16) Однофазная однополупериодная схема выпрямления
Однополупериодный выпрямитель.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.
Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.
Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.
!!!Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
U2 — Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде — с другой половины обмотки, через другой вентиль.
Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.
Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.
!!!Мостовая схема выпрямителя.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке
U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.
Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.
Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.
Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
1.2. Основные схемы выпрямления Однофазная, однополупериодная схема
Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризуется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б. Индуктивностью рассеяния трансформатора пренебрегаем, как это обычно допускается в выпрямителях малой мощности [2].
а) б)
Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и
диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
Под действием ЭДС вторичной обмотки ток в цепи нагрузкиможет проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает токв первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжениев любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением
Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую , которая в первичную обмоткуне трансформируется
Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравнению с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.
Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.
а) б)
Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
Вторичные
обмотки трансформатора подключены к
анодам вентилей VD1 и VD2.
Напряжения на вторичных обмотках
трансформатора w21 и w22 находятся в противофазе. Поэтому диоды
схемы VD1 и VD2 проводят
ток поочередно, каждый в соответствующий
полупериод питающего напряжения. В
течение первого полупериода положительный
потенциал имеет анод диода VD1 и ток
проходит через него, нагрузку и вторичную
полуобмоткуw
Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток ив сердечнике трансформаторанет вынужденного подмагничивания [2].
Рассмотрим расчет коэффициента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой [3].
Выходное напряжение снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке
,
т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.
Среднее значение тока через нагрузку
Поскольку ток протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит
,
Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то
Величина при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора
Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора
; ;;
Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой
Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.
Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель (5 цепей)
27.04.2022 Инженер ЭЛЕКТРОННЫЙ
Что такое Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель ? Принцип работы схем пятиполупериодного выпрямителя с нагрузкой R, RL, RLE. Давайте узнаем в статье ниже.
Содержание
Что такое однополупериодный неуправляемый выпрямитель ?Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель представляет собой схему, преобразующую переменное напряжение в постоянное за половину периода сетевого напряжения. В схеме полупериодного выпрямителя источник питания будет подключен последовательно с нагрузкой через диод.
Работа однополупериодного неуправляемого выпрямителя: в положительном полупериоде диод смещен в прямом направлении. Диод работает как замкнутый переключатель, позволяя току течь через нагрузку. В отрицательный полупериод диод смещен в обратном направлении. Диод работает как разомкнутый ключ, поэтому ток в цепи не течет.
Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель с нагрузкой r
Однополупериодный выпрямитель является самой простой схемой выпрямителя. Преимущество этой схемы в том, что она проста и недорога. Недостатком этой схемы является низкое качество напряжения, и среднее напряжение будет меньше.
Для приложений, требующих небольшого выходного напряжения и мощности, можно использовать трансформатор для снижения напряжения питания переменного тока. Принципиальная схема с использованием трансформатора показана ниже. Напряжение во вторичной обмотке уменьшается пропорционально коэффициенту трансформатора.
Схема выпрямителя с трансформатором
Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель (5 цепей)В приведенных ниже примерах используется напряжение питания переменного тока, В RMS = 220 В и частота f = 50 Гц: Vs = 220√2Sin(100πt)
1. Однополупериодный выпрямитель с нагрузкой RОднофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель с нагрузкой R и формой выходного сигнала, показанной ниже. Выходной нагрузкой является резистор R = 10 Ом, соединенный с источником питания через диод D1.
Схема однополупериодного выпрямителя с нагрузкой R
– Принцип работы:
+ В положительном полупериоде Vs > 0: диод смещен в прямом направлении. Диод ведет себя как замкнутый переключатель. Следовательно, напряжение на нагрузке R равно напряжению питания Vs: Vo = Vs. Форма выходного сигнала тока в этом случае совпадает с формой сигнала напряжения.
+ В отрицательном полупериоде Vs <0: диод будет смещен в обратном направлении. Диод не пропускает через себя ток. Поэтому в этой цепи ток не течет. Выходное напряжение Vo = 0В.
– Выходное среднее напряжение (Ud) и выходной средний ток (Id) с нагрузкой R:
2. Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель с нагрузкой RLПринципиальная схема однополупериодного выпрямителя с нагрузкой RL выглядит следующим образом:
Схема однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя с нагрузкой RL
– Принцип работы:
+ В положительном полупериоде: Аналогично схеме выпрямителя с нагрузкой R диод включается, поэтому Vo = Vs.
