей k_п = U₁/U₀, равен:

k_п=1,57.

Такой коэффициент является, очевидно, очень большим, на практике такой выпрямитель может использоваться только в особых случаях, например в зарядных устройствах.

Видно, что в данном случае используется только положительная полуволна сигнала. Для того чтобы использовать еще и отрицательную полуволну, необходимо применять двухполупериодный выпрямитель.

3.1.2 Двухфазный (двухполупериодный) выпрямитель, работающий на активную нагрузку R_н.

Его схема представлена на рис. 28.

Здесь в качестве первичного сигнала – однофазный сигнал, для возможности использования второй полуволны применяется более сложный двухтактный трансформатор. Считаем, что схема полностью симметрична.

В связи с тем, что диоды в данной схеме включены в обратную сторону, напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) имеет вид, представленный на рис. 28 б. Для того чтобы получить U_н>0 надо «перевернуть» диоды. Видно, что выходное напряжение ближе по форме к постоянному, чем в первом случае. Для данного случая имеем:

U₀=2U_max/p,

k_п=0,67.

Следует также отметить, что частота пульсаций на нагрузке в этом случае в два раза выше частоты входного напряжения при тех же параметрах входного сигнала, что облегчает их последующую фильтрацию.

Однако для построения данной схемы необходимо использование двухфазного трансформатора, более сложного, чем его однофазный аналог. Получить напряжение на нагрузке, аналогичное напряжению двухфазного выпрямителя при однофазном трансформаторе, можно, используя мостовую схему.

3.1.3 Схема Греца (мостовая), работающая на активную нагрузку R_н.

Она представлена на рис. 29.

Схема Греца эквивалентна двухфазной схеме по виду выходного сигнала. Она построена на одной вторичной обмотке однотактного трансформатора. В этой схеме трансформатор упрощается по сравнению с предыдущей схемой, однако становиться на два диода больше. Параметры выходного напряжения аналогичны предыдущему случаю. К числу достоинств данной схемы можно отнести также меньшее в два раза обратное напряжение на вентиль. С другой стороны, по этой причине применение данной схемы при построении низковольтных (меньше 5–7 В) выпрямителей нежелательно, так как вклад U_пор в данной схеме удваивается.

В рассмотренных выпрямителях, работающих на активную нагрузку, для выделения постоянной составляющей и уменьшения коэффициента пульсаций в нагрузке необходим фильтр.

3.1.4 Замечания о фильтре.

Включение фильтра, содержащего реактивные элементы, помимо уменьшения коэффициента пульсаций, также может привести к изменению постоянной составляющей U₀ за счет накопления энергии в них. (CU²/2 или LI²/2). Для простейшего емкостного фильтра (рис. 30),

включенного в однофазный выпрямитель, при постоянной времени

много большей, чем период колебаний T, не только значительно уменьшается коэффициент пульсаций, но уровень постоянной составляющей выходного напряжения U₀ приближается к U_max:

В идеальном случае U₀ = U_max.

3.1.5 Умножители напряжения.

Достаточно часто оказывается необходимо получать выпрямленное напряжение, превосходящее по величине входное напряжение. Для этого может быть использована схема удвоения напряжения, представленная на рис. 32.

Схема позволяет не меняя исходного трансформатора увеличить U_вых в два раза за счет применения дополнительного накопительного элемента C_н. При правильном выборе емкостей C и C_н U_вых равно 2U_max.

Базируясь на этой идее можно получать утроенное (рис. 33) и даже учетверенное значение напряжения.

Эти схемы по качественным показателям аналогичны однофазной схеме выпрямителя. Их выходное напряжения является несимметричным.

Схема Латура (рис. 34), по сути дела – два однофазных выпрямителя работающие на емкостной фильтр и построенные на одной вторичной обмотке трансформатора.

На нагрузке происходит сложение их выпрямленных напряжений. Относительно средней точки (рис. 34 б) верхний и нижний выпрямители создают одинаковое постоянное напряжение, но противоположной полярности. Получается это потому, что верхний вентиль подсоединен ко вторичной обмотке своим анодом, а нижний — катодом.

Общее выходное напряжение, снимаемое с двух конденсаторов, равно их сумме:

U₀=U₀₁+U₀₂=2U₀₁ .

Каждый из выпрямителей отдает в свою нагрузку ток I₀.

Напряжения на каждом из конденсаторов имеет пилообразную форму. Наложив графики напряжений на кривую ЭДС вторичной обмотки можно определить интервалы времени, в течение которых открыты вентили. Ток вторичной обмотки повторяет по форме ток первичной обмотки и не содержит постоянной составляющей, подмагничивающей сердечник.

Помимо удвоения постоянной составляющей при сложении компенсируются первая и все остальные нечетные гармоники пульсаций. Таким образом, схема удвоения в данном случае ведет себя как двухфазная схема, хоть и состоит из двух однофазных схем.

Для данной схемы:

I₂»3,5I0; I_m»7I₀; E₂»0,5U₀;

E_{обр m}»1,4; VA_ср»1,6P₀.

3.2 Параметры выпрямителя.

1. Характеристики входного сигнала: форма сигнала, его параметры (амплитуда и частота), и число фаз.

2. Характеристики выходного сигнала: U₀, коэффициент пульсаций k_п.

3. Сопротивление нагрузки R_н.

4. Требования к вентилю.

1) U_{д max} – максимальное обратное напряжение, U_{д max} £ U_{д доп}

2) I_{д доп} – максимальный ток, I_{д max}£ I_{д доп}

5. Требования к трансформатору

1) Габаритная мощность P_габ.

2) Напряжение и ток выходных обмоток трансформатора U₂ и I₂.

6. Требования к фильтру.

Они определяются в основном коэффициентом пульсаций k_п. Однако, если рассмотреть подробнее какое влияние оказывает фильтр на работу выпрямителя, оказывается, что фильтр существенно влияет на режим работы вентилей в выпрямителе и тем самым определяет токи и напряжения в обмотках трансформатора. Поэтому необходимо рассматривать в общем случае работу выпрямителей в совокупности с фильтром. [2]

3.3 Выпрямители и фильтры.

Как правило, выпрямитель начинается с трансформатора, который выдает напряжение с числом фаз m. Наиболее эффективно использовать трехфазный сигнал. Как правило, выходные обмотки трехфазного трансформатора включаются звездой (входные могут быть как звездой, так и треугольником, в данном случае это не играет никакой роли, т.к. они могут быть пересчитаны друг в друга). Вентили включены в каждую из обмоток.

Наиболее употребительные на практике варианты нагрузок вместе с фильтром приведены на рис. 36.

Как отмечалось, вариант 0 – работа на резистивную нагрузку используется редко, хотя с ростом числа фаз пульсации резко уменьшаются и можно применять такой выпрямитель как зарядное устройство или там, где требования к пульсациям низки.

Вариант 1 имеет очень плохие нагрузочные характеристики и на практике не используется.

Вариант 2 используется чаще в маломощных выпрямителях, т.к. для получения хороших показателей необходима большая емкость.

Наиболее часто используются варианты 3 и 4.

Первый элемент фильтра (параллельная емкость или последовательная индуктивность) самым существенным образом определяют режим работы вентилей выпрямителя и трансформатора, поэтому выделяют два класса выпрямителей – работающие на индуктивную или емкостную нагрузки.

3.3.1 Выпрямитель гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента.

Схема выпрямителя гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента, представлена на рис. 37:

Здесь, например, e₂₁ и E₂₁ – соответственно мгновенное значение и амплитуда первой гармоники напряжения на вторичной обмотке.

Режим работы выпрямителя зависит от величины индуктивности дросселя L, образующего вместе с конденсатором C сглаживающий фильтр. Если запас энергии в дросселе достаточен для того, чтобы подпитывать нагрузку током в течение интервала времени, во время которого мгновенная мощность в сети переменного тока будет меньше мощности, потребляемой нагрузкой, то ток в дросселе i₀ (выпрямленный ток) непрерывен. При этом в выпрямителе всегда открыт какой-нибудь из вентилей.

В противном случае при малом запасе энергии в дросселе ток i₀ получается разрывным (пульсирующим). В те моменты, когда он равен нулю, все вентили оказываются заперты, а поступление мощности в нагрузку происходит благодаря разрядке конденсатора C.

Временные диаграммы токов и напряжений в данной схеме при больших

значениях индуктивности дросселя представлены на рис. 38.

Ток в индуктивности i₀ здесь непрерывен и состоит из токов каждой из фаз (на рисунке показаны токи первой i₁ и второй фазы i₂).

Отметим основные особенности работы выпрямителя.

1. Длительность работы каждой фазы равна T/m, где m – число фаз.

2. Период основной гармоники пульсаций также определяется числом фаз: T/m.

3. Выпрямленное напряжение E₀ определяется числом фаз:

E₀=E₂/b(m).

При m=2 b(m)=1.11,

m =3 b(m)=0.855,

m =6 b(m)=0.74.

4. Максимальное обратное напряжение на диодах E_обр при нечетном числе фаз менее 2E_m. Для m=3 E_обр=E_mÖ3. Для четного числа фаз E_обр=2E_m.

5. Коэффициент пульсаций также зависит от m:

k_п=k_п1=2/(m²–1)=D(m)/w²LC,

где D(m)=0,169 для 2-х фазного выпрямителя и 0,0284 для 3-х ф.

6. Ток, протекающий через индуктивность:

Считаем, что E₀=E_{2действ}, C – константа, равная постоянной составляющей выпрямленного тока:

I₀=(E_2m/R_н)(m/p)sin(p/m).

Если индуктивность дросселя равна критической, то минимум тока i₀ равен нулю. Это позволяет определить условия для расчета L_кр:

wL_кр = x(m)R_н.

Анализ показывает, что коэффициент x(m) является функцией только от m. Его значения:

при m=2, x(m)=0.332;

m=3, x(m)=0.083;

m=6, x(m)=0.01.

Отсюда можно найти L_кр. При фиксированных частоте и сопротивлении нагрузки имеем:

Заметим, что

L_кр(m=6)<< L_кр(m=2),

при L>>L_кр, как отмечалось,

i₀»const»i_н.

7. Максимальный ток через диоды i_max»I₀»i₀, а его действующее

значение

i_действ=I₀/m.

8. Требования к трансформатору.

Исходя из напряжения E₀и тока I₀получим, что габаритная мощность со стороны вторичной обмотки:

(VA)₂ = mE₀I₀, где

E₀ = E₂ b(m), I₀ » I_вент. [1, 2, 4]

3.3.2 Выпрямитель гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с емкостного элемента.

Схема выпрямителя гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с емкостного элемента, представлена на рис. 39:

Временные диаграммы, поясняющие его работу – на рис. 40.

Рис.40

Чтобы конденсатор C, шунтирующий нагрузку выпрямителя (рис 39), сглаживал пульсации выходного напряжения, его емкость должна быть достаточно большой. Тогда при его разряде на нагрузочный резистор напряжение на конденсаторе спадает медленнее, чем уменьшается ЭДС заряжавшей его перед этим фазы. Поэтому в некоторый отрезок времени напряжение на конденсаторе окажется большим ЭДС любой из фаз вторичной обмотки трансформатора, и все вентили будут закрыты. Т.е. длительность работы каждой из фаз будет меньше, чем 2p/m.

Ток через вентиль будет протекать в случае, когда u_а> u_к. На катодах вентилей u_к» u₀» const, а на анодах u_а» e_2i.

Поскольку вентиль в открытом состоянии представляет собой активное сопротивление, а напряжения на нем меняется по гармоническому закону, то ток через него имеет форму отрезка косинусоиды в интервале от –q до q. Тогда в зависимости от угла q определяются следующие параметры выпрямителя:

U₀= E_2m cosq,

i_действ,

i₀=i_maxa₀(q),

i₁=i_maxa₁(q),

i_maxi=(e₂₁–U₀)/r, где r – сопротивление обмотки и диода.

Расчет k_псложен, т.к. зависит от формы импульсов тока. Оценка в схемах выпрямителей, начинающихся с емкостей на практике начинается с оценки k_пдля имеющихся конденсаторов, или, задаваясь k_п, определяется минимальное значение их требуемой емкости. Так, например, для двухфазной схемы, при k_п=0.1, минимальное значение емкости:

[ 2]

3.3.3 Токи в обмотках трансформатора выпрямительных схем.

