Однофазный мостовой выпрямитель, принцип работы, описание

Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.21) широко используется в самых различных устройствах сравнительно малой мощности (до сотен ватт и, иногда, единиц киловатт).

Опишем работу выпрямителя для двух характерных видов нагрузки: активной (рис. 4.21, а) и активноиндуктивной (рис. 4.21, б).

Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом угле управления.
Для рассматриваемого выпрямителя углом управления называют угол а сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны напряжения питания ивх и со ответствующим моментом включения тиристоров Т, и Т4, а также равный ему угол сдвига между началом каждой отрицательной полуволны напряжения ивх и соответствующим моментом включения тиристоров Т2 и Т3 (тиристоры включаются парами).

При а = О электрические процессы в управляемом выпрямителе совпадают с процессами в рассмотренном выше неуправляемом выпрямителе. Естественно, остаются прежними и математические выражения, характеризующие выпрямитель.

Работа выпрямителя на активную нагрузку при угле управления я/2 рад (90 эл. град.) (рис. 4.22).

Анализ процессов в выпрямителе при ненулевом угле управления а усложняется, так как на некоторых отрезках оси абсцисс (и на некоторых отрезках времени) все тиристоры схемы выключены и приходится решать задачу распределения на них напряжения ивх. При этом два тиристора находятся под прямым, а другие два — под обратным напряжением.

Предполагаем (это общепринято), что эквивалентные сопротивления всех выключенных тиристоров одинаковы и не зависят от полярности напряжения. В этом случае напряжение на каждой паре тиристоров, один из которых находится под прямым, а второй — под обратным напряжением, делится поровну {это легко понять, если мысленно заменить все четыре выключенные тиристоры резисторами с одинаковыми сопротивлениями). Именно так временные диаграммы изображены на отрезках оси абсцисс 0…Я/2, л..!(3/2)я, и т. д.

При w*t=п/2 включаются тиристоры Т3 и Т4. При этом на тиристорах Т2 и Т3 скачкообразно возрастает в два раза обратное напряжение.

Аналогично после включения тиристоров Т2 и Т4 увеличивается обратное напряжение на тиристорах Т1 и Т4. Тиристоры Т2 и Т3 выключаются при соonst = 2п.

Анализ схемы с включенными тиристорами несложен.

Как и прерыватель переменного тока, при а О выпрямитель потребляет из питающей сети ток с формой, сильно отличающейся от синусоидальной.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя — это зависимость среднего значения Ucp выпрямленного напряжения от угла управления. Регулировочной характеристикой называют и график этой зависимости.

Регулировочная характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, имеет вид

Изобразим соответствующий график (рис. 4.23, сплошная линия).Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при нулевом угле управления (рис. 4.24).

Предполагаем (как общепринято), что индуктивность нагрузки LH очень велика, так что ток нагрузки ieblx практически постоянный. Это допущение можно использовать, если постоянная времени нагрузки хн значительно больше периода напряжения сети.

Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при угле управления я/4 рад (45 эл. град.) (рис. 4.25).

При принятом условии о существенном влиянии индуктивности одна пара тиристоров в каждый момент времени открыта (электродвижущая сила самоиндукции препятствует выключению некоторой пары тиристоров до включения следующей пары). Это упрощает анализ схемы.

Временная диаграмма входного тока iex смещена относительно диаграммы напряжения ивх и, следовательно, основная гармоника входного тока отстаёт по фазе от напряжения питания.

Из изложенного следует, что в рассматриваемом режиме выпрямитель загружает питающую сеть реактивной мощностью и это, безусловно, является отрицательным фактором.

Регулировочная характеристика выпрямителя, работающего на активноиндуктивную нагрузку, определяется выражением,так как среднее значение напряжения на идеальной катушке индуктивности равно нулю (иначе ее ток возрастал бы до бесконечности). Мощность Рн, потребляемая резистором RH активноиндуктивной нагрузки, вычисляется по формуле (тах как ток ieblx — постоянный, его действующее и среднее значения совпадают).

Однофазный мостовой выпрямитель — Студопедия.Нет

  

В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 2.5) четыре диода образуют плечи выпрямительного моста. Источник переменного напряжения включается в одну из диагоналей моста, нагрузка – в другую. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами в противоположных плечах моста. Во время положительной полуволны ток протекает через диоды  и , во время отрицательной – через диоды  и . Временные диаграммы токов и напряжений такие же, как и для выпрямителя со средней точкой (см.
рис. 2.4, б).

Основные параметры выпрямителя:

· постоянная составляющая

напряжения нагрузки

;

· постоянная составляющая

выходного тока

;

 

· коэффициент пульсаций

 

;

· действующее значение входного напряжения выпрямителя

 

;

· максимальное обратное напряжение диода

;

· среднее значение тока диода

;

· максимальное значение тока диода

.

Мостовой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко применяется на практике. Двукратное увеличение числа диодов, по отношению к схеме с выводом нулевой точки, компенсируется упрощенной конструкцией трансформатора. Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в течение обоих полупериодов, что повышает эффективность использования трансформатора.

 

 

Многофазные выпрямители

  

Многофазное выпрямление значительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Мощные выпрямители подключают к сети трехфазного тока через трехфазный трансформатор.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом и временные диаграммы напряжений приведены на рис. 2.6.

В каждый момент времени открыт только один из диодов, на аноде которого напряжение положительно и максимально. Очередность включения:

,  и , – определяется последовательностью чередования фаз: A, B, C. Токи диодов, складываясь, создают ток нагрузки . Выходное напряжение совпадает с огибающей положительных полуволн вторичных фазных напряжений. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения  меньше коэффициента пульсаций  двухполупериодного однофазного выпрямителя. Частота пульсаций  в три раза превышает частоту питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) приведена на рис. 2.7, а.

Выпрямитель включает три пары последовательно соединенных диодов. Диоды с нечетными номерами ,

,  образуют группу с соединенными катодами, диоды с четными номерами , ,  – анодную группу. Каждый диод открыт в течение трети периода, когда напряжение его фазы превышает напряжения других фаз (рис. 2.7, б).

 

Одновременно ток проводят два диода: один из катодной, другой из анодной группы. Диоды катодной группы , ,  открываются в моменты пересечения положительных участков синусоид питающего напряжения (точки 1 – 3). Диоды анодной группы ,

,  открываются в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки 4 – 6). Моменты перехода диодов катодной и анодной групп в проводящее состояние не совпадают. Каждый диод одной группы работает по очереди с парой диодов другой группы, что увеличивает частоту пульсаций выходного напряжения. Выпрямленное напряжение u₂ совпадает с огибающей межфазных (линейных) напряжений.

Мостовой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко применяется на практике. Выпрямитель эффективно использует трансформатор, имеет малый коэффициент пульсаций

 на частоте , которая в шесть раз превышает частоту  питающего напряжения. 

 

 

Управляемые выпрямители

Управляемый выпрямитель позволяет плавно регулировать величину выпрямленного напряжения. Для регулирования постоянной составляющей выходного напряжения в рассмотренных схемах выпрямления диоды заменяют управляемыми полупроводниковыми приборами: тиристорами или транзисторами. Регулирование напряжения обеспечивается изменением момента перевода вентиля в проводящее состояние. Перевод осуществляется управляющим сигналом.

Двухполупериодный управляемый выпрямитель на тиристорах повторяет диодную схему и дополнительно включает устройство управления УУ (рис. 2.8).

 

Устройство управления тиристорами вырабатывает импульсы тока управления  и

 в каждый полупериод питающего напряжения. Тиристоры включаются с задержкой, определяемой приходом управляющего импульса. Задержки включения для тиристоров Т₁ и Т₂ составляют  и , соответственно. Угол управления  регулируется в пределах . Изменяя момент отпирания тиристора, регулируют ток нагрузки. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

 

                                (2.8)

изменяется в пределах .

Если управляющие импульсы подаются в моменты появления на тиристорах положительного напряжения, то схема работает так же, как и неуправляемая схема на диодах.

 

 

Сглаживающие фильтры

 

Выпрямленное напряжение обладает существенными пульсациями и непригодно для непосредственного питания потребителей постоянного тока. С целью снижения пульсаций применяют

сглаживающие фильтры, простейшими из которых являются емкостной, индуктивный и индуктивно-емкостный. Эффективность работы сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания

 

,                                           (2.9)

который определяет кратность снижения пульсаций в результате прохождения через фильтр.

 

 

Емкостный фильтр

 

Емкостный фильтр (С-фильтр) представляет собой конденсатор , включаемый в схему выпрямителя параллельно нагрузке  
(рис. 2.9, а).

