Однофазная однополупериодная схема выпрямления
Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере простейшей однофазной однополупериодной (однотактной) схемы выпрямления. В этой схеме (рисунок 76) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение u2которой изменяется по синусоидальному закону. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля V1, имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод.
В результате напряжение u2оказывается приложенным к резистору Rd, через который начинает протекать ток нагрузки id.
Поскольку при активной нагрузке ток по фазе совпадает с напряжением, вентиль V1 будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение u2 не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды (интервал времени t1 – t2 на рис. 76) к вентилю V1 прикладывается все напряжение источника U2. Оно является для диода обратным, и он будет закрыт.
Таким образом, на резисторе Rd будет пульсирующее напряжение udтолько одной полярности, т.е. выпрямленное напряжение, которое будет описываться положительными полуволнами напряжения u2 вторичной обмотки трансформатора Т. Ток в нагрузке id проходит в одном направлении, но имеет также пульсирующий характер и представляет собой выпрямленный ток.
Рисунок 76 - Однофазный однополупериодный выпрямитель:
схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы
Выпрямленные напряжения udи ток id содержат постоянную (полезную) составляющую Ud, Id и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57.
Для однополупериодной схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя по отношению к соответствующим средним значениям на нагрузке.
Среднее за период значение выпрямленного напряжения при идеальных вентилях и трансформаторе
Ud = 0,45 U2
Максимальное значение обратного напряжения на вентиле
Uобр.max = √2U2 = 3,14Ud
где U2 - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора Т
Среднее значение тока, протекающего через вентиль и нагрузку
Iв.ср = Id = Im/π,
где Im = Um/Rd - амплитуда тока цепи.
Действующее значение тока цепи
I2 = Im /2
Таким образом, в однополупериодной схеме выпрямления среднее значение выпрямленного тока в π раз меньше его амплитуды, а действующее значение - в 2 раза меньше амплитуды тока.
Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется
Pd = UdId
Расчетную (типовую) мощность Sт трансформатора, определяющую его габариты, можно представить как полусумму расчетных мощностей первичной S1 = U1I1 и вторичной S2 = U2I2 обмоток, т.е.
Sт = (S1 + S2) /2 = 3,09Pd
Следовательно, расчетная мощность трансформатора, работающего на выпрямитель, больше мощности в нагрузке в 3,09 раза, так как во вторичной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий постоянную и переменные составляющие, а в первичной обмотке кроме тока основной частоты f1- токи высших гармоник. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощности, лишь нагревают обмотки трансформатора выпрямителя. Наличие во вторичной обмотке постоянной составляющей тока Id увеличивает степень насыщения магнитпровода трансформатора, что вызывает возрастание тока холостого хода, и как следствие этого возникает необходимость в завышении расчетной мощности трансформатора.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется формулой
I2 = 1,57Id
Действующее значение напряжения вторичной обмотки
U2 = 2,22Ud
Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации трансформатора n = U1/U2равно
I1 = I2/n
Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.
Достоинства выпрямителя: простота схемы и питающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.
Двухполупериодная однофазная схема со средней точкой
Схема (рис. 77) состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток. Коэффициент трансформации nопределяется отношением U1/U2,где U2 - напряжение каждой из вторичных обмоток (фазные напряжения), сдвинутые относительно друг друга на 180°.
Свободные концы вторичных обмоток а и Ь присоединяются к анодам вентилей V1 и V2, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка Rdвключается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом 0 трансформатора, который служит отрицательным полюсом.
Рисунок 77 - Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой:
схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы
Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформатора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений u2a и u2b.
Действительно, при изменении напряжения в точках а и b, в тот полупериод, когда напряжение в обмотке 0а положительно, ток проводит вентиль V1, анод которого положителен по отношению к катоду, связанному через резистор Rdс точкой 0 вторичных обмоток. Анод вентиля V2, так же как вывод b обмотки 0b, в этот полупериод (t0-t1) отрицателен по отношению к нулевому выводу 0 и, следовательно, тока не пропускает.
В следующий полупериод (интервал времени t1-t2 на рис. 77), когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток будет пропускать вентиль V2. Врезультате к нагрузке Rdбудет теперь приложено напряжение u2b, а ток id будет равен току iв2 вентиля V2. Вентиль V1 выключится, так как к нему будет приложено обратное напряжение. Спустя полупериод, начиная с момента времени t2, процесс повторяется: ток будет проводить вентиль V1, а вентиль V2 выключится и т.д.