Работа трансформатора в значительной степени ухудшается, если в его обмотках протекает постоянный ток – т.н. ток подмагничивания. Его наличие приводит к тому, что повышается общий уровень магнитного поля в магнитопроводе и, в результате, падает эффективное значение m_ср. Для сохранения работоспособности трансформатора необходимо увеличивать габариты трансформатора, что нежелательно. В связи с этим следует рассмотреть, какие токи протекают в трансформаторе при работе различных выпрямительных схем.

В связи с этим, однополупериодный выпрямитель, как правило, используется без трансформатора, а при его наличии имеет место подмагничивание магнитопровода постоянным током. В связи с этим ее применение для мощных выпрямителей является нежелательным. Схема выпрямителя представлена на рис. 41 а, диаграммы протекающих токов на рис. 41 б.

В отличие от однополупериодного выпрямителя использование мостового выпрямителя (рис. 42а) не приводит к появлению постоянной составляющей тока, протекающего через трансформатор. Временные диаграммы его работы

представлены на рис. 42 б.

Для положительной полуволны ток идет через диоды 1 и 2, для отрицательной – через 3 и 4. В мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание, так как токи первичной и вторичной обмоток не содержат постоянных составляющих при условии симметричности всех элементов, входящих в состав схемы. В связи с этим его работа в данной схеме предпочтительнее, чем на предыдущей. К недостаткам мостовых схем следует отнести необходимость выполнения вторичных обмоток трансформатора строго симметричными. При асимметрии обмоток в выпрямленном напряжении возникает составляющая пульсаций с частотой выпрямляемой сети.

При работе на трехфазную схему по входным обмоткам нет постоянной составляющей (постоянного подмагничивания), но в выходных обмотках она есть. Но магнитный поток вынужденного подмагничивания через воздух вокруг трансформатора невелик, и его можно не учитывать.

3.3.4 Схема Ларионова

Строится на трехфазном трансформаторе и содержит 6 вентилей (рис. 43а). Вентили 1, 2 и 3 образуют один трехфазный выпрямитель с выходным напряжением e₀₁, являющимся огибающей положительных значений напряжений всех трех фаз (рис 4.43 б). Вентили 4, 5 и 6 образуют второй трехфазный выпрямитель, построенный так же на тех же вторичных обмотках трансформатора и создающий выпрямленное напряжение e₀₂.

Это напряжение является огибающей отрицательных значений ЭДС всех фаз, так как вторая группа вентилей подсоединена к обмоткам катодами, а не анодами. Эти два выпрямителя имеют общую, точку (среднюю точку вторичных обмоток) и, таким образом, соединены последовательно. Их общее выходное напряжение:

e₀= e₀₁+ e₀₂.

На выходе складываются только постоянные составляющие и четные гармонии пульсаций. Нечетные гармоники в двух выпрямителях получаются противофазными и при сложении компенсируются (рис. 43 в). Поэтому схема Ларионова имеет на выходе шестифазные пульсации. В каждой «фазной» обмотке токи двух выпрямителей не перекрываются во времени, так как из-за различного подключении вентилей сдвинуты по фазе на угол, равный p.

Ток первой фазы вторичной o6мотки равен сумме токов через вентили 1 и 6. Ток i₁проходит в положительном направлении в ту часть периода, когда напряжение первой фазы наибольшее и положительное, т. е. в интервале углов от —p/3 до p/3 (перекрытием фаз пренебрегаем). Ток i₆проходит в противоположном направлении и в те моменты времени, когда напряжение на первой фазе отрицательно и имеет наибольшее значение по модулю, т. e в интервале углов от 2p/3 до 4p/3 (рис. 43, г). Поэтому действующее значение тока фазы в Ö2 раз больше действующего значения тока вентиля:

I₂=Ö2I_в=I₀Ö2 /Ö3.

Графики токов остальных фаз, построенные по этому принципу, показаны на рис. 43, д, е. Ток вторичных обмоток не содержит постоянной составляющей, поэтому в схеме Ларионова нет вынужденного подмагничивания. а токи первичной обмотки повторяют по форме соответствующие им токи вторичной обмотки (рис. 43. ж).

Подсчет габаритной мощности трансформатора для схемы Ларионова позволяет получить:

VA_тр=3 I₂E₂=3 0.815 I₀0.427 E₀=1.05 P₀,

что соответствует наилучшему значению из всех схем. Так как в схеме Ларионова происходит удвоение напряжения, то обратное напряжение на вентиль получается относительно малым:

E_обр=1.05 E₀

Последнее время выпрямители по схеме Ларионова широко используются в трехфазных цепях в бестрансформаторном варианте с нагрузкой, начинающейся с емкостного элемента. Аналогичные выпрямители используются в качестве входных для источников питания с трансформаторами, работающими на повышенных частотах (50…100 кГц).

Вообще, в схеме с индуктивной нагрузкой трансформатор используется лучше, чем в схеме с емкостной нагрузкой. Это объясняется тем, что индуктивность, обладающая значительным сопротивлением для переменной составляющей тока, включается последовательно на определенную часть периода в цепь каждой фазы и уменьшает значение переменной составляющей. [2]

3.4 Сравнительная таблица некоторых параметров выпрямителей.

Вид схемы	Схемы, работающие на емкостную нагрузку	Схемы, работающие на индуктивную нагрузку	kп(без фильтра) на Rн	fпульсац/fсигн
VAтр/P0	Eобр/U0	VAтр/P0	Eобр/U0
Однофазный выпрямитель	2,25	2,65			1,57
Удвоитель напряжения	1,66	1,33
Двухфазный выпрямитель		2,65	1,34	3,14	0,666
Мостовой выпрямитель	1,66	1,33	1,11	1,57	0,666
Трехфазный выпрямитель	1,36	1,42			0,25
Схема Ларионова.			1,05	1,06	0,06

Некоторые замечания:

1. Амплитуда выпрямленного напряжения при работе на емкостную нагрузку примерно равна амплитуде напряжения на выходе трансформатора, при работе на индуктивную нагрузку – меньше.

2: Выходной ток зависит от R_н, а при емкостном фильтре еще и от параметров фильтра и угла отсечки тока (т.е. надо знать I_max, I_действ).

3. Коэффициент пульсаций k_побычно приводят при работе на активную нагрузку, он сильно уменьшается с ростом числа фаз. Для бытовых целей k_п=0.06 может оказаться вполне достаточно.

3.5 Сглаживающие фильтры.

Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения (снижения k_п) между выпрямителем и нагрузкой включают фильтр. Он пропускает с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим – переменную. Фильтр на основе простого Г-образного звена представлен на рис. 44 а:

Здесь, при условии малости переменной составляющей:

e»E₀– напряжение на выходе выпрямителя (входе фильтра),

u»U₀– напряжение на нагрузке (выходе фильтра).

Считая, что переменная часть входного и выходного сигнала фильтра ограничивается одной гармоникой (с амплитудами соответственно E₁и U₁), введем коэффициент сглаживания g:

Для фильтра без потерь U₀=E₀ и с учетом w_пCR>>1:

g=E₁/U₁»w_п²LC–1=(w_п/w_ф)²–1,

где w_ф²=1/LC.

Чтобы сглаживание пульсаций было эффективно, резонансная частота фильтра w_ф должна быть много меньше w_п.

При нагрузке в виде высокоомного сопротивления может использоваться RC-фильтр (ставиться R вместо L), представленный на рис. 42 б, тогда

U₀=E₀R/(R+R_ф),

а коэффициент пульсаций: g»w_п CR_ф.

При применении такого фильтра при фильтрации теряется значительная часть мощности выпрямленного тока. Однако, для приемлемого по габаритам и емкости C удается подобрать сопротивление резистора R_ф, удовлетворяющего как условию малых потерь мощности

R_ф<<R,

так и условию хорошего сглаживания первой гармоники пульсаций

w_пCR>>1.

Очевидно, что при малых сопротивлениях нагрузки это сделать затруднительно, в этом случае очевидны достоинства LC-фильтра.

На практике некоторые каскады применяемых устройств предъявляют более жесткие требования к напряжению питания, причем не имеет смысла получать все напряжения с минимальными пульсациями. Т.е. оказывается выгоднее иметь набор напряжений с различными требованиями к k_п. В этих случаях используются многозвенные фильтры (рис 45).

Первое звено выпрямителя сглаживает напряжение до требуемого для одной части потребителей, потом это напряжение подвергается дополнительной фильтрации на последующих звеньях. В результате можно получить напряжение с очень малыми пульсациями.

При этом справедливо:

k_{п вых}= k_{п вх} / (g₁g₂),

а общий коэффициент сглаживания:

g=g₁g₂.

ac — Выпрямитель на две фазы (220 В 50 Гц)

У меня есть схема переключателя, которая работает с двумя фазами. Мне нужен источник питания обратного SMPS для моей логической схемы. Я хочу, чтобы моя схема управления работала, если на одну или обе фазы подается питание. Это может быть достигнуто, если мой конденсатор постоянного тока большой емкости получает питание от обеих фаз одновременно. В настоящее время моя силовая цепь получает питание от одной фазы, например:

Чтобы добавить вторую фазу, я планирую сделать это:

Будет ли работать? Я думаю, это должно быть, потому что напряжение конденсатора будет блокировать любое напряжение ниже, чем его напряжение, прямо за самим диодом в любой момент времени.

Или я не прав? На конденсаторе большой емкости будет ли два напряжения бороться друг с другом?

В случае, если это сработает, могу я сделать что-то вроде этого:

Я удалил резервное питание нейтрали в нижнем выпрямителе, тем самым сэкономив два диода.

Что еще я упускаю, кроме этого? Будет ли напряжение на конденсаторе оставаться неизменным независимо от того, подают ли питание на одну или обе фазы, или оно будет другим?

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Посмотрев ответы, я понял, что если я использую полные мостовые выпрямители, как показано на предыдущих изображениях, пиковая мощность на конденсаторе большой емкости значительно увеличится в зависимости от разности фаз напряжений.Это увеличение вызовет трудности по этим двум причинам:

1) Чем выше напряжение, тем выше номинальное напряжение конденсатора

2) Может оказаться трудным найти ИС обратного хода, работающую при таком высоком напряжении.

3) Даже если конденсатор и ИС доступны, это может быть дороже по сравнению с тем, что я могу использовать с более низким напряжением, которое я получаю в однофазной конструкции.

В таком случае могу придумать другой вариант. Использование полумостовых выпрямителей для выпрямления каждой фазы и использование нейтральной линии в качестве эталона:

Поскольку моя требуемая выходная мощность составляет менее 5 Вт (обычно 1-2 Вт), я считаю, что полумост будет работать, даже когда доступна только одна фаза.Это также гарантирует, что мой конденсатор большой емкости не будет видеть напряжение выше sqrt (2) * 220 В = 311 В пиковое. В худшем случае, когда Vrms = 270 В, будет получено пиковое напряжение 382 В. Таким образом, мне не нужно модифицировать мою существующую схему однофазного источника питания после конденсатора большой емкости.

Правильно ли я так думаю? Есть ли лучший способ сделать это?

Полноволновой выпрямитель

и теория мостового выпрямителя

В предыдущем руководстве по силовым диодам мы обсудили способы уменьшения пульсаций или колебаний напряжения постоянного постоянного напряжения путем подключения сглаживающих конденсаторов через сопротивление нагрузки.

Хотя этот метод может быть подходящим для приложений с низким энергопотреблением, он не подходит для приложений, которым требуется «стабильное и плавное» напряжение питания постоянного тока. Один из способов улучшить это — использовать каждый полупериод входного напряжения вместо каждого другого полупериода. Схема, которая позволяет нам это делать, называется полноволновым выпрямителем .

Подобно полуволновой схеме, двухполупериодная схема выпрямителя вырабатывает выходное напряжение или ток, которые являются чисто постоянным током или имеют некоторую заданную составляющую постоянного тока.Двухполупериодные выпрямители имеют некоторые фундаментальные преимущества перед своими полуволновыми выпрямителями. Среднее (постоянное) выходное напряжение выше, чем для полуволны, выход двухполупериодного выпрямителя имеет гораздо меньшую пульсацию, чем полуволновой выпрямитель, обеспечивая более плавную форму выходного сигнала.

