Site Loader

Содержание

принцип работы, схемы и т.д.

Двухполупериодный выпрямитель — устройство или контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель состоит из трансформатора с центральным отводом вторичной обмотки, двух диодов и сопротивления нагрузки.

Схема двухполупериодного выпрямителяСхема двухполупериодного выпрямителя
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия двухполупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен. Диод D1 находится в состоянии прямого подключения, а диод D2 находится в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки. Ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D1 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключенияПуть тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключения

В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен. Диод D1 находится в состоянии обратного подключения, а диод D2 находится в состоянии прямого подключения. Как изображено на рисунке 3-7, ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D2 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL снова представляет собой положительную полуволну.

Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения
Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения

Поскольку ток протекает через сопротивление RL в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RL проходят две полуволны в течение каждого полного цикла. Тем не менее, поскольку у этого трансформатора есть средняя точка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки представляет собой лишь

половину того, что могло бы быть, если бы нагрузка была соединена ко всей вторичной обмотке. Форма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителяФорма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя

Что такое трехфазное выпрямление, принцип работы и схемы

В данной статье поговорим про трехфазный выпрямитель (контролируемый и неконтролируемый). Подробно опишем его принцип работы, а так же рассмотрим схемы полуволнового и полноволнового трехфазного выпрямителя.

Описание

В предыдущей статье мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением, причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на полупроводниковых диодах. На самом деле выпрямление переменного напряжения является одним из самых популярных применений диодов, так как диоды недорогие, небольшие и надежные, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных цепей, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо всего один встроенный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, такие как в домах и офисах, обычно имеют фазо-нейтральное напряжение 120 или 240 Врм, также называемое линией нейтрали (LN), и номиналом постоянного напряжения и частоты, которые создают переменное напряжение или ток в форму синусоидальной формы волны с сокращением «AC».

Трехфазные выпрямители, также известные как многофазные выпрямительные схемы, аналогичны предыдущим однофазным выпрямителям. Разница на этот раз в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным генератором.

Преимущество здесь состоит в том, что трехфазные выпрямительные схемы могут использоваться для питания многих промышленных устройств, таких как управление двигателем или зарядка аккумулятора, которые требуют более высоких требований к мощности, чем однофазная выпрямительная схема.

Трехфазные источники питания развивают эту идею на один шаг вперед, комбинируя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, причем каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы имеют сдвиг по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или поворот фазы на 360 

o  ÷ 3 = 120 o, как показано.

Трехфазная форма волны

Трехфазная форма волны

Преимущество здесь заключается в том, что трехфазный источник 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 в схеме выпрямления для получения энергии постоянного тока с постоянным напряжением, которая затем может быть отфильтрована, что приводит к выходному напряжению постоянного тока с меньшей пульсацией по сравнению с однофазной выпрямительной схемой.

Принцип работы

Видя, что 3-фазный источник питания — это просто три однофазные комбинации, мы можем использовать это многофазное свойство для создания 3-фазных цепей выпрямителя.

Как и в случае однофазного выпрямления, в трехфазном выпрямлении используются диоды, тиристоры, транзисторы или преобразователи для создания полуволновых, двухволновых, неконтролируемых и полностью управляемых выпрямительных цепей, преобразующих данный трехфазный источник питания в постоянный выходной уровень постоянного тока. В большинстве случаев трехфазный выпрямитель подается напрямую от электросети или от трехфазного трансформатора, если подключенная нагрузка требует другого уровня выхода постоянного тока.

Как и в случае предыдущего однофазного выпрямителя, наиболее простой трехфазной выпрямительной схемой является схема неуправляемого полуволнового выпрямителя, в которой используются три полупроводниковых диода, по одному диоду на фазу, как показано ниже.

Полуволновое трехфазное выпрямление

Полуволновое трехфазное выпрямление

Так как же работает эта трехфазная полуволновая выпрямительная схема? Анод каждого диода подключен к одной фазе источника напряжения с катодами всех трех диодов, соединенных вместе в одну положительную точку, эффективно создавая схему диода 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 красно-желто-синее (V A  — V B  — V C ) и красная фаза (V A ) начинается при 0 o . Первым проводящим диодом будет диод 1 ( D 

1  ), так как он будет иметь более положительное напряжение на своем аноде, чем диоды D 2или D 3 . Таким образом, диод D 1 проводит для положительного полупериода V A, в то время как D 2 и D 3 находятся в их обратном смещенном состоянии. Нейтральный провод обеспечивает обратный путь тока нагрузки к источнику питания.

Через 120 электрических градусов диод 2 (D 2 ) начинает проводить для положительного полупериода 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 о дальнейшем V С(синия фаза) начинает возрастать поворачивая «ON» диод 3 (D 3 ) в качестве анода становится более положительным, таким образом, превращая «OFF» диоды D

1 и D 2 .

Затем мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления, какой бы диод не имел более положительного напряжения на своем аноде, по сравнению с двумя другими диодами, он автоматически начнет проводить, тем самым давая схему проводимости: D 1 D 2 D 3, как показано.

картинка-схема проводимости диодов

Из приведенных выше сигналов для резистивной нагрузки видно, что для полуволнового выпрямителя каждый диод пропускает ток в течение одной трети каждого цикла, а выходной сигнал в три раза больше входной частоты источника переменного тока. Следовательно, в данном цикле имеется три пика напряжения, поэтому за счет увеличения количества фаз от однофазного до трехфазного источника улучшается выпрямление источника питания, то есть выходное напряжение постоянного тока становится более плавным.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя напряжения питания V A V B и V C сбалансированы, но с разностью фаз 120 o, что дает:

A  = V P * sin (ωt — 0 o )

B  = V P * sin (ωt — 120 o )

C  = V P * sin (ωt — 240 o )

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя задается как:

среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя

Поскольку напряжение обеспечивает пиковое напряжение V P равно V RMS * 1,414, из этого следует, что V P равно V P / 1,414, что дает 0,707 * V P , поэтому среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя можно выразить через среднеквадратичное фазное напряжение, дающее:

среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя

Полноволновое трехфазное выпрямление

В двухволновой трехфазной неконтролируемой мостовой выпрямительной схеме используются 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 производит более низкий пульсационный выход, чем предыдущий полуволновой 3-фазный выпрямитель, поскольку его частота в шесть раз превышает входной сигнал переменного тока.

Кроме того, двухполупериодный выпрямитель может питаться от сбалансированного 3-фазного 3-проводного треугольника, подключенного треугольником, поскольку четвертый нейтральный (N) провод не требуется. Рассмотрим ниже трехполупериодную трехфазную схему выпрямителя.

картинка-схема трехполупериодного трехфазного выпрямителя

Как и раньше, при условии чередования фаз красного-желтого-синего (V A  — V B  — V C) и красной фазы (V A ) начинается при 0 o . Каждая фаза подключается между парой диодов, как показано на рисунке. Один диод проводящей пары питает положительную (+) сторону нагрузки, в то время как 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 фазами B и C и D 5, D 1, D 6 и D 2 между фазами C и А.

Таким образом, диоды D 1, D 3 и D 5 питают положительную шину и в зависимости от того, какая из них имеет более положительное напряжение на своем анодном выводе, проводит. Аналогично, диоды D 2, D 4 и D 6 питают отрицательную шину, и какой диод имеет более отрицательное напряжение на своих катодных выводах.

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления диоды проводят в совпадающих парах, давая схему 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 двухфазного выпрямителя

В трехфазных силовых выпрямителях проводимость всегда происходит в наиболее положительном диоде и соответствующем наиболее отрицательном диоде. Таким образом, когда три фазы вращаются через выводы выпрямителя, проводимость передается от диода к диоду. Затем каждый диод проводит в течение 120 o (одну треть) в каждом цикле питания, но так как требуется два диода для проводки в парах, каждая пара диодов будет проводить только 60 o (одну шестую) цикла в любой момент времени, так как показано выше.

Поэтому мы можем правильно сказать, что для трехфазного выпрямителя, питаемого от «3» вторичных обмоток трансформатора, каждая фаза будет разделена на 360 o / 3, таким образом, требуя 2 * 3 диода. Отметим также, что в отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, между входной и выходной клеммами выпрямителя нет общего соединения. Следовательно, он может питаться от звезды или от трансформатора.

Таким образом, среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя задается как:

среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя

Где: V S равно (V L (PEAK)  ÷ √ 3 ), а где V L (PEAK) — максимальное линейное напряжение (V L * 1,414).

Резюме трехфазного выпрямления

В этой статье мы увидели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, когда выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного тока. Таким образом, выпрямление мощности превращает переменный источник в однонаправленный источник.

Но мы также видели, что 3-фазные неконтролируемые полуволновые выпрямители, которые используют один диод на фазу, требуют подключения в виде звезды в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, который использует два диода на фазу, требует только трех линий электропередачи, без нейтрали, такой как та, которая обеспечивается питанием от треугольника.

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

Увеличивая количество фаз и диодов в конфигурации моста, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, как, 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 намного более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неконтролируемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсации для различных применений.

Трёхфазный выпрямитель — Википедия

Трёхфазный выпрямитель — устройство применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского.

Схема трёхфазного выпрямителя Ларионова на трёх диодных полумостах (на 6 диодах)

Наиболее распространены трёхфазный выпрямитель по схеме Миткевича В. Ф. (на трёх диодах), предложенный им в 1901 г.[1], и трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах), предложенный им в 1924 г.[2].[источник не указан 1331 день] В 1923 году в США также подаётся патент US1610837 A на трёхфазные выпрямители.

Менее известны трёхфазные выпрямители по схемам «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах) и др., которые по многим параметрам превосходят и схему Миткевича и схему Ларионова. При этом требуются диоды со средним током через один диод почти вдвое меньшим, чем в схеме Ларионова.

Следует отметить, что выпрямитель Миткевича является четвертьмостовым параллельным, выпрямитель Ларионова является не полномостовым, как его часто считают, а полумостовым параллельным («три параллельных полумоста»). В зависимости от схемы включения трёхфазного трансформатора или трёхфазного генератора (звезда, треугольник) схема Ларионова имеет две разновидности: «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов», которые имеют разные напряжения, токи, внутренние сопротивления.

По схемам можно заметить, что схема Миткевича является недостроенной схемой Ларионова, а схема Ларионова является недостроенной схемой «три параллельных моста».

Из-за принципа обратимости электрических машин по этим же схемам строятся и преобразователи (инверторы).

Трёхфазный выпрямитель «три четвертьмоста параллельно» (Миткевича В. Ф.)[править | править код]

Схема трёхфазного ртутного выпрямителя по схеме В. Ф. Миткевича приведена в[3].

Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

«Частично трёхполупериодный с нулевым выводом». Площадь под интегральной кривой равна:

S=6∫π/6π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)=632Em=33Em{\displaystyle S=6\int \limits _{\pi /6}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)=6{\frac {\sqrt {3}}{2}}E_{\text{m}}=3{\sqrt {3}}E_{\text{m}}},

где Em=2E2eff{\displaystyle E_{\text{m}}={\sqrt {2}}E_{\text{2eff}}} — максимальное (наибольшее) мгновенное значение ЭДС, E2eff{\displaystyle E_{\text{2eff}}} — эффективное (действующее) значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора или генератора.

Средняя ЭДС равна: Esr=33Em2π=0,83Em=1,17E2eff.{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {3{\sqrt {3}}E_{\text{m}}}{2\pi }}=0{,}83E_{\text{m}}=1{,}17E_{\text{2eff}}.}

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в ветви с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Относительное эквивалентное активное сопротивление при этом равно сопротивлению одной ветви 3r. При увеличении нагрузки (уменьшении Rn) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно. Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках равно 3r/2. В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Отрицательные полупериоды в выпрямителе Миткевича не используются. Из-за этого выпрямитель Миткевича имеет очень низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора и применяется при малых мощностях.

Частота пульсаций равна 3f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна 0,5Em{\displaystyle 0{,}5E_{\text{m}}}.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,5/0,83 = 0,6 (60 %).