Вход и выход емкостного фильтра совпадают, поэтому эффективность работы фильтра определяют по коэффициентам пульсаций  до и  после его подключения. На временном интервале  диод открыт (рис. 2.9, б) и конденсатор заряжается от вторичной обмотки трансформатора через малые сопротивления открытого диода и обмотки. Время заряда конденсатора определяется величиной тока диода . С уменьшением времени амплитуда зарядного тока растет, что при большой емкости  может вывести диод из строя.

 

 

На интервале  диод закрыт, источник напряжения  отключен от конденсатора  и нагрузки и конденсатор разряжается на резистор . При закрытом диоде ток нагрузки обеспечен лишь энергией, запасенной в конденсаторе за время заряда. Конденсатор разряжается экспоненциально с постоянной времени . Фильтр эффективен, если постоянная времени разряда конденсатора намного превосходит период основной гармоники выпрямленного напряжения  или выполняется соотношение

 

.                              (2.10)

 

Конденсатор пропускает пульсации напряжения, но не пропускает постоянную составляющую. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения определяет ток нагрузки .  

Тяжелый режим работы диода и соответствующих электрических цепей ограничивает применение емкостного фильтра выпрямителями малой мощности.

Индуктивный фильтр

 

Индуктивный фильтр (L-фильтр) представляет собой дроссель , включаемый в схему выпрямителя последовательно нагрузке  (рис. 2.10, а).

Во время положительной полуволны напряжения растет ток нагрузки i_н и энергия источника запасается в магнитном поле дросселя  (рис. 2.10, б). При снижении напряжения  расход запасенной энергии продлевает ток. Для эффективной работы L-фильтра необходимо, чтобы для основной гармоники выполнялось соотношение

.                                (2.11)

Индуктивный фильтр обладает большим сопротивлением для переменной составляющей и подавляет ее. Для постоянной составляющей сопротивление дросселя мало. Фильтр, ослабляя пульсации, усиливает в нагрузке постоянную составляющую тока. 

 

Из условия (2.11) следует, что L-фильтр эффективен при малых сопротивлениях нагрузки , т. е. в мощных цепях. Оказывая большое сопротивление переменной составляющей тока, дроссель облегчает режим работы диода и цепи нагрузки. Индуктивный фильтр малоэффективен в однофазных однополупериодных выпрямителях из-за уменьшения до нуля выпрямленного тока и эффективен при двухполупериодном выпрямлении.

 

 

Г- и П-образные фильтры

 

Существенного снижения пульсаций выпрямленного напряжения достигают в результате применения Г-образных фильтров. К таким фильтрам относят LC— и RC-фильтры (рис. 2.11, а, б).

Наличие двух реактивных элементов в LC-фильтре обеспечивает снижение переменной составляющей как тока, так и напряжения. Дроссель  с большим сопротивлением для переменной составляющей уменьшает пульсации тока. Пульсации напряжения снижает конденсатор , обладающий малым сопротивлением для переменной составляющей. LC-фильтр эффективен привыполнении условия . Существенным недостатком LC-фильтра являются большие габариты дросселя. В маломощных выпрямителях при малых токах вместо дросселя включают резистор , получая RC-фильтр, имеющий малые массу, габариты и стоимость.

П-образный фильтр включает емкостной (С-фильтра) и Г-образ-ный фильтры (рис. 2.11, в, г).

Однофазный мостовой выпрямитель, работающий на активную нагрузку

Схема однофазного мостового выпрямителя и диаграммы, поясняющие его работу, показаны на рис. 4 и 5. Согласующий трансформатор имеет две обмотки (первичную и вторичную), но схема может работать без трансформатора (в отличие от схемы с нулевым выводом), если соотношение напряжения питания с напряжением на нагрузке устраивает потребителя.

Рис. 4

Рис. 4

Рис. 5

При положительной полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора на интервале 0–я ток проводят диоды VD1 и VD4. Падение напряжения на диодах на интервале проводимости близко к нулю, поэтому к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора е_г. Ток протекает от источника к нагрузке по контуру: а–VD1–R_H–VD4– b–а. Ток нагрузки повторяет форму напряжения на нагрузке (рис. 2.5, в). На интервале п–2я напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяет полярность, создаются условия для запирания диодов VD3, VD4 и условия отпирания диодов VD2, VD2. Ток протекает по контуру: b–VD3–R_H–VD2–a–b. При этом напряжение вторичной обмотки трансформатора е₂ прикладывается к нагрузке с той же полярностью, что и в предыдущем полупериоде. Так как в каждый момент времени определенный вентиль и нагрузка включены последовательно, форма тока вентиля i_a на интервале проводимости повторяет форму тока нагрузки (рис. 2.5, г).