+ В отрицательном цикле: Когда напряжение на нагрузке RL равно нулю, нагрузка RL становится источником питания, генерирующим ток в том же направлении, что и предыдущий ток. Диод продолжает проводить, поэтому Vo = Vs <0, Io > 0. Пока нагрузка RL не исчерпает энергию, диод перестанет проводить; выходное напряжение равно нулю (Vo = 0, Io = 0).
Время генерации тока зависит от большого или малого значения индуктора. В это время выходное напряжение меньше нуля: Vo = Vs < 0.
=> При нагрузке RL выходное напряжение имеет отрицательную часть, что снижает качество выходного напряжения. Чтобы преодолеть этот недостаток, люди используют дополнительный обратноходовой диод.
3. Однополупериодный выпрямитель с обратным диодомВ схеме выпрямителя используется дополнительный обратный диод для устранения отрицательных токов при индуктивной нагрузке. Люди будут параллельно нагрузке RL с диодом Df, показанным на рисунке ниже.
Однофазный однополупериодный выпрямитель с обратным диодом
– Принцип работы:
+ В положительном полупериоде: Диод D1 проводит так, что Vo = Vs > 0. Ток отстает от фазы по сравнению с напряжение. Когда напряжение равно нулю, ток остается положительным.
+ В отрицательный полупериод: Диод D1 отключается из-за обратного смещения, нагрузка вырабатывает энергию через Диод Df. Таким образом, две клеммы нагрузки закорочены => Vo = 0,
Ток через диод Df — это ток через нагрузку в отрицательном цикле. Если значение L достаточно велико, ток нагрузки всегда будет больше 0 (непрерывный ток нагрузки). Если L мало, ток нагрузки прерывается.
4. Схема однополупериодного выпрямителя с нагрузкой RLE+ нагрузкой RLE может быть двигатель постоянного тока (R + L + E).
Схема однополупериодного выпрямителя с нагрузкой RLE
– Принцип работы:
+ В положительном полупериоде:
* Когда Vs < E: диод смещен в обратном направлении, диод не проводит. Выходное напряжение равно E: Vo = E = 100 В
* Когда Vs > E: диод проводит так, что Vo = Vs.
* В конце положительного полупериода, когда Vs < E: диод смещен в обратном направлении. Но нагрузка генерирует ток в том же направлении, что и предыдущий ток, поэтому диод продолжает работать. Выходное напряжение Vo продолжает оставаться равным Vs (Vo = Vs).
+ В отрицательном полупериоде: Диод продолжает находиться в состоянии проводимости, поэтому Vo = Vs < 0. До тех пор, пока ток нагрузки не исчерпает энергию. Затем диод перестает проводить ток (Vo = E = 100 В).
5. Схема выпрямителя с использованием конденсатораФорма выходного сигнала однополупериодного выпрямителя имеет большие пульсации. Мы часто используем конденсаторы для фильтрации и сглаживания выходного напряжения. Значения емкости конденсаторов очень сложно рассчитать, поэтому люди часто используют программное обеспечение для моделирования и выбора подходящих значений емкости конденсаторов.
Преимущество однополупериодного выпрямителя с использованием конденсатора заключается в том, что когда выходное напряжение достигает установившегося состояния, напряжение стабилизируется в виде прямой линии. Среднее значение напряжения равно амплитудному значению напряжения источника.
Схема выпрямителя с конденсатором
Принцип работы однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя с конденсатором фильтра прост. Поскольку конденсатор подключен параллельно нагрузке, выходное напряжение равно напряжению конденсатора (Vo = Vc). В первом цикле, когда напряжение увеличивается, конденсатор заряжается до тех пор, пока напряжение конденсатора не станет равным пиковому напряжению источника (Vc = Vmax).
Если номинал конденсатора мал, то при напряжении конденсатора меньше напряжения источника (Vc < Vs) диод будет проводить. А конденсатор продолжает заряжаться.
Часто задаваемые вопросы об однофазном полупериодном неуправляемом выпрямителе+ Почему он называется однофазным выпрямителем?