Три разделённых полумоста параллельно (три «с удвоением напряжения» параллельно)[править | править код]

Трёхфазный выпрямитель «три полумоста параллельно, объединённые кольцом (треугольником)» («треугольник-Ларионова»)[править | править код]

Treugolnik-Larionov.jpg Treugolnik-Larionov.jpg Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.

В выпрямителе «треугольник-Ларионов» потери в меди больше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».

Кроме этого, выпрямители Ларионова А. Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.

В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» (англ. full wave), на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.

Площадь под интегральной кривой равна:

S=12∫π/3π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)=1212Em=6Em{\displaystyle S=12\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)=12{\frac {1}{2}}E_{\text{m}}=6E_{\text{m}}}.

Средняя ЭДС равна: Esr=6Em2π=3Emπ=0,955Em=1,35E2eff{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {6E_{\text{m}}}{2\pi }}={\frac {3E_{\text{m}}}{\pi }}=0{,}955E_{\text{m}}=1{,}35E_{\text{2eff}}}, то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.

В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (2π{\displaystyle 2\pi }). Малый период равен 60° (π/3{\displaystyle \pi /3}), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (π/6{\displaystyle \pi /6}), которые зеркальносимметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.

На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.

В начальный момент (ωt=0{\displaystyle \omega t=0}) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,87Em{\displaystyle 0{,}87E_{\text{m}}}, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,87) и одинаковыми сопротивлениями по 3r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,87, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема становится параллельным включением двух ветвей, в одной из которых бо́льшая ЭДС и её сопротивление равно 3r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2 × 3r = 6r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно

3r⋅6r/(3r+6r)=18r2/(9r)=2r.{\displaystyle 3r\cdot 6r/(3r+6r)=18r^{2}/(9r)=2r.}

Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна (1−32)Em=(1−0,87)Em=0,13Em{\displaystyle \left(1-{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}\right)E_{\text{m}}=(1-0{,}87)E_{\text{m}}=0{,}13E_{\text{m}}}.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,13/0,95 = 0,14 (14 %).

Трёхфазный выпрямитель «три полумоста параллельно, объединённые звездой» («звезда-Ларионова»)[править | править код]

\left(1-{\tfrac  {{\sqrt  3}}{2}}\right)E_{{\text{m}}}=(1-0{,}87)E_{{\text{m}}}=0{,}13E_{{\text{m}}} Три полумоста параллельно, объединённые звездой («звезда-Ларионов»). Zwezda-Larionow.jpg

Выпрямитель звезда-Ларионов (шестипульсный) применяется в генераторах электроснабжения бортовой сети почти на всех средствах транспорта (автотракторных, водных, подводных, воздушных и др.). В электроприводе дизельэлектровозов и дизельэлектроходов почти вся мощность проходит через выпрямитель звезда-Ларионов.

Площадь под интегральной кривой равна:

S=12(∫π/3π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)+∫π/6π/3Emsin⁡(ωt)d(ωt))={\displaystyle S=12(\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)+\int \limits _{\pi /6}^{\pi /3}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t))=}
=1232Em=63Em{\displaystyle =12{\frac {\sqrt {3}}{2}}E_{m}=6{\sqrt {3}}E_{\text{m}}}.

Средняя ЭДС равна: Esr=63Em2π=33Emπ=1,65Em=2,34E2eff{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {6{\sqrt {3}}E_{\text{m}}}{2\pi }}={\frac {3{\sqrt {3}}E_{\text{m}}}{\pi }}=1{,}65E_{\text{m}}=2{,}34E_{\text{2eff}}}, то есть в 3{\displaystyle {\sqrt {3}}} раз больше, чем в схемах «треугольник-Ларионов» и «три параллельных полных моста» и вдвое больше, чем в схеме Миткевича.

В этом выпрямителе есть большой период равный 360° и малый период, равный 60°. В большом периоде помещаются 6 малых периодов. Малый период в 60° состоит из двух зеркальносимметричных частей по 30°, поэтому для описания работы этой схемы достаточно разобрать её работу на одной части в 30° малого периода. В начале малого периода (ωt=0{\displaystyle \omega t=0}) ЭДС в одной из ветвей — фазы U1 равна нулю, а в двух других фазах U2 и U3 — по 0,87 × Emax. Эти две фазы U2 и U3 в данный, начальный момент времени ωt=0{\displaystyle \omega t=0} включены последовательно. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно 6r{\displaystyle 6r}. Далее, одна из ЭДС фаза U2 увеличивается от 0,87 — до 1,0, другая U3 уменьшается от 0,87 до 0,5, а третья фаза U1 растёт от 0,0 до 0,5. — где и пересекается на графике в точке 0.5Emax с фазой U3 — смотрите рисунок наглядного изменения фаз по ссылке https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Spannungsverlauf_Dreiphasen-Wechselstrom.gif Эквивалентная схема при этом изменяется и представляет собой две последовательно включенные ветви, в одной из которых одна ЭДС и её сопротивление равно сопротивлению одной обмотки 3r, в другой две параллельно включенные ЭДС с сопротивлением 3r каждая, эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей равно 3r/2. Эквивалентное активное внутреннее сопротивление всей цепи равно 3r/2 + 3r = 9r/2 = 4,5r. В режимах близких к холостому ходу (при малых нагрузках) в параллельных ветвях ЭДС в ветви с большей ЭДС обратносмещает (закрывает) диод в ветви с меньшей ЭДС, при этом изменяется эквивалентная схема. При увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на нагрузку параллельно. В режиме короткого замыкания отрезки параллельной работы увеличиваются до длины всего периода, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна (3−1,5)Em=(1,73−1,5)Em=0,23Em{\displaystyle ({\sqrt {3}}-1{,}5)E_{\text{m}}=(1{,}73-1{,}5)E_{\text{m}}=0{,}23E_{\text{m}}}.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,23/1,65 = 0,14 (14 %).

Трёхфазный выпрямитель «три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно» (6 диодов)[править | править код]

Shestifaznyi.jpg

В литературе иногда называют «шестифазный» (см. немецкую страницу в Википедии de:Gleichrichter#Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator).

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.

Площадь под интегральной кривой равна:

S=12∫π/3π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)=1212Em=6Em{\displaystyle S=12\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)=12{\frac {1}{2}}E_{\text{m}}=6E_{\text{m}}}.

Средняя ЭДС равна: Esr=6Em2π=3Emπ=0,95Em=1,35E2eff{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {6E_{m}}{2\pi }}={\frac {3E_{m}}{\pi }}=0{,}95E_{\text{m}}=1{,}35E_{\text{2eff}}}, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в 3{\displaystyle {\sqrt {3}}} раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

Трёхфазный выпрямитель «три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно» (6 диодов)[править | править код]

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.

Трёхфазный выпрямитель «три полных моста параллельно» (12 диодов)[править | править код]

Tri mosta.jpg Tri parallelnyh mosta.jpgTreugolnik-Larionov.jpg Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А. Н.. По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А. Н., а выпрямитель Ларионова А. Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».

Площадь под интегральной кривой равна:

S=12∫π/3π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)=1212Em=6Em{\displaystyle S=12\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)=12{\frac {1}{2}}E_{\text{m}}=6E_{\text{m}}}.

Средняя ЭДС равна: Esr=6Em2π=3Emπ=0,955Em=1,35E2eff{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {6E_{m}}{2\pi }}={\frac {3E_{m}}{\pi }}=0{,}955E_{\text{m}}=1{,}35E_{\text{2eff}}}, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в 3{\displaystyle {\sqrt {3}}} раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно активному сопротивлению одного моста (одной обмотки) 3r. При увеличении нагрузки (уменьшении Rn) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов 3r/2 = 1,5r. При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов r. В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю. Из этого следует, что с учётом разницы величин ЭДС (3{\displaystyle {\sqrt {3}}}), эквивалентное внутреннее активное сопротивление (и потери в меди) выпрямителя «три параллельных моста» получается меньше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов». Из-за меньшего эквивалентного внутреннего активного сопротивления в выпрямителе «три параллельных полных моста» нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.