Вторичная обмотка трансформатора в любой временной интервал включена последовательно с определенными вентилями. Учитывая, что каждую половину периода соответствующая пара вентилей изменяет направление тока вторичной обмотки трансформатора, получаем что ток i₂ будет иметь синусоидальную форму. Ток первичной обмотки трансформатора ij связан с током вторичной обмотки трансформатора через коэффициент трансформации: ij = г₂/К_г Поэтому ток ij тоже будет изменяться по синусоидальному закону (рис. 2.5, а). Временная диаграмма напряжения на одном из вентилей показана на рис. 2.5, д. При протекании тока через вентиль на интервале 0–я падение напряжения на диоде близко к нулю.

На интервале я–2я к запертым диодам прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора отрицательной полярности через диоды, пропускающие ток. Расчет схемы проводится аналогично расчету схемы с нулевым выводом с учетом формы токов и напряжений в характерных точках рис. 2.5:

п iJlE

U_d= — \JlE₂ sind dd = = 0,9E₂, (2.10)

о

или

E₂=l,UU_d. (2.11)

Среднее значение тока через диод определим, воспользовавшись временными диаграммами рис. 2.5, в, г:

/_а = V 2. (2.12)

Максимальное значение тока через вентиль

j – I – ^^^тахЛЕ_гм л/2я U_d я1_А

‘атах W _RjRj ~ ₂ ‘ ‘ ‘ ’

Максимальное значение напряжения, прикладываемое к вентилю в закрытом состоянии (рис. 2.5, д), находится по формуле

у– nu_d

£/,Kmax = V2E₂ = –(2.14)

Воспользовавшись рис. 2.5, а, с учетом одинаковых форм первичного и вторичного токов определим их действующие значения /₂ и

‘»■ J; V– Д1 ■=^:if— ТШГ^ии“^т5)

Как отмечалось выше, первичный ток обмотки трансформатора будет отличаться от вторичного только на коэффициент трансформации трансформатора:

l_x = l₂/K^\,l\l_d/K_T. (2.16)

Определим типовую мощность трансформатора

Р — ^{+ Г>2} — ⁺ _

2. 2

hm_d

K_TiMu_d—_T¹^\Mu_d-\,ni_d

= ^ 1,23 U_dl_d,

P_T=l,23P_d, (2.17)

где P_d = U_dI_d.

Ниже для сравнения приведены основные расчетные соотношения для однофазных двухполупериодных схем, работающих на активную нагрузку.

Схема с нулевым выводом	Мостовая схема
Ud = 0,9E2 Uа.к.max= πUd E2 = 1,11Ud I2 = πId/4 Iа = Id/2 I1 = 1,11Id/Kт Iа.max = πId/2 Pт= 1,48Pd	Ud = 0,9E2 Uа.к.max = πUd/2 E2 = 1,11Ud I2 = πId/(2) Iа = Id/2 I1 = 1,11Id/Kт Iа.max = πId/2 Pт = 1,23Pd

Сравнивая однофазные схемы выпрямления, можно сделать следующие выводы:

1) в мостовой схеме трансформатор имеет одну вторичную обмотку (в принципе схема может работать без трансформатора) в отличие от схемы с нулевым выводом, в состав которой входят две вторичные обмотки;

2) сечение магнитопровода трансформатора в мостовой схеме меньше, так как расчётная типовая мощность трансформатора меньше, чем в схеме с нулевым выводом;

3) в мостовой схеме используются четыре диода, тогда как в схеме с нулевым выводом только два;

4) ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме больше, чем в схеме с нулевым выводом, поэтому вторичная обмотка должна наматываться более толстым проводом.

5) в мостовом выпрямителе к вентилям прикладывается в 2 раза меньшее напряжение, чем в схеме с нулевым выводом (при равных напряжениях на нагрузке).

Однофазный мостовой выпрямитель

На рис. 2.2 диоды VD1 – VD4 включены по схеме моста. При положительной полуволне приложенного напряжения u₂ ток проходит по цепи — диод VD1→сопротивление нагрузки R_Н→диод VD3. Мгновенное значение тока равно i_a1=i₀=i_a3. Диоды VD2 и VD4 в этот полупериод закрыты, так как к ним приложено обратное напряжение.