Поскольку диод проводит только в одном направлении, ток выпрямляется только во время положительного полупериода источника питания. В отрицательном цикле ток в цепи отсутствует. Следовательно, он называется однополупериодным выпрямителем.
+ В чем разница между двухполупериодным выпрямителем и двухполупериодным выпрямителем?
В однофазных однополупериодных неуправляемых выпрямителях используется только один диод, в то время как в двухполупериодных выпрямителях используются два или четыре диода.
Входное переменное напряжение в цепи двухполупериодного выпрямителя выпрямляется до постоянного напряжения в обоих циклах. Среднее выходное напряжение и мощность больше, чем у схемы однополупериодного выпрямителя.
+ Почему в схеме выпрямителя используется конденсатор?
Выходное напряжение в цепи выпрямителя представляет собой напряжение постоянного тока, но это не чистый постоянный ток. Для сглаживания напряжения и устранения этих пульсаций параллельно нагрузке подключается конденсатор.
Кроме того, при использовании фильтрующих конденсаторов также увеличивается среднее выходное напряжение, источник питания более стабилен.
>>> См. также: Принцип работы схемы однополупериодного выпрямителя
>> Похожие сообщения:
Работа однофазного мостового выпрямителя (10 цепей)
Однофазный двухполупериодный выпрямитель (6 цепей)
8 принципиальных схем трехфазного выпрямителя
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель (7 цепей)
Трехфазный мостовой выпрямитель схема (5 цепей)
Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель (или преобразователь)
В однофазном однополупериодном управляемом выпрямителе в цепи используется только один SCR. Он включается между источником переменного тока и нагрузкой. Трансформатор используется на стороне питания для изменения уровня напряжения в соответствии с требованиями. Производительность управляемого выпрямителя очень сильно зависит от типа и параметров выходной (нагрузочной) цепи.
С резистивной нагрузкой:На рис. 27.1 (а) показана принципиальная схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя с резистивной нагрузкой (схема запуска не показана на рисунке). Цепь питается линейным напряжением или вторичным напряжением трансформатора, ν = V max sin ωt. Предполагается, что пиковое напряжение питания никогда не превышает номинальные значения прямого и обратного запирания тиристора. Тиристор может открываться под любым углом α в положительном полупериоде и, таким образом, можно управлять выходным напряжением. Тиристор блокируется во время отрицательного полупериода. Различные формы сигналов напряжения и тока для однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя с цепью резистивной нагрузки показаны на рис. 27.1 (b).
Во время положительного полупериода напряжения питания анод тиристора положителен по отношению к его катоду, и до тех пор, пока тиристор не сработает соответствующим импульсом затвора, он блокирует протекание тока нагрузки в прямом направлении. При открытии тиристора на угол α на нагрузку подается полное напряжение питания (без учета падения на тиристоре V T ). Таким образом, нагрузка напрямую подключается к сети переменного тока. При нулевом реактивном источнике и чисто резистивной нагрузке форма тока после срабатывания тиристора будет идентична волне приложенного напряжения и по величине зависит от амплитуды приложенного напряжения и значения сопротивления нагрузки R. При нуле пересечения, тиристор отключается естественной коммутацией, тем самым отключая питание нагрузки. Напряжение и ток находятся в одной фазе, как показано на рис. 27.1 (b). Угол (π – α), в течение которого тиристор проводит ток, называется углом проводимости. Изменяя угол открытия α, можно регулировать выходное напряжение. В период проводимости падение напряжения на тиристоре составляет порядка одного вольта. Во время отрицательного полупериода напряжения питания тиристор блокирует протекание тока нагрузки и на нагрузку R напряжение не подается.
Анализ: Среднее напряжение нагрузки определяется выражением
, где V max — пиковое значение входного напряжения переменного тока.
Из приведенного выше уравнения. Из (27.1) видно, что напряжение на нагрузке изменяется с углом включения α, имеющим экстремальные значения для α = 0 и α = π или 180°. Максимальное выходное напряжение получается при α = 0 и определяется как
Средний ток нагрузки при резистивной нагрузке прямо пропорционален среднему напряжению нагрузки и определяется как
Значение напряжения нагрузки для угла стрельбы α = 0
Стоимость тока нагрузки,
. значение выходной мощности определяется какЭффективность выпрямления определяется как отношение средней выходной мощности P постоянного тока и выходной мощности переменного тока, которое равно среднеквадратичному значению выходной мощности P L RMS
Коэффициент использования трансформатора (TUF) определяется как отношение средней выходной мощности P DC и VA Rating of Transformer (V RMS X RM Выходной сигнал выпрямителя не является чистой синусоидальной волной — он содержит присутствующие на выходе гармоники, ответственные за выделение тепла в нагрузке.
С индуктивной нагрузкой:Если нагрузка состоит из сопротивления и индуктивности, то форма выходного тока будет отличаться от полученной при чисто резистивной нагрузке. Принципиальная схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя с нагрузкой R-L показана на рис. 27.2 (а). Схема такая же, как на рис. 27.1 (а), за исключением того, что нагрузка в этом случае представляет собой комбинацию сопротивления и индуктивности. Осциллограммы напряжения и тока однофазного однополупериодного регулируемого выпрямителя с индуктивной нагрузкой показаны на рис. 27.2 (б).
В момент t 01 , когда тиристор срабатывает, ток нагрузки будет постепенно возрастать из-за индуктивного характера нагрузки за конечное время. Напряжение питания с этого момента появляется на нагрузке. Энергия запасается в индукторе в течение интервала времени от t 01 до π. В момент времени π напряжение питания меняется на противоположное, но тиристор остается открытым. Это связано с тем, что ток через индуктивность не может резко уменьшиться до нуля. Во время полупериода отрицательного напряжения ток продолжает течь до тех пор, пока энергия, накопленная в индуктивности, не рассеется в нагрузочном резисторе, а часть энергии не вернется обратно в источник. Когда ток достигает нуля, тиристор автоматически отключается и восстанавливает свою запирающую способность. Таким образом, за счет энергии, запасенной в индукторе, ток продолжает течь до момента t 11 . В момент времени t 11 ток нагрузки становится равным нулю, и тиристор отключается.
В момент времени t 02 при повторном подаче импульса описанный выше цикл повторяется. Следовательно, эффект индуктивной нагрузки заключается в увеличении периода проводимости тринистора.
Однополупериодная схема обычно не используется, так как она создает большие пульсации выходного напряжения и не может обеспечить непрерывный ток нагрузки.
Среднее значение напряжения нагрузки может быть получено как
, предполагая, что в отрицательный полупериод тиристор проводит в течение периода β = α
Сравнивая уравнения. (27.2) и (27.11) видно, что среднее напряжение нагрузки уменьшается при индуктивной нагрузке.
Эффект обратного диода:На рис. 27.3 показан безынерционный диод D FW , подключенный к нагрузке. Обратный диод, также иногда известный как обходной диод или коммутирующий диод используется для улучшения формы волны тока нагрузки и коэффициента мощности. Обратный диод D FW позволяет рассеивать энергию, запасенную в индуктивности нагрузки, и обеспечивать непрерывность тока нагрузки при заблокированном тиристоре. С диодом-маховиком тиристор не сможет проводить больше 180°.
Обратный диод выполняет две основные функции:
- Предотвращает реверсирование напряжения нагрузки, за исключением небольшого падения напряжения на диоде.
- Отводит ток нагрузки от главного выпрямителя, когда входное напряжение меняет цикл.
Кривые напряжения и тока нагрузки показаны на рис. 27.4.
Напряжение, индуцированное в индуктивности, во время положительного полупериода изменит свою полярность, когда di/dt изменит свой знак, и обратный диод D FW начнет проводить ток, как только индуцированное напряжение достигнет достаточной величины, что позволит индуктивность для разрядки накопленной энергии в сопротивление.
Таким образом, после 180° ток нагрузки будет протекать через диод и на тиристоре появится обратное напряжение. Поток мощности от входа происходит только тогда, когда тиристор находится в проводящем состоянии. При отсутствии обратного диода во время отрицательного полупериода напряжения питания тиристор возвращает энергию, запасенную в индуктивности нагрузки, в сеть питания. С обратным диодом происходит холостой ход, и мощность не возвращается к источнику питания. Следовательно, отношение потока реактивной мощности от ввода к полной мощности, потребляемой нагрузкой, уменьшается для схемы фазового регулирования с обратным диодом.