ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

2.3.3. Двухполупериодная мостовая схема

В рассматриваемой схеме (рис. 2.6) выпрямитель состоит из четырех полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки R_d. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d), отрицательным – точка соединения анодов (точка с).

Рис. 2.6. Двухполупериодная мостовая схема

Работа схемы показано на рис. 2.7, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 2.7а)

;

В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс тока i₁₃ будет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку R_d и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.6). Форма этого тока будет повторять форму тока i₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R_d , импульс тока i₁₃ выделяет на ней напряжение u_d (рис. 2.7д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2 и VD4 заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого (рис. 2.7е).

При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 2.6). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут

Рис. 2.7. Временные диаграммы для мостовой схемы

находиться диоды VD2 и VD4,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 2.7ж).

В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R_d будет проходить импульс тока i₂₄ (см. рис. 2.7в) такой же формы как импульс тока i₁₃, выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 2.7д).

Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R_d проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки (см. рис. 2.7г), под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 2.7д), такого же вида, как для схемы со средней точкой, Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:

.

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:

Отсюда можно рассчитать действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

При расчете выпрямленного тока I_d через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:

Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:

следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:

Амплитуда основной гармонической составляющей уменьшилась по сравнению с однополупериодной схемой, а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:

.

Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для схем со средней точкой , а для однополупериодной и мостовой схемы - . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : В однополупериодной схеме через диод и нагрузку протекает одинаковый ток:

Мостовая схема является основной схемой для однофазных выпрямителей. Она может использоваться без трансформатора, то есть включаться непосредственно в цепь переменного тока, если напряжение сети обеспечивает требуемую величину выпрямленного напряжения. При работе с трансформатором импульсы токов i₁₃ и i₂₄ во вторичной обмотке трансформатора направлены навстречу друг другу, поэтому их постоянные составляющие компенсируются, а трансформатор работает в режиме без постоянного подмагничивания. По сравнению со схемой со средней точкой мостовая схема имеет меньшие габариты трансформатора, так как на вторичной стороне помещается только одна обмотка.

2.4. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах . Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.

С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление ( ) для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.

Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

В зависимости от способа включения конденсатора и индуктивности различают следующие виды фильтров: емкостные (рис. 2.8 а), индуктивные (рис. 2.8 б), Г-образные (рис. 2.8 в), Г-образные (рис. 2.8 г).

Рис. 2.8. Электрические схемы сглаживающих фильтров

На рис. 2.9 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного выпрямителя при работе без фильтра (рис. 2.9 а), при включении емкостного (рис. 2.9 б) и индуктивного (рис. 2.9 в) фильтров.

Рис. 2.9. Временные диаграммы при работе: а) без фильтра;
б) с емкостным фильтром; в) с индуктивным фильтром

При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки . Зарядка конденсатора происходит током i_d протекающим через диод в течение небольшого промежутка времени, когда мгновенное значение пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (рис. 2.9 а) выше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе). Постоянная времени заряда конденсатора определяется емкостью конденсатора фильтра и небольшим сопротивлением, равным сумме прямого сопротивления открытых диодов и приведенного ко вторичной обмотке активного сопротивления трансформатора. Когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 2.9 б). При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки постоянная времени разрядка конденсатора значительно больше постоянной времени его зарядки. При этом разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 2.9 б) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах. увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения при большой емкости конденсатора.

Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :

Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

При включении последовательно с нагрузкой индуктивного фильтра (рис. 2.8 б) изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит электродвижущую силу самоиндукции . В соответствии с принципом Ленца электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, а следовательно, и пульсации напряжения нагрузки (рис. 2.9 в). Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.

Величину индуктивности фильтра выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление было значительно больше величины сопротивления нагрузки .

Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные сглаживающие фильтры (рис. 2.8 в, г). Однако при использовании этих фильтров уменьшается величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке за счет падения части напряжения на активных сопротивлениях обмотки дросселя или .

2.5. Внешняя характеристика выпрямительного устройства

Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для схемы со средней точкой , для мостовой – , – падение напряжения на открытом диоде.

Внешняя характеристика 1 (рис. 2.10) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром, а при включении в схему Г-образного LC фильтра получается характеристика 3. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .

Рис. 2.10. Внешние характеристики выпрямительного устройства

Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивление и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки . При включении Г – образного LC фильтра дополнительное снижение напряжения на нагрузке вызвано падением напряжения на последовательном включенном индуктивном фильтре.

2.6. Трехфазные схемы выпрямления

2.6.1. Трехфазная схема выпрямления со средней точкой

Трехфазную схему выпрямления со средней точкой (рис. 2.11) называют также трехфазной однотактной схемой, поскольку выпрямлению подвергается только одна из полуволн переменного напряжения каждой фазы. В трехфазную схему выпрямления входит трансформатор, первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки – только в звезду. Концы a, b, c вторичных обмоток трансформатора соединены с анодами трех диодов VD1, VD2, VD3. Катоды диодов соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки, а вывод средней точки трансформатора – отрицательным полюсом.