В схеме полноволнового выпрямителя теперь используются два диода, по одному на каждую половину цикла. Используется многообмоточный трансформатор, вторичная обмотка которого разделена поровну на две половины с общим центральным ответвленным соединением (C).Эта конфигурация приводит к тому, что каждый диод проводит по очереди, когда его анодный вывод является положительным по отношению к центральной точке трансформатора C, создавая выходной сигнал в течение обоих полупериодов, в два раза больше, чем для полуволнового выпрямителя, поэтому он имеет 100% эффективность, как показано ниже.

Схема полноволнового выпрямителя

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из двух мощных диодов , подключенных к одному сопротивлению нагрузки (R _L ), каждый из которых по очереди подает ток на нагрузку.Когда точка A трансформатора является положительной по отношению к точке C, диод D ₁ проводит в прямом направлении, как показано стрелками.

Когда точка B положительна (в отрицательной половине цикла) относительно точки C, диод D ₂ проводит в прямом направлении, а ток, протекающий через резистор R, имеет одинаковое направление для обоих полупериодов. Поскольку выходное напряжение на резисторе R представляет собой векторную сумму двух комбинированных сигналов, этот тип схемы двухполупериодного выпрямителя также известен как «двухфазная» схема.

Мы можем ясно увидеть это влияние, если запустим схему в схеме симулятора партисимулятора с удаленным сглаживающим конденсатором.

Форма волны симуляции частичного симулятора

Поскольку промежутки между каждой полуволной, создаваемой каждым диодом, теперь заполняются другим диодом, среднее выходное напряжение постоянного тока на нагрузочном резисторе теперь вдвое больше, чем у схемы однополупериодного выпрямителя, и составляет около 0,637 В _макс. пикового напряжения без потерь.

Где: V _MAX — максимальное пиковое значение в одной половине вторичной обмотки, а V _RMS — действующее значение.

Пиковое напряжение выходного сигнала такое же, как и прежде, для полуволнового выпрямителя при условии, что каждая половина обмоток трансформатора имеет одинаковое среднеквадратичное значение напряжения. Чтобы получить различное выходное напряжение постоянного тока, можно использовать разные коэффициенты трансформатора.

Основным недостатком этого типа схемы двухполупериодного выпрямителя является то, что для данной выходной мощности требуется трансформатор большего размера с двумя отдельными, но идентичными вторичными обмотками, что делает этот тип двухполупериодной схемы выпрямления более дорогостоящей по сравнению со схемой «Полнополупериодный мостовой выпрямитель». эквивалент.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Другой тип схемы, которая выдает ту же форму выходного сигнала, что и схема двухполупериодного выпрямителя, описанная выше, — это схема полноволнового мостового выпрямителя . В однофазном выпрямителе этого типа используются четыре отдельных выпрямительных диода, соединенных в виде «мостовой» конфигурации с обратной связью для получения желаемого выходного сигнала.

Основным преимуществом этой мостовой схемы является то, что она не требует специального трансформатора с центральным ответвлением, что снижает ее размер и стоимость.Одиночная вторичная обмотка подключена к одной стороне сети диодного моста, а нагрузка — к другой, как показано ниже.

Диодный мостовой выпрямитель

Четыре диода с маркировкой от D ₁ до D ₄ расположены «последовательными парами», причем ток в каждом полупериоде проходит только через два диода. Во время положительного полупериода питания диоды D1 и D2 проходят последовательно, в то время как диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении, и ток течет через нагрузку, как показано ниже.

Положительный полупериод

Во время отрицательного полупериода питания диоды D3 и D4 проходят последовательно, но диоды D1 и D2 выключаются, поскольку теперь они смещены в обратном направлении. Ток, протекающий через нагрузку, имеет то же направление, что и раньше.

Отрицательный полупериод

Поскольку ток, протекающий через нагрузку, является однонаправленным, напряжение, развиваемое на нагрузке, также однонаправлено, как и в двухполупериодном двухполупериодном выпрямителе с двумя предыдущими диодами, поэтому среднее напряжение постоянного тока на нагрузке равно 0.637 В _макс .

Типичный мостовой выпрямитель

Однако в действительности в течение каждого полупериода ток протекает через два диода вместо одного, поэтому амплитуда выходного напряжения на два падения напряжения (2 * 0,7 = 1,4 В) меньше амплитуды входного V _MAX . Частота пульсаций теперь вдвое превышает частоту источника питания (например, 100 Гц для источника питания 50 Гц или 120 Гц для источника питания 60 Гц).

Хотя мы можем использовать четыре отдельных силовых диода для создания двухполупериодного мостового выпрямителя, готовые компоненты мостового выпрямителя доступны «в готовом виде» с различными значениями напряжения и тока, которые могут быть впаяны непосредственно в печатную плату. платы или быть подключенными лопатками разъемов.

На изображении справа показан типичный однофазный мостовой выпрямитель с срезанным одним углом. Этот срезанный угол указывает на то, что ближайшая к углу клемма является положительной или положительной выходной клеммой или выводом, а противоположный (диагональный) вывод является отрицательным или отрицательным выводом. Два других соединительных провода предназначены для ввода переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора.

Сглаживающий конденсатор

В предыдущем разделе мы видели, что однофазный однополупериодный выпрямитель генерирует выходную волну каждые полупериод, и что было непрактично использовать этот тип схемы для создания стабильного источника постоянного тока.Однако двухполупериодный мостовой выпрямитель дает нам большее среднее значение постоянного тока (0,637 В макс.) С меньшими наложенными пульсациями, в то время как форма выходного сигнала вдвое превышает частоту входной частоты источника питания.

Мы можем улучшить средний выход постоянного тока выпрямителя, в то же время уменьшив изменение переменного тока выпрямленного выхода, используя сглаживающие конденсаторы для фильтрации формы выходного сигнала. Сглаживающие или накопительные конденсаторы, подключенные параллельно нагрузке на выходе схемы двухполупериодного мостового выпрямителя, увеличивают средний выходной уровень постоянного тока еще выше, поскольку конденсатор действует как запоминающее устройство, как показано ниже.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Сглаживающий конденсатор преобразует двухполупериодную рябь на выходе выпрямителя в более плавное выходное напряжение постоянного тока. Если мы теперь запустим схему симулятора Partsim с разными значениями установленного сглаживающего конденсатора, мы сможем увидеть, как он влияет на выпрямленную форму выходного сигнала, как показано.

5 мкФ Сглаживающий конденсатор

Синий график на осциллограмме показывает результат использования 5.Сглаживающий конденсатор 0 мкФ на выходе выпрямителя. Раньше напряжение нагрузки соответствовало выпрямленной выходной форме волны до нуля вольт. Здесь конденсатор 5 мкФ заряжается до пикового напряжения выходного импульса постоянного тока, но когда оно падает с пикового напряжения обратно до нуля вольт, конденсатор не может разряжаться так быстро из-за постоянной времени RC цепи.

Это приводит к разрядке конденсатора примерно до 3,6 вольт, в этом примере напряжение на нагрузочном резисторе поддерживается до тех пор, пока конденсатор не перезарядится еще раз при следующем положительном наклоне импульса постоянного тока.Другими словами, у конденсатора есть время лишь ненадолго разрядиться, прежде чем следующий импульс постоянного тока снова зарядит его до пикового значения. Таким образом, напряжение постоянного тока, приложенное к нагрузочному резистору, падает лишь на небольшую величину. Но мы можем улучшить это еще, увеличив емкость сглаживающего конденсатора, как показано.

Сглаживающий конденсатор 50 мкФ

Здесь мы увеличили емкость сглаживающего конденсатора в десять раз с 5 мкФ до 50 мкФ, что уменьшило пульсации, увеличив минимальное напряжение разряда по сравнению с предыдущими 3.От 6 вольт до 7,9 вольт. Однако, используя схему симулятора Partsim, мы выбрали нагрузку 1 кОм, чтобы получить эти значения, но по мере того, как сопротивление нагрузки уменьшается, ток нагрузки увеличивается, что приводит к более быстрой разрядке конденсатора между импульсами зарядки.

Влияние подачи большой нагрузки с помощью одного сглаживающего или накопительного конденсатора можно уменьшить за счет использования конденсатора большего размера, который накапливает больше энергии и меньше разряжается между импульсами зарядки. Обычно для цепей питания постоянного тока сглаживающий конденсатор является алюминиево-электролитическим типом, который имеет значение емкости 100 мкФ или более с повторяющимися импульсами постоянного напряжения от выпрямителя, заряжающего конденсатор до пикового напряжения.

Однако есть два важных параметра, которые следует учитывать при выборе подходящего сглаживающего конденсатора, и это его рабочее напряжение , которое должно быть выше, чем выходное значение холостого хода выпрямителя, и его значение емкости , которое определяет величину пульсации, которая появится поверх напряжения постоянного тока.

Слишком низкое значение емкости, и конденсатор мало влияет на форму выходного сигнала. Но если сглаживающий конденсатор достаточно большой (можно использовать параллельные конденсаторы) и ток нагрузки не слишком велик, выходное напряжение будет почти таким же плавным, как чистый постоянный ток.Как правило, мы стремимся к тому, чтобы пульсации напряжения составляли менее 100 мВ от пика к пику.

Максимальное напряжение пульсаций, присутствующее в схеме полноволнового выпрямителя , определяется не только значением сглаживающего конденсатора, но и частотой и током нагрузки, и рассчитывается как:

Напряжение пульсаций мостового выпрямителя

Где: I — постоянный ток нагрузки в амперах, ƒ — частота пульсаций или удвоенная входная частота в герцах, а C — емкость в фарадах.

Основное преимущество двухполупериодного мостового выпрямителя заключается в том, что он имеет меньшее значение пульсаций переменного тока для данной нагрузки и меньший резервуар или сглаживающий конденсатор, чем эквивалентный полуволновой выпрямитель. Следовательно, основная частота пульсаций напряжения вдвое больше, чем частота переменного тока (100 Гц), тогда как для полуволнового выпрямителя она точно равна частоте питания (50 Гц).

Величину пульсаций напряжения, которые накладываются диодами поверх напряжения питания постоянного тока, можно практически исключить, добавив значительно улучшенный π-фильтр (пи-фильтр) к выходным клеммам мостового выпрямителя.Этот тип фильтра нижних частот состоит из двух сглаживающих конденсаторов, обычно одинакового номинала, и дросселя или индуктивности между ними, чтобы ввести путь с высоким сопротивлением к переменной составляющей пульсаций

.

Другой более практичной и дешевой альтернативой является использование стандартной микросхемы трехконтактного регулятора напряжения, такой как LM78xx (где «xx» означает номинальное выходное напряжение) для положительного выходного напряжения или его обратный эквивалент LM79xx для отрицательное выходное напряжение, которое может уменьшить пульсации более чем на 70 дБ (техническое описание), обеспечивая при этом постоянный выходной ток более 1 А.

Почему бы не проверить свои знания о схемах двухполупериодного выпрямителя с помощью программы Partsim Simulator Tool сегодня. Попробуйте разные значения сглаживающего конденсатора и сопротивления нагрузки в вашей цепи, чтобы увидеть влияние на форму выходного сигнала.

В следующем уроке о диодах мы рассмотрим стабилитрон, который использует свою характеристику напряжения обратного пробоя для создания постоянного и фиксированного выходного напряжения на самом себе.

Выпрямление трехфазного источника питания с помощью диодов

В предыдущем уроке мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется Rectification , причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на твердотельных полупроводниковых диодах.Фактически, выпрямление переменного напряжения — одно из самых популярных применений диодов, поскольку диоды недороги, малы и надежны, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных схем, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо только один интегрированный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, например, в домах и офисах, как правило, имеют среднеквадратичное значение 120 В или 240 В среднеквадратичное значение фаза-нейтраль, также называемые фазой-нейтралью (LN), и номинально имеют фиксированное напряжение и частоту, создающие переменное напряжение или ток в форма синусоидального сигнала, обозначаемого аббревиатурой «AC».

Трехфазное выпрямление, также известное как схемы многофазного выпрямления, аналогично предыдущим однофазным выпрямителям, разница на этот раз заключается в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным выпрямителем. фазовый генератор.

Преимущество здесь состоит в том, что 3-фазные схемы выпрямления могут использоваться для питания многих промышленных приложений, таких как управление двигателем или зарядка аккумуляторов, которые требуют более высоких требований к мощности, чем может обеспечить схема однофазного выпрямителя.

3-фазные источники питания

развивают эту идею на шаг вперед, объединяя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, при этом каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или чередование фаз: 360 ^o ÷ 3 = 120 ^o , как показано.

Трехфазный сигнал

Преимущество здесь состоит в том, что источник трехфазного переменного тока (AC) может использоваться для подачи электроэнергии непосредственно на сбалансированные нагрузки и выпрямители.Поскольку трехфазный источник питания имеет фиксированное напряжение и частоту, он может использоваться схемой выпрямления для выработки постоянного напряжения постоянного напряжения, которое затем может быть отфильтровано, что приводит к выходному напряжению постоянного тока с меньшей пульсацией по сравнению с однофазной схемой выпрямления.

Трехфазное выпрямление

Убедившись, что трехфазный источник питания — это просто три однофазных соединенных вместе, мы можем использовать это свойство многофазности для создания трехфазных выпрямительных цепей.

Как и в случае однофазного выпрямления, в трехфазном выпрямлении используются диоды, тиристоры, транзисторы или преобразователи для создания полуволновых, двухполупериодных, неуправляемых и полностью управляемых выпрямительных схем, преобразующих заданное трехфазное питание в постоянный выход постоянного тока. уровень.В большинстве случаев трехфазный выпрямитель питается напрямую от электросети или от трехфазного трансформатора, если подключенная нагрузка требует другого выходного уровня постоянного тока.

Как и в случае с предыдущим однофазным выпрямителем, самая основная схема трехфазного выпрямителя представляет собой схему неуправляемого однополупериодного выпрямителя, в которой используются три полупроводниковых диода, по одному диоду на фазу, как показано.

Полуволновое трехфазное выпрямление

Итак, как работает эта схема трехфазного однополупериодного выпрямителя.Анод каждого диода соединен с одной фазой источника напряжения, а катоды всех трех диодов соединены вместе с одной и той же положительной точкой, эффективно создавая схему диодного типа «ИЛИ». Эта общая точка становится положительной (+) клеммой нагрузки, в то время как отрицательная (-) клемма нагрузки подключается к нейтрали (N) источника питания.

Предполагая, что чередование фаз красный-желтый-синий (V _A — V _B — V _C ) и красная фаза (V _A ) начинается с 0 ^o .Первым проводящим диодом будет диод 1 (D ¹ ), поскольку он будет иметь более положительное напряжение на аноде, чем диоды D ₂ или D ₃ . Таким образом, диод D ₁ проводит положительный полупериод V _A , в то время как D ₂ и D ₃ находятся в своем обратном смещенном состоянии. Нейтральный провод обеспечивает обратный путь тока нагрузки обратно к источнику питания.

Через

120 электрических градусов диод 2 (D ₂ ) начинает проводить положительный полупериод напряжения V _B (желтая фаза).Теперь его анод становится более положительным, чем диоды D ₁ и D ₃ , которые оба выключены, потому что они смещены в обратном направлении. Аналогичным образом, 120 ^o позже V _C (синяя фаза) начинает увеличиваться при включении диода 3 (D ₃ ) по мере того, как его анод становится более положительным, таким образом, выключая диоды D ₁ и D ₂ .

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления, какой бы диод ни имел более положительное напряжение на аноде по сравнению с двумя другими диодами, он автоматически начинает проводить, тем самым давая картину проводимости: D ₁ D ₂ D ₃ как показано.

Форма волны проводимости однополупериодного трехфазного выпрямителя

Из приведенных выше осциллограмм для резистивной нагрузки мы можем видеть, что для полуволнового выпрямителя каждый диод пропускает ток в течение одной трети каждого цикла, при этом выходная форма волны в три раза превышает входную частоту источника переменного тока. Следовательно, в данном цикле есть три пика напряжения, поэтому при увеличении количества фаз с однофазного на трехфазное питание улучшается выпрямление питания, то есть выходное постоянное напряжение становится более плавным.

Для трехфазного однополупериодного выпрямителя напряжения питания V _A V _B и V _C сбалансированы, но с разностью фаз 120 ^o , что дает:

В _А = В _P * sin (ωt — 0 ^o )

V _B = V _P * sin (ωt — 120 ^o )

В _С = В _P * sin (ωt — 240 ^o )

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения трехфазного однополупериодного выпрямителя составляет:

Поскольку напряжение обеспечивает пиковое напряжение, V _P равно V _RMS * 1.414, следует, что V _P равно V _P / 1,414, что дает 0,707 * V _P , поэтому среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя может быть выражено через среднеквадратичное значение (среднеквадратичное). подача фазного напряжения:

Пример 3-фазного выпрямления №1

Полупериодный трехфазный выпрямитель состоит из трех отдельных диодов и трехфазного трансформатора, подключенного звездой на 120 В переменного тока. Если требуется питание подключенной нагрузки с импедансом 50 Ом, вычислите, а) среднее выходное напряжение постоянного тока на нагрузку.б) ток нагрузки, в) средний ток на диод. Предположим идеальные диоды.

а). Среднее напряжение нагрузки постоянного тока:

В _DC = 1,17 * Vrms = 1,17 * 120 = 140,4 В

Обратите внимание, что если бы нам дали значение пикового напряжения (V _p ), то:

В _DC будет равно 0,827 * Vp или 0,827 * 169,68 = 140,4 В.

б). Ток нагрузки постоянного тока:

I _L = V _DC / R _L = 140,4 / 50 = 2,81 ампер

в).Средний ток на диод:

I _D = I _L /3 = 2,81 / 3 = 0,94 ампера

Одним из недостатков однополупериодного трехфазного выпрямления является то, что для него требуется 4-проводное питание, то есть три фазы плюс нейтраль (N). Также среднее выходное напряжение постоянного тока низкое и составляет 0,827 * В _P , как мы видели. Это связано с тем, что пульсация на выходе в три раза превышает входную частоту. Но мы можем исправить эти недостатки, добавив к основной схеме выпрямителя еще три диода, создав трехфазный двухполупериодный неуправляемый мостовой выпрямитель.

Двухполупериодное трехфазное выпрямление

В двухполупериодной трехфазной схеме неуправляемого мостового выпрямителя используется шесть диодов, по два на фазу, аналогично однофазному мостовому выпрямителю. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель получается с использованием двух схем полуволнового выпрямителя. Преимущество здесь состоит в том, что схема дает более низкую пульсацию на выходе, чем предыдущий полуволновой 3-фазный выпрямитель, поскольку он имеет частоту, в шесть раз превышающую входную форму волны переменного тока.

Кроме того, двухполупериодный выпрямитель может питаться от симметричного трехфазного трехпроводного источника питания, подключенного по схеме «треугольник», поскольку четвертый нейтральный (N) провод не требуется.Рассмотрим схему двухполупериодного 3-фазного выпрямителя ниже.

Двухполупериодное трехфазное выпрямление

Как и раньше, предполагая, что чередование фаз красный-желтый-синий (V _A — V _B — V _C ) и красная фаза (V _A ) начинается с 0 ^o . Каждая фаза подключается между парой диодов, как показано. Один диод проводящей пары питает положительную (+) сторону нагрузки, а другой диод питает отрицательную (-) сторону нагрузки.

Диоды D ₁ D ₃ D ₂ и D ₄ образуют мостовую выпрямительную сеть между фазами A и B, аналогично диоды D ₃ D ₅ D ₄ и D ₆ между фазы B, C и D ₅ D ₁ D ₆ и D ₂ между фазами C и A.

Таким образом, диоды D ₁ D ₃ и D ₅ питают положительную шину и в зависимости от того, какой из них имеет более положительное напряжение на анодном выводе, проводит. Точно так же диоды D ₂ D ₄ и D ₆ питают отрицательную шину, и любой диод, имеющий более отрицательное напряжение на его катодном выводе, проводит.

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления диоды проводят в согласующих парах, обеспечивая диаграмму проводимости для тока нагрузки: D _1-2 D _1-6 D _3-6 D _{3- 6} D _3-4 D _5-4 D _5-2 и D _1-2 , как показано.

Форма волны проводимости двухполупериодного трехфазного выпрямителя

В трехфазных выпрямителях тока проводимость всегда возникает в наиболее положительном диоде и соответствующем наиболее отрицательном диоде. Таким образом, когда три фазы вращаются на выводах выпрямителя, проводимость передается от диода к диоду. Тогда каждый диод проводит 120 ^o (одна треть) в каждом цикле питания, но, поскольку требуется два диода, чтобы проводить попарно, каждая пара диодов будет проводить только 60 ^o (одна шестая) цикла при в любой момент, как показано выше.

Следовательно, мы можем правильно сказать, что для 3-фазного выпрямителя, питаемого от «3» вторичных обмоток трансформатора, каждая фаза будет разделена на 360 ^o /3, что потребует 2 * 3 диодов. Отметим также, что в отличие от предыдущего однополупериодного выпрямителя, между входными и выходными клеммами выпрямителя нет общего соединения. Поэтому он может питаться от трансформатора, соединенного звездой или треугольником.

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения трехфазного двухполупериодного выпрямителя имеет вид:

Где: V _S равно (V _{L (PEAK)} ÷ √3), а где V _{L (PEAK)} — максимальное линейное напряжение (V _L * 1.414).

Пример 3-фазного выпрямления №2

Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель требуется для питания резистивной нагрузки 150 Ом от трехфазного источника питания, подключенного по схеме треугольника 127 В, 60 Гц. Не обращая внимания на падение напряжения на диодах, рассчитайте: 1. выходное постоянное напряжение выпрямителя и 2. ток нагрузки.

1. Выходное напряжение постоянного тока:

Среднеквадратичное значение линейного напряжения составляет 127 вольт. Следовательно, линейное пиковое напряжение (V _{L-L (PEAK)} ) будет:

Поскольку питание трехфазное, напряжение между фазой и нейтралью (В _P-N ) любой фазы будет:

Обратите внимание, что это в основном то же самое, что сказать:

Таким образом, среднее выходное напряжение постоянного тока от трехфазного двухполупериодного выпрямителя определяется как:

Опять же, мы можем немного сократить математические вычисления, правильно сказав, что для данного значения линейного среднеквадратичного напряжения, в нашем примере 127 вольт, среднее выходное напряжение постоянного тока составляет:

2.ток нагрузки выпрямителя.

На выход выпрямителя подается резистивная нагрузка 150 Ом. Тогда по закону Ома ток нагрузки будет:

В неуправляемом трехфазном выпрямлении используются диоды для обеспечения среднего выходного напряжения фиксированного значения относительно значения входных напряжений переменного тока. Но для изменения выходного напряжения выпрямителя нам необходимо заменить неуправляемые диоды, некоторые или все из них, на тиристоры, чтобы создать так называемые полууправляемые или полностью управляемые мостовые выпрямители.

Тиристоры представляют собой полупроводниковые устройства с тремя выводами, и когда соответствующий импульс запуска подается на вывод затвора тиристора, когда его напряжение на выводах между анодом и катодом является положительным, устройство будет проводить и пропускать ток нагрузки. Таким образом, задерживая синхронизацию импульса запуска (угол зажигания), мы можем задержать момент времени, в который тиристор естественным образом включился бы, если бы это был нормальный диод, и момент, когда он начинает проводить, когда применяется импульс запуска. .

Таким образом, с управляемым трехфазным выпрямлением, в котором используются тиристоры вместо диодов, мы можем контролировать значение среднего выходного напряжения постоянного тока, управляя углом включения пар тиристоров, и таким образом выпрямленное выходное напряжение становится функцией угла включения, α.

Таким образом, единственное отличие от формулы, использованной выше для среднего выходного напряжения трехфазного мостового выпрямителя, заключается в косинусоидальном угле cos (α) запускающего или запускающего импульса. Таким образом, если угол зажигания равен нулю (cos (0) = 1), управляемый выпрямитель работает аналогично предыдущему трехфазному неуправляемому диодному выпрямителю со средними выходными напряжениями, такими же.

Ниже приведен пример полностью управляемого трехфазного мостового выпрямителя:

Полностью управляемый трехфазный мостовой выпрямитель

Краткое описание трехфазного исправления

В этом руководстве мы видели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, поскольку выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного напряжения.Таким образом, выпрямление мощности преобразует переменный источник питания в однонаправленный.

Но мы также видели, что трехфазные полуволновые неуправляемые выпрямители, в которых используется один диод на фазу, требуют подключения питания звездой в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Для трехфазного двухполупериодного мостового выпрямителя, в котором используются два диода на фазу, требуется всего три линии сети без нейтрали, например, при питании по схеме треугольника.

Еще одним преимуществом двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что ток нагрузки хорошо сбалансирован по мосту, что повышает эффективность (отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности) и снижает содержание пульсаций как по амплитуде, так и по частоте по сравнению с полуволновая конфигурация.

Увеличивая количество фаз и диодов в мостовой конфигурации, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, например, при 6-фазном выпрямлении каждый диод будет проводить только одну шестую цикла. Кроме того, многофазные выпрямители производят более высокую частоту пульсаций, что означает меньшую емкостную фильтрацию и гораздо более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неуправляемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсаций для различных приложений.

различных типов выпрямителей — Блог

---

Выпрямители используются в различных устройствах и могут применяться для модификации сетевых систем. Они классифицируются по-разному в зависимости от таких факторов, как тип источника питания, конфигурация моста и используемые компоненты. В целом выпрямители можно разделить на два типа — однофазные и трехфазные.Переходя на следующий уровень, их можно разделить на полуволновые, двухполупериодные и мостовые выпрямители.

Что такое выпрямитель?

Прежде чем мы перейдем к различным типам выпрямителей, стоит рассмотреть, что такое выпрямители. Выпрямитель — это диод, преобразующий переменный ток (известный как AC) в постоянный ток (DC). Постоянный ток течет только в одном направлении, тогда как переменный ток постоянно меняет направление. Выпрямители позволяют току течь в одном направлении.

Выпрямители

принимают переменное напряжение и преобразуют его в высококачественное постоянное напряжение, необходимое для вашего телекоммуникационного оборудования.Традиционное телекоммуникационное оборудование обычно требует входного питания постоянного тока, но сетевое питание работает от переменного тока. Такие системы питания состоят из нескольких выпрямителей, которые преобразуют мощность переменного тока в мощность постоянного тока, чтобы они могли работать.

Без правильного выпрямителя мало шансов сконфигурировать вашу идеальную систему. Они являются сердцем энергосистемы, поскольку предлагают оптимизированные решения для каждой области применения. Использование выпрямителей означает, что вы можете адаптировать свою систему питания без необходимости перестраивать каждый элемент.

Различные типы выпрямителей

Итак, ясно, что выпрямители являются ключевым компонентом любой сетевой системы, но нам нужно углубиться, чтобы понять кариозные типы. В зависимости от ситуации используются разные выпрямители в зависимости от системы, в которой они используются. Два верхних уровня — однофазные и трехфазные, которые указывают, сколько диодов используется в цепи. Затем мы переходим к полуволновым, двухполупериодным и мостовым выпрямителям, которые влияют на то, какие полупериоды производятся.Давайте рассмотрим каждый тип, чтобы лучше понять, какой выпрямитель следует использовать.

Однофазные и трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители имеют вход однофазного переменного тока. Конструкции очень простые, требуются один, два или четыре диода (в зависимости от типа системы). Это означает, что однофазный выпрямитель выдает небольшую мощность и имеет меньший коэффициент использования трансформатора (TUF). Однофазный выпрямитель использует только одну фазу вторичной обмотки трансформатора для преобразования, а диоды подключены ко вторичной обмотке однофазного трансформатора.Это вызывает высокий коэффициент пульсации.

Трехфазные выпрямители имеют вход трехфазного AV-питания. Для структур требуется три или шесть диодов, и они подключаются к каждой фазе вторичной обмотки трансформатора. Трехфазные выпрямители используются вместо однофазных выпрямителей для уменьшения коэффициента пульсаций.

По сравнению с двумя типами выпрямителей, при использовании больших систем предпочтение отдается трехфазному. Это связано с тем, что они могут передавать большое количество энергии и не требуют дополнительных фильтров для уменьшения коэффициента пульсаций.Из-за этого трехфазные выпрямители более эффективны и имеют больший коэффициент использования трансформатора.

Полуволновые и полноволновые выпрямители

Полупериодные выпрямители преобразуют один полупериод на входе переменного тока в пульсирующий выход постоянного тока. Это позволяет половину цикла входного переменного тока, блокируя другую половину цикла. Половина цикла может быть как положительной, так и отрицательной. Это самый простой выпрямитель, поскольку используется только один диод. На рисунке 1 (ниже) показан выпрямитель положительной полуволны, тогда как выпрямитель отрицательной полуволны показывает, что диод смещен в обратном направлении (обращен в противоположную сторону).Из-за пульсирующего характера постоянного тока коэффициент пульсаций высок. Это означает, что полуволновые выпрямители не считаются эффективными, и им часто требуются фильтры для уменьшения коэффициента пульсаций.

Рисунок 1: однополупериодный выпрямитель

Двухполупериодные выпрямители преобразуют оба полупериода (положительный и отрицательный) на входе переменного тока в пульсирующий выход постоянного тока. Как показано на рисунке 2 (ниже), в этих схемах используется трансформатор с центральным ответвлением, который подключается к середине вторичной обмотки трансформатора.Эти типы трансформаторов делят входной переменный ток на две части — положительную и отрицательную. Из-за этого двухполупериодные выпрямители считаются гораздо более эффективными, так как коэффициент пульсации намного ниже по сравнению с ними. Кроме того, поскольку оба цикла разрешены одновременно, это означает, что сигнал не теряется.

Рисунок 2: двухполупериодный выпрямитель

Мостовые выпрямители Мостовые выпрямители

широко используются в источниках питания для подачи постоянного напряжения на компоненты.В них используются четыре или более диодов и нагрузочный резистор (см. Рисунок 3 ниже).

Рисунок 3: мостовой выпрямитель

Четыре диода расположены последовательно, и только два диода пропускают электрический ток в течение каждого полупериода. Считается, что диоды работают парами: одна пара пропускает электрический ток через положительный полупериод, а другая половина пропускает ток в течение отрицательного полупериода. Входной переменный ток подается на две клеммы, а выходной постоянный ток получается через резистор индуктивности, который подключен между двумя другими клеммами.

Мостовые выпрямители пропускают электрический ток во время как положительных, так и отрицательных полупериодов входного сигнала переменного тока. Эти схемы не требуют трансформаторов с центральным ответвлением, которые могут быть очень дорогими.

Неуправляемые и контролируемые выпрямители

Неуправляемые выпрямители — это когда в цепи используются только диоды. Все выпрямители, которые мы рассмотрели до сих пор, являются неуправляемыми выпрямителями. В схемах управляемого выпрямителя используются тиристоры для управления выходом постоянного тока.Они используются, когда необходимо более точно контролировать ток, поскольку диоды могут быть только включены или выключены. Управляемые выпрямители обеспечивают непрерывное управление и гарантируют отсутствие потерь мощности.

Как выпрямители используются в телекоммуникациях?

Когда дело доходит до телекоммуникационной отрасли, выпрямители необходимы для построения сетевых систем. Их использование означает, что вам не придется начинать с нуля, когда что-то нужно изменить. Различные типы выпрямителей позволяют телекоммуникационным компаниям относительно легко переключать компоновку систем.Они также позволяют операторам связи адаптировать свои системы в соответствии со своими потребностями по мере необходимости в модификации.

Применения выпрямительной продукции включают сети фиксированного доступа, сеть беспроводного доступа, сеть передачи и сеть связи предприятия. Выпрямители могут обеспечивать стабильное и надежное питание для основных поставщиков и эффективно снижать энергопотребление. По этой причине каждая телекоммуникационная компания должна учитывать различные типы выпрямителей, прежде чем настраивать или вносить изменения в свою систему.

Компания Carritech предлагает широкий выбор выпрямителей для удовлетворения потребностей вашей сети. Здесь вы найдете информацию о последних приобретенных нами продуктах. Не можете найти то, что ищете? Свяжитесь с отделом продаж, чтобы узнать об этом сегодня.

Источники: Физика и радиоэлектроника , Электротехника

Получайте все наши последние новости на свой почтовый ящик каждый месяц.

3.4: Выпрямительные схемы — рабочая сила LibreTexts

Что такое исправление?

Теперь мы подошли к самому популярному применению диода: выпрямительный . Проще говоря, выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC). Это связано с устройством, которое допускает только односторонний поток электронов. Как мы видели, именно это и делает полупроводниковый диод. Самым простым видом выпрямительной схемы является полуволновой выпрямитель . Он позволяет только половине сигнала переменного тока проходить через нагрузку.(Рисунок ниже)

Схема однополупериодного выпрямителя.

Полуволновое выпрямление

Для большинства силовых приложений однополупериодного выпрямления недостаточно. Гармонический состав выходного сигнала выпрямителя очень велик, и, следовательно, его трудно фильтровать. Кроме того, источник питания переменного тока подает питание на нагрузку только половину каждого полного цикла, что означает, что половина его мощности не используется. Однако однополупериодное выпрямление — очень простой способ снизить мощность резистивной нагрузки.Некоторые двухпозиционные переключатели яркости лампы подают полную мощность переменного тока на нить накала лампы для «полной» яркости, а затем полуволновое выпрямление для уменьшения светового потока. (Рисунок ниже)

Применение однополупериодного выпрямителя: двухуровневый диммер лампы.

В положении переключателя «Dim» лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она обычно получает при работе от двухполупериодного переменного тока. Поскольку полуволновая выпрямленная мощность пульсирует намного быстрее, чем нить накала успевает нагреться и остыть, лампа не мигает.Вместо этого его нить накаливания просто работает при более низкой температуре, чем обычно, обеспечивая меньшую светоотдачу. Этот принцип быстрой «пульсации» мощности на медленно реагирующее нагрузочное устройство для управления поданной на него электрической мощностью является обычным в мире промышленной электроники. Поскольку управляющее устройство (в данном случае диод) является либо полностью проводящим, либо полностью непроводящим в любой момент времени, оно рассеивает мало тепловой энергии при управлении мощностью нагрузки, что делает этот метод управления мощностью очень энергоэффективным.Эта схема, возможно, является самым грубым из возможных методов подачи импульсной мощности на нагрузку, но ее достаточно для проверки правильности концепции.

Полноволновые выпрямители

Если нам необходимо выпрямить переменный ток для полного использования обоих полупериодов синусоидальной волны, необходимо использовать другую конфигурацию схемы выпрямителя. Такая схема называется двухполупериодным выпрямителем . Один вид двухполупериодного выпрямителя, называемый конструкцией с центральным отводом , использует трансформатор с вторичной обмоткой с центральным отводом и двумя диодами, как показано на рисунке ниже.

Двухполупериодный выпрямитель, исполнение с центральным отводом.

Работа этой схемы легко понять по одному полупериоду за раз. Рассмотрим первый полупериод, когда полярность напряжения источника положительная (+) вверху и отрицательная (-) внизу. В это время проводит только верхний диод; нижний диод блокирует ток, а нагрузка «видит» первую половину синусоиды, положительную вверху и отрицательную внизу. Только верхняя половина вторичной обмотки трансформатора проводит ток в течение этого полупериода, как показано на рисунке ниже.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением: верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительного полупериода входного сигнала, обеспечивая положительный полупериод на нагрузку.

В течение следующего полупериода полярность переменного тока меняется на противоположную. Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора пропускают ток, в то время как части схемы, которые ранее пропускали ток в течение последнего полупериода, остаются в режиме ожидания. Нагрузка по-прежнему «видит» половину синусоидальной волны той же полярности, что и раньше: положительная вверху и отрицательная внизу.(Рисунок ниже)

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением: во время отрицательного полупериода на входе нижняя половина вторичной обмотки проводит ток, передавая положительный полупериод на нагрузку.

Одним из недостатков этой конструкции двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора с вторичной обмоткой с центральным отводом. Если рассматриваемая схема является схемой большой мощности, размер и стоимость подходящего трансформатора значительны. Следовательно, выпрямитель с центральным отводом встречается только в маломощных приложениях.

Полярность двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом на нагрузке может быть изменена путем изменения направления диодов. Кроме того, перевернутые диоды можно подключать параллельно к существующему выпрямителю с положительным выходом. Результатом является двухполюсный двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что подключение самих диодов такое же, как у моста.

Двухполюсный двухполюсный выпрямитель с центральным ответвлением

Полноволновые мостовые выпрямители

Существует еще одна, более популярная конструкция двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе конфигурации четырехдиодного моста.По понятным причинам эта конструкция называется двухполупериодным мостом . (Рисунок ниже)

Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Направления тока для двухполупериодной схемы мостового выпрямителя показаны на рисунке ниже для положительного полупериода и на рисунке ниже для отрицательных полупериодов сигнала источника переменного тока. Обратите внимание, что независимо от полярности входа ток течет через нагрузку в одном и том же направлении. То есть отрицательный полупериод источника является положительным полупериодом при нагрузке.Ток протекает через два последовательно включенных диода для обеих полярностей. Таким образом, в диодах теряются два диодных падения напряжения источника (0,7 · 2 = 1,4 В для Si). Это недостаток по сравнению с двухполупериодной конструкцией с центральным отводом. Этот недостаток является проблемой только для источников питания с очень низким напряжением.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель: поток электронов для положительных полупериодов.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель: поток электронов для отрицательных полупериодов.

Воспоминание о правильном расположении диодов в двухполупериодной схеме мостового выпрямителя часто может расстраивать новичка в области электроники. Я обнаружил, что альтернативное представление этой схемы легче запомнить и понять. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы горизонтально и все «указывают» в одном направлении. (Рисунок ниже)

Альтернативный стиль компоновки двухполупериодного мостового выпрямителя.

Одним из преимуществ запоминания этой схемы для схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии, показанной на рисунке ниже.

Трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя.

Каждая трехфазная линия подключается между парой диодов: один для подачи питания на положительную (+) сторону нагрузки, а другой для подачи питания на отрицательную (-) сторону нагрузки. Многофазные системы с более чем тремя фазами легко встраиваются в схему мостового выпрямителя. Возьмем, к примеру, схему шестифазного мостового выпрямителя, показанную на рисунке ниже.

Шестифазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя.

Когда выпрямляется многофазный переменный ток, сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга, создавая более «плавный» выход постоянного тока (с меньшим содержанием переменного тока), чем полученный при выпрямлении однофазного переменного тока. Это явное преимущество в схемах выпрямителя большой мощности, где чисто физический размер фильтрующих компонентов был бы недопустимым, но при этом необходимо получать мощность постоянного тока с низким уровнем шума. Схема на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного переменного тока.

Трехфазный переменный ток и трехфазный двухполупериодный выход выпрямителя.

Пульсации напряжения

В любом случае выпрямления — однофазном или многофазном — величина переменного напряжения, смешанного с выходным напряжением постоянного тока выпрямителя, называется пульсирующим напряжением . В большинстве случаев, поскольку желаемой целью является «чистый» постоянный ток, пульсации напряжения нежелательны. Если уровни мощности не слишком велики, можно использовать сети фильтрации для уменьшения пульсаций выходного напряжения.

Устройства с 1, 2 и 6 импульсами

Иногда метод выпрямления упоминается путем подсчета количества выходных «импульсов» постоянного тока на каждые 360 ^o электрического «вращения».Тогда однофазная полуволновая выпрямительная схема будет называться одноимпульсным выпрямителем , потому что она производит одиночный импульс в течение одного полного цикла (360 ^o ) формы волны переменного тока. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от конструкции, отводной или мостовой) будет называться двухпульсным выпрямителем , потому что он выдает два импульса постоянного тока в течение одного цикла переменного тока. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным блоком .

Фазы цепи выпрямителя

Современная электротехническая конвенция дополнительно описывает функцию схемы выпрямителя, используя трехполевую нотацию из фаз , путей и количества импульсов .Однофазная однополупериодная схема выпрямителя получила несколько загадочное обозначение 1Ph2W1P (1 фаза, 1 способ, 1 импульс), что означает, что напряжение питания переменного тока является однофазным, и этот ток на каждой фазе линий питания переменного тока. движется только в одном направлении (пути), и что на каждые 360 ^o электрического вращения создается один импульс постоянного тока. Однофазная двухполупериодная схема выпрямителя с центральным отводом будет обозначена в этой системе обозначений как 1Ph2W2P: 1 фаза, 1 путь или направление тока в каждой половине обмотки и 2 импульса или выходного напряжения за цикл.Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначен как 1Ph3W2P: то же самое, что и для конструкции с центральным отводом, за исключением тока, может проходить обоими путями через линии переменного тока, а не только одним путем. Схема трехфазного мостового выпрямителя, показанная ранее, будет называться выпрямителем 3Ф3В6П.

Можно ли получить больше импульсов, чем в два раза больше числа фаз в цепи выпрямителя?

Ответ на этот вопрос: да, особенно в многофазных цепях. Благодаря творческому использованию трансформаторов, наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть объединены таким образом, чтобы генерировать более шести импульсов постоянного тока для трех фаз переменного тока.Фазовый сдвиг 30, ^или вводится от первичной к вторичной трехфазного трансформатора, когда конфигурации обмоток не одного типа. Другими словами, трансформатор, подключенный по схеме Y-Δ или Δ-Y, будет демонстрировать этот сдвиг фазы на 30 ^o , в то время как трансформатор, подключенный по схеме Y-Y или Δ-Δ, не будет. Это явление можно использовать, подключив один трансформатор по схеме Y-Y к мостовому выпрямителю, а другой трансформатор по схеме Y-Δ питает второй мостовой выпрямитель, а затем параллельно выходы постоянного тока обоих выпрямителей.(Рисунок ниже) Поскольку формы волны пульсаций напряжения на выходах двух выпрямителей сдвинуты по фазе на 30 ^o друг от друга, их наложение приводит к меньшей пульсации, чем любой выход выпрямителя, рассматриваемый отдельно: 12 импульсов на 360 ^o вместо простого шесть:

Схема многофазного выпрямителя: 3-фазный 2-канальный, 12-импульсный (3Ph3W12P)

Обзор

• Выпрямление — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).
• Полупериодный выпрямитель — это схема, которая позволяет приложить к нагрузке только один полупериод формы волны переменного напряжения, что приводит к одной не меняющейся полярности на ней. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, значительно «пульсирует».
• Двухполупериодный выпрямитель — это схема, которая преобразует оба полупериода формы волны переменного напряжения в непрерывную серию импульсов напряжения одинаковой полярности. Результирующий постоянный ток, подаваемый на нагрузку, не так сильно «пульсирует».
• Полифазный переменный ток при выпрямлении дает гораздо более «гладкую» форму волны постоянного тока (менее пульсаций напряжения ), чем выпрямленный однофазный переменный ток.

Однофазный диодный выпрямитель

— обзор

4.7 Явление перекрытия коммутации диодов

На Рис. 4.24 (a) показана силовая цепь трехфазного полумостового выпрямителя, которая будет использоваться для объяснения явления перекрытия коммутации в диоды. Перекрытие коммутации — это нежелательная одновременная проводимость двух диодов, которая приводит к короткому замыканию между любыми двумя входными фазами переменного тока.Это явление вызвано индуктивностями входного источника, которые влияют на увеличение и уменьшение скорости нарастания тока, протекающего через каждый диод, при переключении между состояниями прямого и обратного смещения. Это явление короткого замыкания, показанное на рис. 4.24 (a), называется явлением коммутации перекрытия. Например, предположим, что диод D ₁ проводит питание нагрузки чистым постоянным током величиной I¯o. В тот момент, когда диод D ₂ становится смещенным в прямом направлении, он начинает проводить ток, подавая ток на нагрузку одновременно с D ₁ .Это вызовет короткое замыкание между двумя входными фазами переменного тока a и b на короткое время μ, пока диод D ₁ не перейдет в состояние блокировки. Это явление возникает каждый раз, когда диод переходит в состояние проводимости, в то время как другой диод переходит в состояние блокировки и все еще проводит. Время короткого замыкания μ зависит от индуктивности входного источника L _S (то есть L _S линии передачи), от тока нагрузки и от значения входного переменного напряжения источника питания. При анализе явления перекрытия коммутации входное сопротивление R _с считается незначительным.На Рис. 4.24 (b) показаны формы сигналов выпрямителя с учетом интервалов перекрытия диодов.

Рисунок 4.24. Углы перекрытия коммутации диодов D ₁ и D ₂ в интервале коммутации от D ₁ до D ₂ .

(а) Схема питания трехфазного полуволнового диодного выпрямителя; (b) формы сигналов выпрямителя с учетом явления перекрытия во время коммутации тока.

Угол ωt = 0 ° — начало интервала перекрытия, где v _и = v _bn .За пределами этого угла к выпрямителю прикладывается линейное напряжение v _ba , в результате чего возникает ток короткого замыкания i _sc , который называется током коммутации. Как видно из рис. 4.24 (а), ток короткого замыкания зависит от напряжения v _ba и полного сопротивления цепи. Во время коммутации ток короткого замыкания i _sc протекает через индуктивности двух входных источников L _s . Направление короткого замыкания i _sc такое же, как у тока i _D2 , потому что во время конкретной коммутации v _bn > v _an .Следовательно, из рис. 4.24 (a), пренебрегая напряжениями проводимости диодов и сопротивлениями источников переменного тока, во время перекрытия коммутации выполняется следующее уравнение:

(4.153) vbn − van = vba = 6V˜isinωt = 2Lsdiscdt

где V˜i = действующее значение входного фазного напряжения.

Решение уравнения. (4.153) получается соотношение токов короткого замыкания:

(4.154) isc = ∫6V˜isinωt2Lsdt = −6V˜i2ωLscosωt + C

Применяя начальное условие i _sc (ωt = 0) = 0 (см. Инжир.4.24 (b)) к формуле. (4.154) значение константы C находится:

(4.155) C = 6V˜i2ωLs

Подставляя уравнение. (4.155) в уравнение. (4.154) дает:

(4.156) isc = 6V˜i2ωLs (1 − cosωt)

Интервал перекрытия заканчивается под углом ωt = μ, когда isc = I¯o (см. Рис. 4.24 (b)). Следовательно, из уравнения. (4.156) находится значение угла коммутации:

(4.157) I¯o = 6V˜i2ωLs (1 − cosμ)

или

(4.158) μ = cos − 1 (1−2I¯oωLs6V˜i )

Используя уравнение. (4.158) угол перекрытия коммутации μ может быть вычислен, если известны значения входного фазного напряжения, индуктивности входного источника, частоты входного напряжения и выходного тока.

Как видно из Рис. 4.24 (b), выходное напряжение для каждого интервала перекрытия уменьшается на величину, равную площади A. Следовательно, каждый интервал перекрытия снижает среднее выходное напряжение выпрямителя на:

(4.159) V¯μ = AT = 12π∫0μ (vbn − vo) d (ωt) = 12π∫0μvbn − van2d (ωt) = 12π∫0μvba2d (ωt) = 14π∫0μ6V˜isin (ωt) d (ωt) = 6V˜i4π (−cosωt) | 0μ = 6V˜i4π (−cosμ + cos0 °) = 0,195V˜i (1 − cosμ)

Согласно рис. 4.24 (b) для трехфазной полуволны У диодного выпрямителя имеется три интервала перекрытия за цикл и, следовательно, среднее выходное напряжение будет уменьшено на:

(4.160) V¯o (потери) = 3V¯μ = 3 × 0,195V˜i (1 − cosμ) = 0,58 (1 − cosμ)

Пример 4.1

Для однофазного полномостового выпрямителя, работающего с чистым Для выходного постоянного тока предоставляется следующая информация:

Входное напряжение = 120 В, действующее значение 60 Гц, нагрузка источника постоянного тока E = 80 В, R = 2 Ом и L = 10 мГн.

Рассчитайте мощность, потребляемую источником постоянного тока E, а также мощность, потребляемую резистором.

Решение

Среднее выходное напряжение V¯o = 22V˜iπ = 22120π = 108V.

Следовательно, средний выходной ток равен I¯o = V¯o − ER = 108−802 = 14A.