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

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке с учетом

.

Коэффициент схемы

.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

.

u₂

u₁

u₀

а)

u₂

u₂

u₀

u₀

u_д1

u_д3

U_{осн m}

б)

Рис. 2.2

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

Среднее значение тока через диод

.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде

.

Среднее значение тока диода

.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

.

Частота основной гармоники пульсаций , где— частота напряжения сети.

Типовая мощность трансформатора .

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

Трехфазный мостовой выпрямитель

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

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

u_2a

u_2b

u_2c

u_2a

u_2b

u_2c

u₂

u₀

б)

в)

г)

д)

е)

u_д

u₀

u₀

a

b

c

а)

Рис. 2.3

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

Напряжение u₀ на нагрузочном резисторе R_H в интервале времени t₂-t₃ определим из уравнения электрического состояния контура, включающего: фазы а и с вторичной обмотки трансформатора, диоды VD1, VD2, резистор R_H: , гдеu_2а, u_2с — фазные напряжения.

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

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Коэффициент схемы К_С=2,34.

Для получения требуемой величины U₀ действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора U_2Ф должно быть в 2,34 раза меньше U₀, что значительно уменьшает размеры и массу трансформатора.

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

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

.

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению линейного напряжения:

.

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

Типовая мощность трансформатора .

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения K_ПО=5,7%.

Преимущества трехфазной мостовой схемы выпрямления:

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

— хорошее использование мощности трансформатора;

— незначительные пульсации выпрямленного напряжения.

6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

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

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

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

В интервале фаз 0положительное напряжение подводится к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д ₄, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д ₃ и к катоду диода Д ₂. Следовательно, диоды Д ₁ и Д ₂ будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д ₃ и Д ₄ – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R _Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д₃ и Д ₄ и к закрытию диодов Д ₁ и Д ₂ . Ток будет протекать через открытые диоды Д ₃ и Д ₄ , и напряжение в нагрузке R _Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu₁ на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

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

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

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д₁ подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д ₃. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

U_{в max} = U₂ = 0,5π U_d, (6.9)

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

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д₁и Д₃, вторая – на диодах Д₂и Д₄. Величины разнополярных напряженийu_d1иu_d2 равны 0,5 u_d– половине суммарного выходного напряжения.

Однофазные выпрямители

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный УВ с выводом от средней точки вторич­ной обмотки трансформатора.

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

Рис. 1. Однофаз­ный управляемый выпрямитель

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

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

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

В момент времени напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора падают до нуля и VD1 закрывается. Так как никаких специальных мер для запирания тиристора не принимается, такой процесс называется естественной коммутацией.

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

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

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

Зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Так как

,

то,

,

где (для ).

На рис. 3 приведена регулировочная характеристика однофаз­ного УВ для L = 0. Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме (с учетом коэффициента трансформации) ток во вторичной обмотке и, если , имеет паузы в интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно U₁ даже при активной нагрузке.

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

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

.

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

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

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

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

откуда , (рис. 3).

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

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

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

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

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

Рис. 10.5. Диаграмма работы однофазного УВ с нулевым диодом

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

.

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

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

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

Рис. 6. Однофаз­ный мостовой УВ

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

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

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

В некоторых случаях возможно применение мостового УВ с не­полным числом управляемых вентилей, например, если в схеме (см. рис. 6) оставить VD1 и VD3 управляемыми (тиристоры), а в ка­честве VD2 и VD4 поставить неуправляемые диоды. Режим работы схемы будет аналогичен рассмотренному режиму схемы УВ с нулевым выводом и VDO. Если , т.е. i_d идеально сглажен, то схема рабо­тает следующим образом (см. рис. 5). С задержкой управляющим сигналом отпирается тиристор VD1, на интервале ток нагрузки протекает через обмотку, вентили VD1 и VD2 и Z_н. В момент поляр­ность напряжения U₂ меняется на обратную, диод VD2 запирается, но, так как ток прекратиться не может (), то он протекает через тот же тиристор VD1 и открывшийся диод VD4, цепь нагрузки закорочена, источником питания является индуктивность, трансформатор не ра­ботает. В момент времени отпирается тиристор VD3, тогда VD1 сразу же закрывается, так как к нему прикладывается обратное напря­жение, и работает вторая цепь схемы W—VD3-R_dL—VD4. Далее процесс повторяется.

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

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

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

Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

 

В схему выпрямителя (рис. 17, а) входят силовой трансформатор с одной вторичной обмоткой и выпрямительный мост из четырех диодов VD₁-VD₄. Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис. 17, в). Это получается в результате поочередного отпирания ди­одов VD₁, VD₂ и VD₃, VD₄.

 

Однофазный мостовой выпрямитель

Рис. 17. Схема однофазного мостового выпрямителя (а)

и его временные диаграммы (б-ж)

 

Диоды VD₁, VD₂ открыты на интер­вале при полуволне напря­жения u₂ положительной полярности (показана на рис. 17, а без скобок), создаваемого под действием напряже­ния и₁ (рис. 17, б, в). Открытые диоды VD₁, VD₂ обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая на ней напряже­ние и_d той же величины и полярнос­ти, что и напряжение u₂ (рис. 17, в). При наличии полуволны напря­жения u₁ отрицательной полярности на интервале полярность напряжения u₂ обратная. Под ее воз­действием открыты диоды VD₃, VD₄, под­ключающие напряжение u₂ к нагруз­ке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рис. 17, а, в). Ввиду идентичности кривых u_d для выпрямителей (мостового и с выводом нулевой точки трансформа­тора) для схемы рис. 17, а дейст­вительны соотношения (19), (20) между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением на­пряжения U₂ и соотношения (22)-(24), характеризующие гармониче­ский состав и коэффициент пульса­ции выходного напряжения. Все параметры схемы сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен в [1, 2].

Поскольку ток I_d = U_d/R_H (рис. 17, г) распределяется поровну меж­ду парами диодов (рис. 17, д, e)

Обратное напряжение приклады­вается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале про­водимости двух других диодов. При этом оно создаётся напряжением вторичной обмотки трансформатора u₂. Кривая u_b для диодов VD₁ VD₂ показана на рис. 17, ж. Мак­симальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂ (табл. 3), т. е. оно вдвое меньше, чем в схеме с выводом нулевой точки.

В рассматриваемой схеме параметры первичной обмотки I₁ , U₁ связаны соответственно с параметрами вторичной об­мотки I₂ , U₂ коэффициентом трансформации n. В соответствии с этим расчетные мощности обмоток получаются одинаковыми и мощность трансформатора S_T=1,23P_d (табл. 3).

Преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение (при данном напряжении U_d), на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов. Поэтому мостовая схема нашла преобладающее применение в выпрямителях однофазного тока небольшой и средней мощности.

 

62. Однофазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выво­дом, выполняемая по аналогии со схемой неуправляемого выпрями­теля (см. рис. 13, а), приведена на рис. 23. Ее анализ будем про­водить для двух видов нагрузки — чисто активной и активно-индук­тивной. Примем вначале нагрузку чисто активной (ключ К₁ включен, ключ К₂ выключен).

 

Однофазный нулевой управляе­мый выпрямителя

Режиму активной нагрузки соответствуют времен­ные диаграммы, приведенные на рис. 24, а-е. Пусть на входе вы­прямителя действует положительная полуволна напряжения сети u₁ (рис. 24, а), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 23 без скобок. На интервале тиристоры Т₁, Т₂ закрыты, напряжение на выходе выпрямителя u_d=0 (рис. 24, в). К тиристорам Т₁, Т₂ прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора u_2-1+u_2-2 На тиристоре Т₁ действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре Т₂ — в обратном. Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинако­выми, то на интервале напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определяться величиной (u_2-1—u_2-2)/2 = u ₂ (рис. 24, е).

В момент времени определяемый углом , от системы управле­ния СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т₁ (рис. 24, б). В результате отпирания тиристор Т₁ под­ключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение u_d (рис. 24, в), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку и тиристор Т₁ протекает ток (рис. 24, г) i_d = i_al = u_d/R_н. При переходе напряжения питания через нуль ( ) ток тиристора Т₁ становится равным нулю и ти­ристор закрывается.

На интервале полярность напряжения питания из­меняется на противоположную. На этом интервале оба тиристора вы­прямителя закрыты. К тирис­тору Т₁ (рис. 24, е) приклады­вается обратное напряжение, а к тиристору Т₂ — прямое на­пряжение, равное Т₂.

 

Временные диаграммы

Временные диаграммы, иллю­стрирующие принцип действия одно­фазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при чисто активной нагрузке.

По окончании указанного ин­тервала подается отпирающий импульс на тиристор Т₂. Отпи­рание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напря­жения u_d=u_2-2=u₂ (рис. 24, в) той же формы, что и на интервале проводимости тирис­тора Т₁. Через нагрузку и ти­ристор протекает ток i_d = i_a2 = u_d/R_н (рис. 24, д). На ин­тервале проводимости тиристора Т₂ напряжения двух вторичных обмоток трансфор­матора подключаются к тирис­тору Т₂, вследствие чего с мо­мента отпирания тиристора Т₂ на тиристоре Т₁ действует об­ратное напряжение, равное 2u₂ (рис. 6.2, е). Максимальному обратному напряжению соот­ветствует значение U_bmax=2 U₂, где U₂ — действую­щее значение вторичного напря­жения трансформатора. В по­следующем процессы в схеме следуют аналогично рассмот­ренным. Токи вторичных об­моток трансформатора опреде­ляются токами тиристоров Т₁, Т₂ (рис. 24, г, д). Первичный ток i₁ (рис. 24, а) связан с вто­ричными токами коэффициен­том трансформации трансформатора и имеет паузы на интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно напря­жения питания.

Особенностью управляемо­го выпрямителя является его способность регулировать среднее зна­чение выпрямленного напряжения U_d при изменении угла (рис. 24, в). При = 0 кривая выходного напряжения u_d соответст­вует случаю неуправляемого выпрямителя (см. §7) и напряжение максимально. Углу управления (180 эл. град) отвечают u_d = 0 и U_d = 0. Иными словами, управляе­мый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 эл. град осуще­ствляет регулирование напряжения U_d в пределах от максимального значения, равного 0,9U₂, до нуля. Вид кривых u_d при различных значениях угла показан на рис. 25, а-г.

Зависимость напряжения U_d от угла называется регулиро­вочной характеристикой управляемого выпрямите­ля. Она определяется из выражения для среднего значения напряже­ния на нагрузке. Это напряжение на интервале соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 24, в или 25, б, в), т. е.

 

.

 

Результат расчета дает

 

,

 

где U_d0 = 0,9U₂ — среднее значе­ние напряжения на нагрузке при .

Кривые выходного напря­жения однофазного выпрямителя при

чисто активной нагрузке и различных углах управления

Регулировочная ха­рактеристика

однофазного уп­равляемого выпрямителя

 

63. Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Особенность работы трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол момента отпирания очередных тиристоров отно­сительно точек естественного отпирания имеющих координаты и т. д. (рис. 31, б).

 

Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

Схема трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя (а), его временные диаграммы (б) и регулировочная характеристика (в)

В кривой выпрям­ленного напряжения вырезаются участки синусоиды, вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при измене­нии угла осуществляется регулирование величины U_d.

Влияние изменения угла на кривую u_d и среднее значение на­пряжения U_d показаны на рис. 31, б. Кривая u_d на рис. 31, б, состоит из участ­ков фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_a, u_b, u_c.

При изменении угла в диапазоне от 0 до 30° (рис. 31, б) пе­реход напряжения u_d с одного фазного напряжения на другое осу­ществляется в пределах положительной полярности участков фаз­ных напряжений. Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктив­ной нагрузках. Ток нагрузки непрерывен.

При >30° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рис. 31, б). Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока (см. §12). В случае активно-индук­тивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вто­ричные обмотки трансформатора после изменения полярности их фазного напряжения, в связи с чем в кривой и появляются участки фазных напряжений отрицательной поляр­ности. При эти участки продолжаются до моментов очеред­ного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d=0 соответствует угол =90°. Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой u_d при > 30° появляются нуле­вые паузы. Напряжению U_d=0 теперь будет отвечать значение угла = 150^o.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале 2 :

 

,

 

т. е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке ( ) на интервале 150° > > 30° находят из выражения

 

.

 

При этом закрытие тиристора происходит в точке, соответствующей нулевому напряжению ранее, чем открытие следующего тиристора. Интервал проводимости тиристора от до π. Ток нагрузки прерывен.

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрями­теля, построенные по выражениям (59), (60), приведены на рис. 31, в. Неоднозначность регулировочных характеристики и зона прерывистого тока могут быть устранены путем шунтирования нагрузки обратным диодом. Регулировочная характеристика при этом будет аналогична характеристике работы на активную нагрузку, а зона прерывистого тока в нагрузке в пределе будет сужена до нуля за счет замыкания тока в контуре, содержанием э.д.с. нагрузки и обратный диод.