Рис. 2.11. Схема выпрямления

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Первоначально допустим, что нагрузка схемы выпрямления активная, т.е. X_d = 0. Для упрощения будем считать диоды и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико, активное сопротивление и индуктивность рассеяния X_a обмоток трансформатора и индуктивность питающей сети принимаем равными нулю. Тогда переход тока с одного диода на другой считаем мгновенным. Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 2.12. Из временной диаграммы (см. рис. 2.12 а) видно, что напряжения u_2a, u_2b, u_2c сдвинуты по фазе на одну треть периода (2p/3) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Диоды схемы работают попеременно по 1/3 периода (2p/3). В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Это справедливо для случая соединения диодов в катодную группу. Ток в каждом диоде протекает в течение 1/3 периода (2p/3) и прекращается тогда, когда потенциал анода работающего диода становится ниже потенциала катодов. Диод закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение u_b (см. рис. 2.12 в). Переход тока от одного диода к другому происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г на рис. 2.12а). Выпрямленный ток i_d проходит через нагрузку R_d непрерывно и складывается из чередующихся анодных токовi_a1, i_a2, i_a3. Мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d (см. рис.2.12б) в каждый момент определяется мгновенным значением напряжения той фазы, с которой соединен работающий диод. Выпрямленное напряжение u_d представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений u₂ вторичной обмотки трансформатора Т. Кривая выпрямленного тока i_d при X_a = 0, X_d = 0 повторяет кривую выпрямленного напряжения. Форма кривой тока i_a в диоде VD1 изображена на рис. 2.12в. Ток диода VD1 в этом случае будет являться также и током i_2a вторичной обмотки трансформатора. Кривая обратного напряжения u_b1 на диоде VD1 формируется из участков синусоид линейных напряжений (u_ab, u_сa), т.к. анод неработающего диода присоединен к одной из фаз, а катод через открытый диод – к другой фазе вторичной обмотки. Мгновенные значения междуфазного (линейного) напряжения соответствуют ординатам площади, заштрихованной на рис. 2.12а. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения u_b1, на диоде VD1 (см. рис. 2.12 в).

Рис. 2.12. Временные диаграммы

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе можно определить путем интегрирования кривой u_d за треть периода:

= = = 1,17U₂,

где − действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения определяется соотношением

q = = = 0,25 ,

где − амплитуда первой (основной) гармонической составляющей выпрямленного напряжения;

m – эквивалентное число фаз выпрямления, т.е. число полуволн в кривой u_d выпрямленного напряжения за один период переменного тока, питающего выпрямитель.

Частота пульсаций для первой гармоники выпрямленного напряжения

f_d = mf_c = 150 Гц ,

Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

Максимальное значение тока диода

I_amax = 1,21 I_d = 3,63 I_a .

Максимальное значение обратного напряжения на диоде

U_bmax = = = .

По среднему и максимальному значениям токов и максимальному значению обратного напряжения выбираются диоды.

Определим электрические параметры трансформатора. Действующее значение напряжения вторичной обмотки

= = .

Действующее значение тока вторичной обмотки

I₂ = = I_amax = 0,583 I_d .

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора зависит от коэффициента трансформации и схем соединения фаз первичных и вторичных обмоток трансформатора. При соединении первичных обмоток трансформатора по схеме «звезда» действующее значение тока первичной обмотки трансформатора в общем виде

I₁ = = I_{a max} = 0,476 .

Типовая мощность трансформатора для конструктивного расчета магнитопровода и обмоток без учета повышения веса магнитной системы трансформатора, связанного с появлением потока вынужденного намагничивания, равна

S_Т = = 1,345P_d ,

где S₁ = 3U₁I₁ = 1,21P_d – расчетная мощность первичной обмотки трансформатора;

S₂ = 3U₂I₂ = 1,48P_d – расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора;

P_d = U_dI_d – мощность в нагрузке.

В трехфазном выпрямителе со средней точкой имеет место явление вынужденного намагничивания магнитопровода трансформатора, т.к. токи вторичных обмоток трансформатора i_2a, i_2b, i_2c содержат постоянную составляющую, равную I_d, которая создает в каждом стержне магнитопровода однонаправленный поток вынужденного намагничивания трансформатора. Этот поток, пульсируя с тройной частотой по отношению к частоте питающей сети, замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора, вызывая их нагрев. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет вихревых токов, индуцируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Насыщение магнитопровода трансформатора приводит к резкому увеличению намагничивающего тока (тока холостого хода) трансформатора. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода. Однако это приводит к завышению массогабаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора необходимо соединять «треугольником». При этом в потоке вынужденного намагничивания остается только постоянная составляющая; переменная же составляющая с явно выраженной третьей гармоникой компенсируется потоками, которые создают токи высших гармоник с частотой, кратной трем, содержащиеся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающиеся по контуру, образованному этими обмотками. Расчетная мощность трансформатора при соединении обмоток «треугольником» не изменяется.

2.6.2.Трехфазная мостовая схема

Значительное количество выпрямителей трехфазного тока выполняется по мостовой схеме (схеме Ларионова), содержащей трехфазный трансформатор и выпрямительный блок из шести диодов (рис. 2.13.) Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться по схеме звезды или треугольника. Вместе с тем мостовая схема выпрямления может применяться и без трансформатора. Диоды в выпрямительном блоке разделяют на две группы:

1) катодную, или нечетную (диоды VD1, VD3, VD5), в которой электрически связаны катоды диодов и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;

2) анодную, или четную (диоды VD2, VD4, VD6), в которой электрически связаны между собой аноды диодов, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов.

Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других диодов в катодной группе, а в анодной группе − диод, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других диодов анодной группы.

Рис. 2.13. Схема выпрямления

Работу схемы можно проследить с помощью временных диаграмм рис. 2.14. Так как режимы работы схемы на активную и активно-индуктивную нагрузку отличается незначительно, то анализ работы схемы проведем для наиболее распространенной активно-индуктивной нагрузки, принимая X_a=0, X_d=0. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 2.14а), а диоды анодной группы − в момент пересечения отрицательных участков кривых фазных напряжений (точки к, л, м, н). Каждый диод открыт в течение одной трети периода . При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток на