Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора.

Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.

В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис.3,а, при этом подразумевается, что в схемах рис.3,а и рис.3,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.

Рис.3. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой

Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

	(9)
Действующие значения напряжения через коэффициент схемы ; ;	(10)

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока через один вентиль

(11)

Амплитуда тока вентиля

(12)

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

,

,

а его амплитуда

(13)

Мгновенное значение первичного тока

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

(14)

Мощность трансформатора

(15)

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .

Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

(16)

тогда мощность трансформатора

(17)

Амплитуда анодного тока вентиля .

Остальные параметры вентилей такие же, как и при .

Рис.4. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10

Работа выпрямителя на активную нагрузку при углах управления

Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения вентиля1), на управляющий электрод вентиля подается управляющий импульс (рис.5). Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений

двух вторичных полуобмоток.

Рис.5. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле

Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент

.

Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент

он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.

Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ( ), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.

Из рис.5 видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться.

Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:

(18)

Обозначив через найденное по выражению (9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя

( ),

получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:

(19)

Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).

Среднее значение выпрямленного тока

(20)

В соответствии с (19) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля.

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.

Рис.6. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область на рис.6 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения

.

Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При

режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 на рис.6).

Рассмотрим зависимость внешней характеристики управляемого выпрямителя, регулировочной характеристик и диапазоном угла регулирования при различных значениях входного напряжения выпрямителя.

На рис. 7 приведены внешние характеристики Ud = f (Id) и регулировочные характеристики выпрямителя Ud = f ( ). Параллельные внешние характеристики соответствуют различным величинам входного напряжения при неизменных сопротивлениях питающей сети. Величина сопротивления питающей сети и сопротивления выпрямителя определяют угол наклона внешней характеристики.

Максимальный угол регулирования ( _max) определяется для регулировочной характеристики при максимальном отклонении входного напряжения при заданном уровне выходного напряжения. При проектировании рекомендуется учитывать не только отклонение входного напряжения, но и потери на сопротивлении питающей сети и на внутреннем сопротивлении выпрямителя.

Рис. 7.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Его схема приведена на рисунке 8.
Рисунок 8. Принципиальная схема однофазного мостового выпрямителя

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя со средним выводом трансформатора, приведенными на рисунке 3. В двухтактном выпрямителе присутствует только одна вторичная обмотка. Количество импульсов тока за период равно 2. Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих блоков несколько отличаются. Для низковольтных выпрямителей лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде. В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 8, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Лекция 3