Ток idв нагрузке все время течет в одном направлении - от катодов вентилей к нулевой точке 0 вторичных обмоток трансформатора, и на резисторе Rd появляется выпрямленное пульсирующее напряжение udсодержащее постоянную и переменную составляющие.
Для однофазной нулевой схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Ud = 0,9U2,
где U2 - действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке,
U2 = 1,11 Ud
Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке
Id = Ud/Rd
Среднее значение тока через каждый вентиль в 2 раза меньше тока Id, проходящего через нагрузку, т.е.
Iв.ср = 0,5Id
Действующее значение тока вентиля Iв равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I2 и определяется формулой
I2 = 1,57 Iв.ср
Вентиль, не работающий в отрицательную часть периода, оказывается под воздействием обратного напряжения, равного двойному фазному напряжению 2U2. Максимальное значение обратного напряжения
Uобр.max = 2√2U2 = 3,14Ud
Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации n,выраженное через ток Id,
I1 = √2 I2/n = 1.11 Id/n
Расчетные мощности обмоток трансформатора определяют по произведениям действующих значений токов и напряжений: S1 = U1I1 = 1,23 Pd и S2 = 2U2I2= 1,74Pd, а типовую мощность — как полусумму мощностей S1 и S2, т.е.
ST = (S1 + S2)/2 = 1,48Pd
Оценка качества выпрямленного напряжения производится посредством коэффициента пульсации, который представляет собой отношение амплитуды первой (основной) гармонической Ud1m, как наибольшей из всех остальных к среднему значению напряжения Udи определяется по формуле
q = Ud1m / Ud = 2/(m2 -1)
где m - число фаз выпрямления, т.е. число полуволн выпрямленного напряжения, приходящихся на один период переменного тока, питающего выпрямитель.
Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пульсации fn1 = 2fcпри частоте питающей сети fc = 50 Гц составляет 100 Гц. Подставляя в последнею формулу m = 2, определяем коэффициент пульсации: q = 0,67.
Однофазная мостовая схема
Состоит из трансформатора Т сдвумя обмотками и четырех диодов V1 - V4, соединенных по схеме моста (рисунок 78, а). К одной диагонали моста (точки 1,3) присоединяется вторичная обмотка, а в другую (точки 2, 4) включается нагрузка Rd. Общая точка катодов вентилей V1 и V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрицательным - точка связи анодов вентилей V3 и V4.
Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2соответствующая полярность которого обозначена без скобок, проводят ток вентили V1 и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили VI и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение uобр = u2.
Рисунок 78 - Однофазный мостовой выпрямитель:
а - схема включения; б и в — временные диаграммы
напряжений и токов на элементах схемы
Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 78, в) будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Ток idвнагрузке проходит все время в одном направлении — от соединенных катодов диодов VI и V2 к анодам диодов V3 и V4. Ток I2 во вторичной обмотке трансформатора (рисунок 78, б) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком. Ток i1 в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.
Средние значения выпрямленного напряжения Udи тока Iв.ср через вентиль в этой схеме получаются такими же, как и в двухполупериодной схеме с нулевой точкой.
Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям, определяется напряжением U2вторичной обмотки трансформатора, так как не работающие в данный полупериод вентили оказываются присоединенными ко вторичной обмотке трансформатора Т через два других работающих вентиля, падением напряжения в которых можно пренебречь. Следовательно,
Uобр.max = √2U2 = 1,57Ud
Токи во вторичной и первичной обмотках трансформатора определяются по формулам
I2 = U2/Rd I1 = I2/n
Типовая мощность трансформатора
ST = 1,23Pd
На рисунке 79 также представлена однофазная мостовая схема, аналогичная рассмотренной. Чаще всего именно так изображается мостовое включение выпрямительных диодов.
Рисунок 79 – Схема однофазного мостового выпрямителя
Сравним достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.
Однофазная нулевая схема:
1) Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мостовой.
2) Потери мощности в выпрямителе будут меньше, так как в нулевой схеме ток проходит через один вентиль, а в мостовой - последовательно через два.
Однофазная мостовая схема:
1) Амплитуда обратного напряжения на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.
2) Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки трансформатора при одинаковых значениях напряжения Ud
3) Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.
4) Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и железа, меньше будут размеры и масса.
Данная схема выпрямителя может работать и без трансформатора, если напряжение сети U1 подходит по значению для получения необходимого напряжения Udи не требуется изоляции цепи выпрямленного тока от питающей сети.
Дата добавления: 2021-01-11; просмотров: 558;