Принимая во внимание только две высшие гармонические составляющие первого выходного напряжения, следующие результаты получены из формул. (4.15) и (4.16):

V˜o, 2 = 42V˜i3π2andV˜o, 4 = 42V˜i15π2I˜o, 2 = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | и I˜o, 4 = 42V˜i15π2 | Зо, 4 |

Действующее значение выходного тока составляет I˜o≈I¯02 + I˜22 + I˜42

, где

I¯o = 14A

I˜o, 2 = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | = 42 × 1203π222 + (2 × 2π × 60 × 0,01) 2 = 6.53A

I˜o, 4 = 42V˜i15π2 | Zo, 4 | = 42 × 12015π242 + (4 × 2π × 60 × 0,01) 2 = 0,65A

Следовательно, I˜o≈ (14) 2+ (6.53) 2+ (0,65) 2 = 15,46 А.

Мощность, потребляемая резистором нагрузки, равна PR = I˜o2R = (15.46) 2 (2) = 478 Вт.

Мощность, потребляемая источником постоянного тока нагрузки, равна PE = I¯oE = (14) (80) = 1120Вт.

Пример 4.2

Для выпрямителя на рисунке ниже, где ωL ≫ R, нарисуйте формы входных и выходных сигналов и вычислите среднее выходное напряжение и ток.

Solution

Для этого трехфазного полуволнового диодного выпрямителя диоды соединены таким образом, что в любой момент диод с самым высоким отрицательным анодным напряжением будет проводить и смещать два других в обратном направлении.На рис. 4.25 показаны основные формы сигналов выпрямителя.

Рисунок 4.25. Формы сигналов выпрямителя.

Используя форму выходного напряжения, среднее выходное напряжение и ток соответственно определяются следующим образом:

V¯o = −12π3∫ − π3π32V˜icosωtd (ωt) = — 32V˜i2π (sinωt) | −π3π3 = −32V˜ i2π (sin (π3) −sin (−π3)) = — 36V˜i2π = −1.17V˜iI¯o = V¯oR = −1.17V˜iR

Пример 4.3

Напряжение на нагрузке и ее ток задаются следующими уравнениями:

vi = 2 [200sinωt + 200sin (2ωt − 30 °)] ii = 2 [20sin (ωt − 45 °) + 10sin (2ωt − 60 °) + 10sin (3ωt + 60 °) ]

Вычислить: P, Q, S, D, λ, THD _v % и THD _i %.

Раствор

V˜i = 2002 + 2002 = 282,84VI˜i = 202 + 102 + 102 = 24,49A

Si = V˜iI˜i = 6926,75ВА

Пока нет ни напряжения, ни тока синусоидальные формы сигнала:

Pi = ∑1nV˜nI˜ncosφn = V˜1I˜1cosφ1 + V˜2I˜2cosφ2 = 200 × 20 × cos45 ° + 200 × 10 × cos30 ° = 2828,43 + 1732,05 = 4560,48 Вт

Qi = ∑1nV˜nI˜nsinφn = V˜1I˜1sinφ1 + V˜2I˜2sinφ2 = 200 × 20 × sin45 ° + 200 × 10 × sin30 ° = 2828,43 + 1000 = 3828,43VAR

Di = Si2 − Pi2 − Qi2 = ( 6926,75) 2- (4560,48) 2- (3828,43) 2 = 3539,06 ВА Искажение

λ = PiSi = 4560.486926,75 = 0,66

THDv% = Vi, 22Vi, 1 × 100 = 2002200 × 100 = 100%

THDi% = Ii, 22 + Ii, 32Ii, 1 × 100 = 102 + 10220 × 100 = 70,7%

Исследование Уравнение (4.39) коэффициент THD не учитывает серьезность гармоник более низкого порядка и рассматривает все гармоники одинаково. В связи с этим существует еще один коэффициент измерения качества электроэнергии, известный как взвешенное полное гармоническое искажение (WTHD), который используется в оборудовании звуковой системы и выражается как:

WTHDf% = [∑n = 2,3,4∞ ( Fnn) 2] F ~ 11/2 × 100

Пример 4.4

При подключении электролитического конденсатора к нагрузке однофазного диодного выпрямителя создается выходное напряжение постоянного тока с низкой пульсацией. Проанализируйте схему и рассчитайте емкость этого конденсатора по отношению к требуемой пульсации выходного напряжения.

Решение

На рис. 4.26 показан однофазный полномостовой диодный выпрямитель с конденсатором выходного фильтра и соответствующие формы сигналов. Как видно из рис. 4.26 (b), при подключении конденсатора фильтра к нагрузке сигнал выходного напряжения больше не является двухимпульсным, а имеет тенденцию становиться чистым постоянным током.Пара диодов D ₁ и D ₄ проводит от угла α к θ, а вторая пара D ₂ и D ₃ проводит от угла α + π к θ + π. Используя осциллограммы на Рис. 4.26 (b), выходное напряжение определяется по формуле:

Рис. 4.26. Выпрямитель с конденсатором выходного фильтра.

а) Силовая цепь; (б) формы сигналов выпрямителя.

(4.161) vo (ωt) = {| 2V˜isinωt | когда диод проводит (2V˜isinθ) e− (ωt − θ) / ωRC, когда диоды не проводят

, где V˜i = действующее значение входного напряжения; Vθ = 2V˜isinθ; θ = угол обратного смещения диодов.

Крутизна выходного напряжения согласно формуле. (4.161) равны:

(4.162) ddωt (2V˜isinωt) = 2V˜icosωtddωt (2V˜isinθe− (ωt − θ) / ωRC) = 2V˜isinθ (−1ωRC) e (ωt − θ) / ωRC

При угле ωt = θ градиенты функций равны, поэтому:

(4.163) 2V˜icosθ = 2V˜isinθ − ωRCe− (θ − θ) / ωRC = 2V˜isinθ − ωRCor2V˜icosθ2V˜isinθ = 1 −ωRCor1tanθ = 1 − ωRCorθ = tan − 1 (−ωRC) = — tan − 1 (ωRC) + π

На практике постоянная времени RC слишком велика (ωRC ≫ π) и, следовательно, из уравнения. (4.163):

(4.164) θ≈π2

Затем, подставляя уравнение. (4.164) в уравнение. (4.161)

(4.165) 2V˜isinθ≈2V˜i

При угле ωt = π + α две компоненты функции выходного напряжения равны, и, следовательно, выполняется следующее уравнение:

(4.166) (2V˜isinθ ) e− (π + α − θ) / ωRC = −2V˜isin (π + α) или (sinθ) e− (π + α − θ) / ωRC − sinα = 0

Применяя численные решения к уравнению. (4.166) можно найти значение угла α.

Согласно осциллограммам на рис. 4.26, размах пульсаций выходного напряжения выпрямителя определяется выражением:

(4.167) ΔVo = Vo, max − Vo, min = 2V˜i− | 2V˜isin (π + α) | = 2V˜i (1 − sinα)

На рис. 4.26 максимальное значение выходного напряжения составляет 2V˜i и его минимальное значение можно оценить, вычислив выходное напряжение под углом ωt = π + α. Из рис. 4.26 и уравнения. (4.161) мгновенное значение минимального выходного напряжения определяется как:

(4.168) Vo, min = vo (π + α) = 2V˜ie− (π + π / 2 − π / 2) / ωRC = 2V˜ie −π / ωRC

Следовательно, уравнение. (4.167) принимает следующий вид:

(4.169) ΔVo≈2V˜i (1 − e − π / ωRC) = 2V˜i (1 − e − 1 / 2fRC)

Кроме того, поскольку в большинстве приложений значения ω, R и C таковы, что e − π / ωRC≈1 − πωRC, тогда уравнение.(4.169) принимает следующий вид:

(4.170) ΔVo≈2V˜iπωRC = 2V˜i2fRC

Как видно из рис. 4.26 (b), качество входного тока очень низкое из-за конденсатора фильтра, который генерирует импульс тока во время зарядки. Этот импульс тока может вызвать выход из строя выпрямительных диодов. Для сглаживания входного тока вместе с конденсатором может быть применена катушка индуктивности, чтобы сформировать LC-фильтр нижних частот. На рис. 4.27 представлен новый выходной фильтр и полученный входной ток.

Рисунок 4.27. Диодный выпрямитель с выходным LC-фильтром.

а) Силовая цепь; (б) форма входного тока.

Пример 4.5

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя с фильтрующим конденсатором, подключенным через нагрузку, приведены следующие характеристики:

Входное действующее напряжение = 220 В, 50 Гц, R = 200 Ом, C = 1000 мкФ .

Рассчитайте пульсации выходного напряжения (размах) и требуемый выходной конденсатор, чтобы снизить пульсации до 1% от составляющей постоянного тока.

Решение

Используя вышеуказанные спецификации, были получены следующие результаты:

ωRC = (2π × 50) (200) (1000) (10−6) = 62,8

θ = −tan − 1 (ωRC) + π = −tan − 1 (62,8) + π = 1,58рад = 90,9 °

2V˜isinθ = 2202sin90,9 = 311,09V

Используя уравнение. (4.166) угол α может быть вычислен по следующему уравнению:

sin (1.58) e− (π + α − 1.58) /62.88−sinα=0

При численных решениях значение α определяется как α = 72 °.

Используя значение α, амплитуда размаха выходного напряжения составляет:

ΔVo = Vo, max-Vo, min = 2V˜i− | 2V˜isin (π + α) | = 2V˜i (1 −sinα) = 2202 (1 − sin72 °) = 15.22V

Кроме того, размах колебаний выходного напряжения можно найти из следующего уравнения:

ΔVo≈2V˜i2fRC = 22022 × 50 × 200 × 1000 × 10−6 = 15,56V

Для того, чтобы Пульсации напряжения должны быть ограничены 1% составляющей постоянного тока, что составляет приблизительно 2202 = 311 В постоянного тока, должно выполняться следующее уравнение:

ΔVo2202 = 0,01≈12fRCorC≈12fR (ΔVo / 2V˜i) = 12 × 50 × 200 × 0,01 = 5000 мкФ

На рис. 4.28 показаны результаты моделирования, когда выходной конденсатор равен 1000 мкФ. Как видно, они полностью согласуются с соответствующими теоретическими.

Рисунок 4.28. Результаты симуляции.

(а) Входное напряжение; (б) выходное напряжение; (c) выходной ток; (d) конденсаторный ток; (e) входной ток; (е) ток перед выходным фильтром.

Пример 4.6

Однофазный двухполупериодный диодный выпрямитель используется для зарядки 12-вольтовой батареи. Внутреннее сопротивление батареи 0,1 Ом. Входное питание 230 В, 50 Гц подается на выпрямитель через силовой трансформатор (идеальный вариант с соотношением витков 20: 1). Рассчитайте максимальную входную активную мощность, потребляемую выпрямителем.

Решение

Iˆo = максимальный выходной ток, протекающий через резистор = Vˆo − ER

Кроме того,

Vˆo = максимальное выходное напряжение = (Vˆi) (120) = 230220 = 16,3 В

Следовательно,

Iˆ203 = 16,3 максимальная выходная активная мощность = IˆoVˆo = 43 × 16,3 = 701 Вт

Пример 4,7

Трехфазный мостовой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

Входное линейное напряжение 480 В, 50 Гц, R = 25 Ом, L = 50 мГн . Рассчитайте:

a)

Среднее выходное напряжение и ток.

b)

Среднеквадратичная основная составляющая выходного тока.

c)

Действующее значение входного тока.

d)

Средний и среднеквадратичный ток диода.

e)

Полная выходная мощность.

Решение

a)

Из уравнения. (4.94) среднее выходное напряжение и ток определяются как:

V¯o = 32V между линиями π = 32 × 480π = 648V

I¯o = V¯oR = 64825 = 25.9A

b)

Как видно из рис. 4.12, первая гармоническая составляющая выходного тока является шестой и ее амплитуда равна:

Iˆo, 6 = Vˆo, 6 | Zo, 6 |

Также, используя уравнение. (4.55) амплитуда шестой гармонической составляющей выходного напряжения равна:

Vˆo, 6 = 62 × 480π (36−1) = 37V

| Zo, 6 | = R2 + (6ωL) 2 = 252 + [6 (314 ) (0,05)] 2 = 97,5 Ом

Iˆo, 6 = 3797,5 = 0,379AI˜o, 6 = 0,3792 = 0,268A

I˜o = I¯o2 + I˜o, 62 + I˜o, 122 + ⋯ ≈ (25,9) 2+ (0,268) 2≈25,9A

в)

I˜i = 23I¯o = 23 × 25.9 = 21.2A

d)

I¯D = I¯o3 = 25.93 = 8.63A, I˜D = I˜o3 = 25.93 = 15A

e)

S = 3V˜inI˜ in = 3 (480) (21,2) = 17,6 кВА

Пример 4.8

Трехфазный полуволновой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

Входное напряжение 127 В 50 Гц, сопротивление нагрузки 1 Ом и нагрузка индуктивность 100 мГн.

a)

Рассчитайте среднее выходное напряжение и ток.

b)

Если входной источник имеет индуктивность 1 мГн на фазу и средний выходной ток составляет 129 А, рассчитайте угол перекрытия коммутации и среднее выходное напряжение.

Решение

a)

Используя уравнение. (4.89) среднее выходное напряжение:

В¯o = 1,17V˜i = 1,17 × 127 = 148,6В

Следовательно, средний выходной ток равен I¯o = V¯oR = 1481 = 148,6A.

Так как ωL ≫ R, выходной ток считается чистым постоянным током 148 A.

b)

В случае наличия индуктивности входного источника L _с в источнике питания, угол перекрытия коммутации μ определяется выражением:

μ = cos − 1 (1−2I¯oωLs6V˜i) = cos − 1 (1-2 × 129 × 2π × 50 × 0.0016 (127)) = cos − 1 (0,739) = 42,35 °

Уменьшение среднего выходного напряжения из-за явления перекрытия коммутации составляет:

V¯o (потери) = 0,58V˜i (1 − cosμ) = 0,58 × 127 (1 − cos42,35 °) = 19,22 В

Следовательно, среднее выходное напряжение V¯o = 148,6−19,22 = 129,39 В.

Из-за перекрытия коммутации среднее выходное напряжение снижается на 12,93%.

Пример 4.9

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя приведены следующие характеристики: входное напряжение 220 В, 50 Гц, R = 1 Ом и L = 0.1 H.

Рассчитайте коэффициенты RF, FF, σ и λ.

Решение

Из рис. 4.6 (d), где выходное напряжение представляет собой двухимпульсную форму волны, получены следующие результаты:

V¯o = 22V˜iπ = 22 × 220π = 198V, V˜o = V˜i = 220VandI¯o = V¯oR = 1981 = 198A

Кроме того, из частотного спектра выходного напряжения однофазного полномостового выпрямителя, показанного на рис. 4.2, с учетом только первых двух высших гармонических составляющих, получены следующие результаты:

V˜o, 2 = 42V˜i3π2 = 42 × 2203π2 = 93.37V, V˜o, 4 = 42V˜i15π2 = 42 × 22015π2 = 18,67V

I˜o, 2 = V˜o, 2 | Zo, 2 | = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | = 42 × 2203π2 ( 1) 2+ (2 × 2π × 50 × 0,1) 2 = 1,49A

I˜o, 4 = V˜o, 4 | Zo, 4 | = 42V˜i15π2 | Zo, 4 | = 42 × 22015π2 (1 ) 2+ (4 × 2π × 50 × 0,1) 2 = 0,148A

Следовательно, действующий выходной ток равен:

I˜o = I¯o2 + I˜o, 22 + I˜o, 42 = (198 ) 2+ (1,49) 2+ (0,148) 2≈198A

Выходная мощность постоянного и переменного тока соответственно определяется выражением:

P¯o = V¯oI¯o = (198) (198) = 39204WP˜o = V˜oI˜o = (220) (198) = 43560W

Следовательно, требуемые коэффициенты:

RF = V˜RV¯o = V˜o2 − V¯o2V¯o = (220) 2− (198 ) 2198 = 0.48

FF = V˜oV˜R = V˜oV˜o2 − V¯o2 = 220 (220) 2− (198) 2 = 2,29

σ = P¯oP˜o = 3920443560 = 0,9λ = PiSi = P¯oV˜iI˜i = 39204 (220) (198) = 0,9

Пример 4,10

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя, когда входной источник имеет индуктивность L _i , а ток нагрузки равен чистый постоянный ток значения I¯o, определить угол перекрытия коммутации.

Решение

Силовая схема для определения угла коммутации показана на рис. 4.29. Кроме того, на рис. 4.30 показаны формы сигналов ключевой цепи во время коммутации.

Рисунок 4.29. Однофазный полномостовой диодный выпрямитель.

а) Силовая цепь; (б) эквивалентная схема при коммутации.

Рисунок 4.30. Схема основных осциллограмм во время коммутации.

Во время коммутации выполняется следующее уравнение:

vi − Lidiidt = 0forπ <ωt≤π + μ

Умножение приведенного выше уравнения на dωt:

vidωt = Lidiidtdωtforπ <ωt≤π + μorvidωt = ωLidiπ μ

Путем объединения обеих частей:

∫ππ + μvidωt = ∫I¯o − I¯oωLidiior∫ππ + μ2V˜isinωtd (ωt) = ∫I¯o − I¯oωLidii

2V˜i (cosπ − cos ( π + μ)) = — 2ωLiI¯oor2V˜i (−1 + cosμ) = — 2ωLiI¯o

или

μ = cos − 1 (1−2ωLiI¯o2V˜i)

Время одной коммутации или Интервал перекрытия определяется выражением:

Δt = время коммутации = μω = 1ωcos − 1 (1−2ωLiI¯o2V˜i)

Как видно из рис.4.30, выходное напряжение для каждого интервала перекрытия уменьшается на величину, равную площади A. Следовательно, каждый интервал перекрытия снижает среднее выходное напряжение выпрямителя на:

V¯μ = AT = ∫0μvid (ωt) 2π = ∫0μ2V˜isinωtd (ωt) 2π = 2V˜i2π (1 − cosμ)

Поскольку в однофазном полномостовом диодном выпрямителе есть два интервала перекрытия за цикл, среднее выходное напряжение уменьшается на:

В ¯o (потери) = 2V¯μ = 2V˜iπ (1 − cosμ)

Полифазный выпрямитель — трехфазный полуволна, двухполупериодный выпрямитель, межфазный трансформатор

Многофазный выпрямитель

В многофазном выпрямителе мы подробно обсудим рабочие, входные и выходные формы трехфазного полуволнового выпрямителя и трехфазного двухполупериодного выпрямителя, а также подключения интерфейсного трансформатора к 6-диодному выпрямителю.

Трехфазный полуволновой выпрямитель

Трехфазный полуволновой выпрямитель, как следует из названия, состоит из трехфазного трансформатора. Ниже приведен трехфазный трансформатор со вторичной обмоткой, соединенный звездой с тремя диодами, подключенными к трем фазам. Как показано на рисунке, нейтральная точка ‘NTRL’ вторичной обмотки считается землей для цепи и задается как отрицательная клемма для Загрузка.

Трехфазный полуволновой выпрямитель

рабочий

Формы входных и выходных сигналов для схемы выше показаны ниже.Каждую треть цикла каждый диод проводит. В момент, когда один из трех диодов становится проводящим, два других остаются неактивными, и в этот момент их катоды становятся положительными по отношению к анодам. Этот процесс повторяется для каждого из трех диодов.

Форма волны трехфазного полуволнового выпрямителя

Напряжение между катодом и «NTRL» (напряжение постоянного тока Vdc) будет иметь значение между пиковым значением переменного напряжения на фазу Vsm и половиной этого значения ½ Vsm.

Выходное напряжение постоянного тока трехфазного однополупериодного выпрямителя указано ниже.

Выходное напряжение постоянного тока трехфазного полуволнового выпрямителя

Действующее значение тока нагрузки трехфазного полуволнового выпрямителя приведено ниже

.

Действующее значение тока нагрузки трехфазного однополупериодного выпрямителя

Схема, показанная выше, применяется только при наличии трехфазного источника питания. Как и в однофазных цепях, нет ни одной точки, в которой выпрямленное напряжение упадет до нуля, даже без устройства сглаживания.Пульсации напряжения также невелики по сравнению с однофазными цепями, а частота переменного тока в три раза больше по сравнению с предыдущими. Если требуется сглаживание, его можно легко получить. В схеме потребуется зигзагообразная вторичная обмотка, если необходимо избежать насыщения сердечника трансформатора постоянным током, вызванного протеканием постоянного тока каждого диода.

Трехфазный полноволновой выпрямитель

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель также может называться шестиполупериодным полуволновым выпрямителем.Как показано на рисунке ниже, диоды с D1 по D6 будут проводить только -ю часть периода с периодом pi / 3.

Трехфазный полуволновой выпрямитель

Как показано в форме выходного сигнала, колебания постоянного напряжения меньше в трехфазной цепи. Отклонение находится между максимальным переменным напряжением и 86,6% от него, при этом среднее значение в 0,955 раза больше максимального значения.

Трехфазный полноволновой выпрямитель сигналов

Шесть диодов используются для изготовления этого двухполупериодного выпрямителя.Таким образом, это может создать некоторые проблемы, а в некоторых случаях может быть выгодным. Если нам нужен более плавный выход, использование шести диодов может рассматриваться как преимущество, но использование шести диодов усложняет схему, и каждый диод работает в течение более короткого цикла. Кроме того, поскольку используется не более шести, схема является рентабельно, если сравнивать со сравнительным увеличением выходной мощности выпрямителя.

Соединения обмоток трансформатора

Как было сказано ранее, из шести диодов в определенный момент времени проводит только один диод.Таким образом, в определенный момент ток протекает только через одну фазу вторичных обмоток и первичных обмоток трансформатора. Будет протекать линейный ток, при этом первичная обмотка трансформатора соединяется треугольником. Но когда первичные обмотки соединены звездой, две из трех фаз фактически размыкаются каждый момент. Таким образом, для трехфазного двухполупериодного выпрямителя соединение звездой нецелесообразно.

Для любого многофазного выпрямителя нейтральная точка должна быть обеспечена путем подключения вторичных обмоток трансформатора, поскольку он считается отрицательной клеммой выходной цепи постоянного тока.

Расчетные факторы выпрямителя

При проектировании выпрямителя необходимо учитывать следующие факторы, чтобы определить количество фаз.

1. Для создания минимального количества гармоник, генерируемых в выходной цепи, количество фаз в цепи выпрямителя должно быть большим.

2. Для хорошего коэффициента использования трансформатора (TUF) количество страниц в выпрямителе должно быть небольшим.

3. Для регулирования низкого напряжения количество страниц в выпрямителе должно быть небольшим.

4. Для высокого коэффициента мощности количество страниц в выпрямителе должно быть небольшим.

Межфазный трансформатор

Условия использования трехфазных, шестифазных и двенадцатифазных выпрямителей были объяснены выше. Преимущество использования трехфазных, шестифазных и двенадцатифазных выпрямителей может быть объединено в единую схему с использованием межфазного трансформатора. В межфазном трансформаторе диоды, используемые в схемах выпрямителя, разделены на несколько групп при соединении звездой.В каждой группе будет по три диода, то есть для шестидиодного выпрямителя будет две группы, а для двенадцатидиодного выпрямителя — группы. При нормальном подключении точки звезды будут соединены вместе. Но в этой схеме каждая группа будет иметь все свои вторичные обмотки, и вместо прямого соединения точки звезды будут подключены через межфазный трансформатор. Общая нейтральная точка служит отрицательной клеммой выходной цепи постоянного тока. Пожалуйста, обратитесь к схеме, показанной ниже.

Межфазный трансформатор

В любой конкретный момент потенциал двух диодов будет равен, и нагрузка будет поделена на те два, которые эффективно работают как параллельная цепь. Из формы волны, показанной ниже, мы можем видеть, что выходные характеристики аналогичны шестифазному выпрямителю с такими параметрами, как низкие гармоники, которые в два раза превышают частоту питания.

Форма сигнала межфазного трансформатора

Нагрузка распределяется между двумя трехфазными системами, работающими параллельно с напряжением на клеммах.Это напряжение на клеммах равно среднему значению напряжений на клеммах совместно работающих фаз. Каждая фаза работает в течение четверти цикла, а выходное напряжение такое же, как у схемы трехдиодного выпрямителя.