Выпрямитель «три параллельных моста» имеет большую надёжность, чем выпрямитель «звезда-Ларионов». При обрыве (выгорании) 5/6 диодов выпрямитель «звезда-Ларионов» становится полностью неработоспособным, а выпрямитель «три параллельных моста», в случае оставшихся диодов в противоположных плечах одного моста, ещё даёт около 1/6 от полной мощности, чего может хватить, чтобы «дотянуть» до ремонта. В выпрямителе «три параллельных полных моста» средний ток через один диод почти вдвое меньше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», а такие диоды дешевле и доступнее.

Недостатки
  1. При очень малых токах нагрузки эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти равно активному сопротивлению одной обмотки, то есть больше, чем в выпрямителе «треугольник-Ларионов».

Устранение недостатка. При очень малых токах нагрузки схему «три параллельных моста» можно переключать на схему «треугольник-Ларионов» переключателем с тремя замыкающими контактными группами.

  1. Из-за четырёхпроводной трёхфазной сети выпрямитель «три параллельных моста» может работать только вблизи трансформатора, выпрямитель Ларионова — на удалении от трансформатора.

Устранение недостатка. Проводка шестипроводной линии электропередачи.

По свойствам этот выпрямитель ближе к источникам тока и может почти во всех устройствах заменить выпрямители «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов», (электропривод тепловозов, теплоходов, атомоходов, прокатных станов, буровых вышек, блоки питания мощных электролизёров, мощных радиопередатчиков, мощных радиолокаторов, мощных лазеров, электротранспорта постоянного тока, генераторы бортовой сети автотракторной и др. техники и в других устройствах), при этом уменьшается нагрев обмоток и сберегается около 4 % электроэнергии (топлива)).

Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна (1−32)Em=(1−0,87)Em=0,13Em{\displaystyle \left(1-{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}\right)E_{\text{m}}=(1-0{,}87)E_{\text{m}}=0{,}13E_{\text{m}}}.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,13/0,95 = 0,14 (14 %).

Трёхфазный выпрямитель «три полных моста последовательно» (12 диодов)[править | править код]

Tri posledowatelnyh mosta.jpg B62S twelve-pulse bridge.jpg

Площадь под интегральной кривой равна:

S=12[∫0π/6Emsin⁡(ωt)d(ωt)+∫π/6π/3Emsin⁡(ωt)d(ωt)+∫π/3π/2Emsin⁡(ωt)d(ωt)]={\displaystyle S=12\left[\int \limits _{0}^{\pi /6}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)+\int \limits _{\pi /6}^{\pi /3}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)+\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{\text{m}}\sin(\omega t)\,d(\omega t)\right]=}
=12(1−32+32−12+12)Em=12Em.{\displaystyle =12\left(1-{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}+{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}-{\tfrac {1}{2}}+{\tfrac {1}{2}}\right)E_{\text{m}}=12E_{\text{m}}.}

Средняя ЭДС равна: Esr=12Em2π=6Emπ=1,91Em=2,7E2eff{\displaystyle E_{\text{sr}}={\frac {12E_{\text{m}}}{2\pi }}={\frac {6E_{\text{m}}}{\pi }}=1{,}91E_{\text{m}}=2{,}7E_{\text{2eff}}}, то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».

Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3r каждый, то есть 9r.

Ток в нагрузке равен ????

Мощность в нагрузке равна ????

Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна (2−3)Em=(2−1,73)Em=0,27Em{\displaystyle (2-{\sqrt {3}})E_{\text{m}}=(2-1{,}73)E_{\text{m}}=0{,}27E_{\text{m}}}.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,27/1,91 = 0,14 (14 %).

Этот выпрямитель имеет наибольшее эквивалентное внутреннее активное сопротивление и наибольшую среднюю ЭДС, по свойствам ближе к источнику напряжения и может найти применение в высоковольтных источниках напряжения (в установках электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр) и др.).

Двенадцатипульсовый статический трёхфазный выпрямитель[править | править код]

Представляет собой параллельное (или иногда последовательное) включение двух выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз входных трёхфазных токов. При этом вдвое увеличивается число выпрямленных полупериодов по сравнению с обычным выпрямителем Ларионова из-за чего уменьшается относительная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения и вдвое увеличивается частота пульсаций выпрямленного напряжения, что также облегчает сглаживание выпрямленного напряжения.[4]

Средняя выводная ЭДС выпрямителя параллельных мостов Ларионова со сдвигом фаз питающих напряжений

Eav≈0.989Em{\displaystyle E_{\text{av}}\approx 0.989E_{\text{m}}}

где Em{\displaystyle E_{\text{m}}} — амплитуда напряжения, между точками присоединения фаз к входам одного из выпрямителей.

Последовательное соединение выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз 30 градусов (один выпрямитель запитан от «звезды», другой — от «треугольника») обеспечивает среднюю постоянную ЭДС

Eav=1.91Em{\displaystyle E_{\text{av}}=1.91E_{\text{m}}}

где Em{\displaystyle E_{\text{m}}} — амплитуда напряжения, между точками присоединения фаз к входам одного из выпрямителей. Амплитуда пульсаций около 3,44 % средней выпрямленной ЭДС.

Трёхфазные выпрямители «шесть мостов» (24 диода)[править | править код]

Шесть мостов.jpg График ЭДС (зелёный) на выходе выпрямителя «шесть параллельных мостов». Gleichrichter 24 punkt.svg

Ещё менее известны трёхфазные выпрямители «шесть мостов параллельно» и «шесть мостов последовательно». Они состоят из двух трёхфазных трансформаторов. Первичные обмотки одного из них включаются звездой, другого — треугольником, что создаёт сдвиг фаз в 30°. Шесть вторичных обмоток подключаются к шести мостам (двадцать четыре диода). Мосты могут включаться разными способами, один из них — параллельное включение всех шести мостов. Из-за малых пульсаций выпрямитель по этой схеме соизмерим по массе стали и меди с выпрямителем «три параллельных моста» с дросселем фильтра, сглаживающим пульсации до такого же уровня. Эти выпрямители полномостовые. Они также как и выпрямитель «три параллельных моста» по многим параметрам превосходят и выпрямитель Миткевича и выпрямитель Ларионова. При этом требуются диоды со средним током через один диод почти вчетверо меньшим, чем в схеме Ларионова, и вдвое меньшим, чем в схеме «три параллельных полных моста». Эта схема позволяет построить выпрямитель большой мощности на элементах малой мощности.

Усредненная ЭДС на выходе выпрямителя «шесть мостов параллельно»

Eav≈0

Маломощные однофазные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).


Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Структурная схема выпрямителя

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Однофазный выпрямитель с нулевой точкой

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

Выпрямление напряжения

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Типовая мощность трансформатора

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

Мостовая схема выпрямления

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Выпрямление напряжения

 Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным  было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент  полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из  диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и 1 . Поскольку Ud считаем заданным, то

Среднее значение выпрямленного напряжения1

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Амплитудное значение вторичного напряжения

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Коэффициент трансформации трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Значение тока вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Мощность обмоток трансформатора

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Амплитуда гармоник

Где: l – полупериод π/m;  2

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Гармоника имеющая максимальную амплитуду

Заменив  3 получим:

4

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Коэффициент пульсаций

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Обратное напряжение диода

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.


Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):

 
Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение диода – Uобр ;

— максимальный ток диода – Imax ;

— прямое падение напряжения на диоде – Uпр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода Uобр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока Imax выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – Uпр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

7.1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Диоды VD1, VD3, VD5 образуют одну группу, в которой соединены все катодные выводы, а диоды VD2, VD4, VD6 – другую, в которой соединены все анодные выводы. Общая точка первой группы образует положительный полюс на нагрузочном реостате RН, а общая точка второй группы – отрицательный полюс. В каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе RН и в двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение.

Таким образом, в каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наибольший положительный потенциал относительно потенциала нулевой точки, а вместе с ним – диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно потенциала этой же нулевой точки.

Пульсации выпрямленного напряжения в этом выпрямителе еще меньше, чем в предыдущем (подсчет дает значение КП = 0,057), а КПД значительно выше, так как в нем нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

Временные диаграммы, представленные на рис. 62 наглядно иллюстрируют порядок переключения диодов в обеих схемах трехфазных выпрямителей, а также показывают формы кривых выпрямленных значений напряжения и тока.

На рис. 62, а представлены синусоиды трехфазного переменного напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга на одну треть периода (2 /3), питающие первичную обмотку трансформатора.

Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток ia, ib, ic представляют собой три последовательности импульсов, длительностью T/3 и амплитудой Im = Um / Rн каждая, сдвинутые относительно друг друга на 1/3 периода, ток нагрузки iн = ia + ib + ic имеет постоянную составляющую I0, а выпрямленное напряжение, имеющее постоянную составляющую U0, равно сумме положительных полуволн напряжений вторичных обмоток uн = Rн iн.

Работу мостового выпрямителя иллюстрируют совмещенные по времени кривые токов диодов первой группы i1, i3, i5, (рис. 62, б), токов диодов второй группы i2, i4, i6 и тока нагрузки iн = i1+i3+i5 = = i2+i4+i6, а также выпрямленного напряжения uн = Rн iн.

3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.3. Схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку.

Рис. 3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

В схеме диоды VD1 иVD2 подключены к двум одинаковым вторичным полуобмоткам, действующее напряжение на которых равноU2.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.4). Под действием переменного напряжения вторичной обмотки u2диодVD1 проводит ток только в нечётные полупериоды, а диодVD2 – только в чётные. В нагрузке получается два полупериода пульсирующего напряжения, частота пульсаций в два раза выше частоты питающей сети. Приведённые выше формулы (3.1)…(3.4) выведены в общем виде, поэтому для рассматриваемой схемы будем записывать только окончательный результат.

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Среднее значение выпрямленного тока .

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде достигает удвоенной амплитуды значения напряжения вторичной обмотки

.

Ток вторичной обмотки представляет собой сумму токов каждой из полуобмоток, поэтому подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Однако напряжение на закрытом диоде получается слишком большим, примерно в три раза больше выпрямленного напряжения, поэтому двухполупериодную схему используют при Ud30 В.

Рис. 3.4. Временная диаграмма работы однофазного двухполупериодного выпрямителя

Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

где Pd=UdId– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

3.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.5. В данной схеме у трансформатора только одна вторичная обмотка, но в нагрузку поступают два полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нечётные полупериоды ток проходит через диод VD1, нагрузку, диодVD3. В чётные – через диодVD2, нагрузку, диодVD4.

Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель

Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.6. Она практически не отличается от временной диаграммы двухполупериодного выпрямителя, только лишь отмечено прохождение тока через пары диодов VD1,VD3 иVD2,VD4, а также видно, что обратное напряжение на закрытом диодеUb.maxуменьшилось.

Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме

.

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки

.

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

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

где Pd=UdId– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

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

Таблица 3.1

Основные электрические параметры однофазных выпрямителей

Схема

выпрямителя

Трансформатор

Диоды

Нагрузка КП(1)

Ud/U2

I2/Id

I1/nId

S1/Pd

S2/Pd

ST/Pd

Ub.max

Ud

Ia/Id

Однофазная однополупериодная

0,45

1,57

1,21

2,69

3,49

3,09

1,57

1

1,57

Однофазная двухполупериодная

0,9

0,79

1,11

1,23

1,73

1,48

3,14

0,5

0,667

Однофазная

мостовая

0,9

1,11

1,11

1,23

1,23

1,23

1,57

0,5

0,667

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

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

Под нагрузкойвыходное напряжение выпрямителя начнёт уменьшаться из-за потерь напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и диодов. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от тока нагрузки называетсявнешней характеристикой.

Уравнение внешней характеристики

, (3.14)

где Ud0– напряжение холостого хода выпрямителя;

ra– активное сопротивление трансформатора;

rпр– прямое динамическое сопротивление диодов;

Id– ток нагрузки.

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

Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой

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

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются выпрямители?

2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.

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

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

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

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *