Составить доклад по теме исследование выпрямителя однофазного тока на диодах
Обновлено: 18.05.2024
Однофазные выпрямители: типовые схемы, осциллограммы и моделирование
Выпрямитель используется в цепи переменного тока для его преобразования в постоянный. Наиболее распространенным является выпрямитель, собранный из полупроводниковых диодов. При этом он, может быть собрать из дискретных (отдельных) диодов, либо быть в одном корпусе (диодная сборка).
Давайте рассмотрим, что такое выпрямитель, какими они бывают, а в конце статьи проведем имитационное моделирование в среде Multisim. Моделирование помогает закрепить теорию на практике, без сборки и реальных компонентов просмотреть формы напряжений и токов в цепи.
Схемы выпрямителей переменного напряжения
На изображениях выше представлен внешний вид диодных мостов. Но это не единственная схема выпрямления. Для однофазного напряжения существует три распространенных схемы выпрямления:
1. 1-полупериодная (1ф1п).
2. 2-полупериодная (1ф2п).
3. 2-полупериодная со средней точкой (1ф2п).
Однополупериодная схема выпрямления
Самая простая схема состоит всего лишь из одного диода, даёт на выходе постоянное нестабилизированное пульсирующее напряжение. Диоды подключается в цепь питания на фазный провод, либо на один из выводов обмотки трансформатора, вторым концом к нагрузке, второй полюс нагрузки – к нулевому проводу или второму выводу обмотки трансформатора.
Действующее значение напряжение в нагрузке равняется примерно половине амплитудного. Амплитудное значение напряжения это размах синусоиды питающей сети в общем случае для переменного тока
Uампл = Uдейств * √2.
Для электросетей России действующие напряжение однофазной сети – 220 В, а амплитудное примерно 311
Простыми словами – на выходе мы получаем пульсации длиною в пол периода (20 мс для 50 Гц) от 0 В, до 311 В. В среднем напряжение получается меньше чем 220 вольт, это используют для питания нетребовательных к качеству напряжения потребителей или для включения ламп накаливания в подсобных, хозяйственных помещениях и подъездах. Так снижается потребляемая мощность и возрастает срок службы.
Лирическое отступление:
Долговечность таких светильников колоссальная, я пришел в цех год назад, а лампу установили еще в 2013 году, так она до сих пор светит по 12 часов каждые сутки. Но такой свет нельзя использовать в рабочих помещениях, из-за высоких пульсаций. Осциллограмы входных и выходных напряжений изображены ниже:
Однополупериодная схема отсекает только одну полуволну, что вы и видите на эпюре выше. Из-за такого питания мы получаем большой коэффициент пульсаций.
Стоит сказать, что если немного сменить тему и перейти от сетевых выпрямителей, то однополупериодная схема широко используется в импульсной схемотехнике, выпрямляя напряжение вторичной обмотки импульсного трансформатора.
На маломощных импульсных источниках питания тоже используют эту схему. Именно так, скорее всего, сделано ваше зарядное устройство для мобильного телефона.
Двухполупериодная схема
Для снижения коэффициента пульсаций и ёмкости фильтра используют другую схему – двухполупериодную. Называется она – диодный мост. Переменное напряжение поступает на точку соединения разноименных полюсов диодов, а постоянное по знаку с одноименных. Выходное напряжение такого моста называют выпрямленным пульсирующим (или не стабилизированным). Именно такое включение диодов наиболее распространено во всех сферах электроники.
Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц
Вторая схема используется в источниках питания со средней точкой, по сути это две однополупериодные объединенные со вторичной обмоткой трансформатора со средней точкой. Аноды подсоединяются к крайним концам обмотки, катоды к одному вывод нагрузки (плюсовой), второй вывод нагрузки подсоединяется к отводу от середины обмотки (средней точке).
График выходного напряжения аналогичен и мы его рассматривать не будем. Существенное отличие лишь в том, что ток одновременно протекает через один диод, а не через пару как в мосте. Это снижает потери энергии на диодном мосте и лишний нагрев полупроводников.
Уменьшение коэффициента пульсаций
Коэффициент пульсаций – это величина, которая отражает насколько сильно пульсирует выходное напряжение. Или наоборот – насколько стабильно и равномерно ток подаётся в нагрузку.
Чтобы снизить коэффициент пульсаций параллельно нагрузке (выходу диодного моста) устанавливают всевозможные фильтры. Самый простой вариант – установить конденсатор. Чтобы пульсации были как можно меньше, постоянная времени Rнагрузки Cфильтра должна быть на порядок (а лучше несколько) больше периода пульсаций (в нашем случае 10 мс).
Для этого либо нагрузка должна иметь высокое сопротивление и малый ток, либо ёмкость конденсатора достаточно большой.
Расчетное соотношение для подбора конденсатора выглядит так:
Кп – это требуемый коэффициет пульсаций.
Для улучшения ряда характеристик фильтра могут применяться LC цепи, соединенные по схеме Г или П-фильтра, в отдельных случаях и другие конфигурации. Недостатком использования LC фильтров в радиолюбительской практики является необходимость подбора фильтрующего дросселя. А нужного по номиналу (индуктивности и току) зачастую нет под рукой. Поэтому приходится либо мотать самому, либо выходить из сложившейся ситуации другим образом – выпаяв из подобного по мощности блока питания.
Моделирование однофазных выпрямителей
Давайте закрепим эту информацию на практике и займемся моделированием электроцепей. Я решил, что для создания модели такой простой схемы отлично подойдет пакет Multisim – он наиболее прост в освоении из всех мне известных и меньше всего требует ресуров.
Однако алгоритмы моделирования у него проще чем в Orcad или Simulink (хотя это и математическое моделирование, а не имитационное), поэтому результаты моделирования некоторых схем не являются достоверными. Multisim подходит для изучения основ электроники, режимов работы транзистора, операционных усилителей.
Не стоит недооценивать возможностей этой программы, при должном подходе она способна отобразить работу сложных устройств.
Мы рассмотрим модели первых двух схем, третья схема, по существу аналогична второй, но имеет меньшие потери за счет исключения двух ключей и большую сложность – из-за необходимости применения трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки.
Однополупериодная схема
Схема, по которой происходит моделирование
Источник питания имитирует однофазную бытовую сеть с характеристиками:
220 в действующее напряжение;
В программе я не нашел амперметра и вольтметра, их роль выполняют мультиметры. Позже обратите внимание на обилие их настройки, и возможность выбора рода тока.
В приведенной модели мультиметр XMM1 – измеряет ток в нагрузке, XMM3 – напряжение на выходе выпрямителя, XMM2 – напряжение на входе, XSC2 – осциллограф. Обращайте внимание на подписи элементов – это исключит вопросы при анализе рисунков, которые будут ниже. Кстати в Multisim представлены модели реальных диодов, я выбрал самый распространенный 1n4007.
Красным цветом изображена осциллограмма на входе (канал А) в поле с результатами измерений. Синим цветом – выходное напряжение (канал В). У первого канала цена деления одной клеточки по вертикали – 200 В/дел, а у второго канала – 500. Я нарочно так сделал, чтоб разделить осциллограммы визуально иначе они сливались. Желтая вертикальная линия в левой трети экрана – это измеритель, величина напряжений в точке с максимальной амплитудой описана ниже черного экрана.
Амплитуда входа – 311.128 В, как и было сказано в начале статьи, а на выходе – 310.281 разница почти в один вольт обусловлена падением на диоде. В правой части изображения результаты измерений мультиметров. Названия окон соответствуют названиям мультиметров XMM в схеме.
Из эпюры мы видим, что действительно в нагрузку поступает только одна полуволна напряжения, а среднее его значение – 98 В, что больше чем в двое меньше входного действующего 220 В переменного по знаку.
На следующей схеме мы добавили фильтрующий конденсатор и один мультиметр для измерения тока нагрузки, запомните их подписи, чтобы не запутаться при изучении рисунков.
Резистор перед диодом нужен для измерения тока заряда конденсатор, чтобы узнать ток – разделите число вольт на 1 (сопротивление). Однако в дальнейшем мы заметим, что при больших токах на резисторе падает значительное напряжение, которое может сбить с толку при измерениях, в реальных условиях – это вызвало бы нагрев резистора и потерю КПД.
На осциллограмме изображено оранжевым входное напряжение, а красным входной ток. Кстати здесь заметен сдвиг тока в сторону опережения напряжения.
На осциллограмме выходного сигнала мы видим как работает конденсатор – напряжение в нагрузке в то время, когда диод закрыт и проходит одна полуволна, спадает плавно, среднее его значение вырастает, а пульсации снижаются. После, на положительной полуволне, конденсатор подзаряжается и процесс повторяется.
Увеличив сопротивление нагрузки в 10 раз, мы снизили ток, конденсатор не успевает разряжаться, пульсации стали гораздо меньше, таким образом мы доказали теоретические сведения описанные в предыдущем разделе о пульсациях и влиянии на них тока и ёмкости. Для того чтобы показать это мы могли изменить ёмкость конденсатора.
Двухполупериодная схема
Давайте рассмотрим, как выглядит в действии схема выпрямления обоих полупериодов. Мы установили на вход диодный мост.
На осциллограммах видно, что в нагрузку поступают обе полуволны, но пульсации очень большие.
На входной осциллограмме появилась нижня часть полуволны у тока (красным цветом).
Снизим пульсации установив фильтрующий электролитическй конденсатор по входу. На практике желательно параллельно ему установить еще и керамический, чтобы снизить высокочастотные составляющие синусоиды (гармоники).
На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора (она становится положительной после моста).
На выходной осциллограмме видно, что пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором, обратите внимание – напряжение стремится к амплитудному, чем меньше пульсаций – тем ближе его среднее значение к амплитуде.
Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе.
И бОльшие токи зарядов на входе, очень заметно смещение тока фазы. Процесс заряда конденсатора происходит не линейно, а экспоненциально, поэтому мы видим, что напряжение повышается, а ток падает.
Заключение
Выпрямители широко используются во всех сферах электроники и электричестве в целом. Выпрямительные цепи устанавливаются везде – от миниатюрных блоков питания и радиоприёмниках до цепей питания мощнейших двигателей постоянного тока в крановом оборудовании.
Моделирование отлично помогает понять процессы протекающих в схемах и изучить, как изменяются токи от изменения параметров цепи. Развитие современных технологий позволяет изучать сложные электрические процессы без наличия дорогого оборудования типа спектральных анализаторов, частотомеров, осциллографов, самописцев и сверхточных вольт-амперметров. Оно позволяет избежать ошибок при проектировании схем перед сборкой.
Однофазные выпрямители - схемы и принцип действия
Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования входною переменного напряжения в постоянное. Основным блоком выпрямителя является вен пильный комплект, который непосредственно выполняет преобразования переменного напряжения в постоянное.
При необходимости согласования параметров сети с параметрами нагрузки, выпрямительный комплект подключается к сети через согласующий трансформатор. По числу фаз питающей сети выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Подробнее смотрите здесь - Классификация полупроводниковых выпрямителей. В этой статье рассмотрим работу однофазных выпрямителей.
Однофазный однополупериодный выпрямитель
Простейшей схемой выпрямителя является однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 1).
Рис. 1. Схема однофазного управляемого однополупериодного выпрямителя
Диаграммы работы выпрямителя на R- нагрузку показаны на рисунке 2.
Рис. 2. Диаграммы работы выпрямителя на R-нагрузку
Для того, чтобы открыть тиристор, необходимо выполнение двух условий:
1) потенциал анода должен быть выше потенциала катода;
2) на управляющий электрод должен быть подан открывающий импульс.
Для данной схемы одновременное выполнение этих условий возможно лишь в положительные полупериоды питающего напряжения. Система импульсно-фазового управления ( СИФУ ) должна формировать открывающие импульсы лишь в положительные п олунериоды питающего напряжения.
При подаче на тиристор VS1 открывающего импульса в момент времени θ = α тиристор VS1 открывается и к нагрузке прикладывается напряжение питания U 1 в течение оставшейся части положительного полупериода (прямое падение напряжения на вентиле Δ U в пренебрежимо мало по сравнению с напряжением U 1 ( Δ U в = 1 - 2 В )). Поскольку нагрузка R - активная, то ток в нагрузке повторяет форму напряжения.
В конце положительного полупериода ток нагрузки i и вентиля VS1 уменьшатся до нуля ( θ = n π) , а напряжение U 1 изменит свой знак. Таким образом, к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, под действием которого он закрывается и восстанавливает свои управляющие свойства.
Такая коммутация вентиля под действием напряжения источника питания, периодически изменяющего свою полярность, называется естественной .
Из диаграмм видно, что изменение а приводит к изменению части положительного полупериода, в течение которого напряжение питания приложено к нагрузке, и, следовательно, это приводит к регулированию потребляемой мощности. Угол α характеризует задержку момента открывания тиристора по отношению к моменту его естественного открывания и называется углом открывания (управления) вентиля .
ЭДС выпрямителя и ток представляют собой следующие друг за другом отрезки положительных полусинусоид, постоянных по направлению, но непостоянных по величине, т.е. выпрямленные ЭДС и ток имеют периодический пульсирующий характер. А каждую периодическую функцию можно разложить в ряд Фурье:
где Е — постоянная составляющая выпрямленной ЭДС, en( t ) — переменная составляющая, равная сумме всех гармонических составляющих.
Таким образом, можно считать, что к нагрузке приложено постоянная ЭДС искаженная переменной составляющей en(t). Постоянная составляющая ЭДС Е является основной характеристикой выпрямленной ЭДС.
Процесс регулирования напряжения на нагрузке путем изменения называется фазовым регулированием . Данная схема имеет ряд недостатков:
1) высокое содержание высших гармонических в выпрямленной ЭДС;
2) большие пульсации ЭДС и тока;
3) прерывистый режим работы схемы;
4) низкий коэффициент использования схемы по напряжению ( k схе =0,45).
Режимом прерывистого тока работы выпрямителя называется такой режим, при котором ток в цепи нагрузки выпрямителя прерывается, т.е. становится равным нулю.
Однофазный однонополупериодный выпрямитель при работе на активно-индуктивную нагрузку
Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку представлены на рис. 3.
Рис. 3. Диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку
Для анализа процессов, протекающих в схеме, выделим три интервала времени.
1. α . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 4.
Согласно схеме замещения:
На этом интервале времени eL (ЭДС самоиндукции) направлена встречно напряжению сети U1 и препятствует резкому нарастанию тока. Энергия из сети преобразуется в тепловую на R и накапливается в электромагнитном поле индуктивности L.
2. α π. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 5.
На этом интервале ЭДС самоиндукции eL поменяла свой знак (в момент времени θ = δ ).
При θ δ eL меняет свой знак и стремится поддержать ток в цепи. Она направлена согласно с U1. На этом интервале энергия из сети и накопленная в поле индуктивности L преобразуются в тепловую в R.
3. π θ α + λ . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 6.
Рис. 6 Схема замещения
В момент времени θ = π напряжение сети U1 меняет свою полярность, но тиристор VS1 остается в проводящем состоянии, так как eL превышает U 1 и на тиристоре сохраняется прямое напряжение. Ток под действием eL будет протекать по нагрузке в том же направлении до тех пор, пока энергия, накопленная в поле индуктивности L , полностью не израсходуется.
На этом интервале часть энергии, накопленной в поле индуктивности, преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть отдается в сеть. Процесс передачи энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока называется инвертированием . Об этом свидетельствуют разные знаки е и i.
Длительность протекания тока на участке отрицательной полярности U 1 зависит от соотношения между величинами L и R (XL = ω L). Чем больше отношение — ω L /R , тем больше продолжительность протекания тока λ .
Если в цепи нагрузки есть индуктивность L , то форма тока становится более гладкой и ток протекает даже на участках отрицательной полярности U 1 . Тиристор VS1 при этом закрывается не в момент перехода напряжения U1 через 0, а в момент спадания тока до нуля. Если ω L /R → оо, то при α = 0 λ→2π.
Принцип действия однофазного мостового выпрямителя в непрерывном режиме при работе на активную и активно-индуктивную нагрузки
Силовая схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 7, а временные диаграммы его работы на активную нагрузку - на рис. 8.
Вентильный мост (рис. 7) содержит две группы вентилей — катодную (нечетные вентили) и анодную (четные вентили). В мостовой схеме ток проводят одновременно два вентиля - один из катодной группы и один из анодной.
Как видно из рис. 7 вентили включаются так, что в положительные полупериоды напряжения U2 ток протекает через вентили VS1 и VS4, а в отрицательные полупериоды — через вентили VS2 и VS3. Принимаем допущения, что вентили и трансформатор идеальные, т.е. Lтp = Rтp = 0, Δ U B = 0.
Рис. 7. Схема однофазного мостового выпрямителя
Рис. 8. Диаграммы работы однофазного мостового управляемого выпрямителя на активную нагрузку
В данной схеме в каждый момент времени проводит ток одна пара тиристоров VS1 и VS4 в положительные полупериоды U2 и VS2 и VS3 в отрицательные. Когда все тиристоры закрыты, то к каждому из них прикладывается половина напряжения питания.
При θ = α открываются VS1 и VS4 и по нагрузке начинает протекать ток через открывшееся VS1 и VS4. К работавшим ранее VS2 и VS3 прикладывается полное напряжение сети в обратном направлении. При в = л-, U2 меняет свой знак и поскольку нагрузка активная, то ток становится равным нулю, а к VS1 и VS4 прикладывается обратное напряжение и они закрываются.
При θ = π + α открываются тиристоры VS2 и VS3 и ток по нагрузке продолжает протекать в том же направлении. Ток в данной схеме при L=0 имеет прерывистый характер и лишь при α =0 ток будет гранично-непрерывным.
Гранично-непрерывным режимом называется режим, при котором ток в некоторые моменты времени снижается до нуля, но не прерывается.
U пр.мах = U обр.мах = √2 U2 (с трансформатором),
U пр.мах = U обр.мах = √2 U 1 (без трансформатора).
Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку
R-L нагрузка типична для обмоток электрических аппаратов и обмоток возбуждения электрических машин, или когда на выходе выпрямителя установлен индуктивный фильтр. Влияние индуктивности сказывается на форме кривой тока нагрузки, а также на среднем и действующем значениях тока через вентили и трансформатор. Чем больше индуктивность цепи нагрузки, тем меньше переменная составляющая тока.
Для упрощения расчетов полагают, что ток нагрузки идеально сглажен ( L → оо). Это правомерно, когда ωп L > 5R, где ωп - круговая частота пульсаций на выходе выпрямителя. При выполнении данного условия ошибка в расчётах незначительна и может не приниматься во внимание.
Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку представлены на рис. 9.
Рис. 9. Диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при работе на RL-нагрузку
Для рассмотрения процессов, протекающих в схеме, выделим три участка работы.
1. α . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 10.
На рассматриваемом интервале энергия из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть накапливается в электромагнитном поле индуктивности.
2. α π . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 11.
В момент времени θ = δ ЭДС самоиндукции eL = 0, т.к. ток достигает максимального значения.
На этом интервале энергия, накопленная в индуктивности и потребляемая из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R.
3. π θ α + λ . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 12.
На этом интервале часть энергии, накопленная в поле индуктивности, преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть возвращается в сеть.
Действие ЭДС самоиндукции на 3-м участке приводит к появлению участков отрицательной полярности в кривой выпрямленной ЭДС, а разные знаки е и i свидетельствуют о том, что на этом интервале происходит возврат электрической энергии в сеть.
Если к моменту времени θ = π + α энергия, накопленная в индуктивности L, полностью не израсходована, то ток i будет иметь непрерывный характер. При подаче в момент времени θ = π + α открывающих импульсов на тиристоры VS2 и VS3, к которым со стороны сети приложено прямое напряжение, они открываются и через них к работавшим VS1 и VS4 прикладывается обратное напряжение со стороны сети, вследствие чего они закрываются, такой вид коммутации называется естественной.
ВЫПРЯМИТЕЛЬ - это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.
Структурная схема выпрямителя
Трансформатор регулирует напряжение до необходимой величины.
Вентильная группа содержит элементы с односторонней проводимостью: выпрямительные диоды в неуправляемых выпрямителях и тринисторы - в управляемых выпрямителях.
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Стабилизатор напряжения поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе Rн .
Существуют однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители.
2. Однофазные выпрямители. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяют три схемы:
2) двухполупериодная мостовая;
3) двухполупериодная трансформаторная (с выводом средней точки).
Однополупериодная схема - в которой ток проходит через вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника.
Двухполупериодные схемы - в которых ток проходит через вентильную группу в течение двух полупериодов переменного напряжения источника.
Рассмотрим соотношения параметров в выпрямителях при следующих допущениях:
1) Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора и активное сопротивление его обмоток равны нулю;
2) Сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном равно бесконечности.
Однополупериодный однофазный выпрямитель
Временные диаграммы напряжений и токов:
Определим постоянную составляющую выпрямленного тока:
.
Так как , то
.
Но так как , т.е. , то
.
Постоянная составляющая напряжения, выраженная через максимальное значение:
.
Постоянная составляющая напряжения, выраженная через действующее значение:
Таким образом, в данной схеме максимальное напряжение на диоде
,
т.е. напряжение на диоде в три раза больше, чем на нагрузке.
Среднее значение тока диода в этой схеме .
Величину пульсаций выпрямленного напряжения характеризуют коэффициентом пульсаций
,
где U1m – амплитуда переменной составляющей напряжения, изменяющегося с частотой повторения импульсов, т.е. амплитуда первой гармоники.
Для однополупериодной схемы
, а .
1) большое значение коэффициента пульсаций ;
2) напряжение на нагрузке почти в 3 раза меньше, чем на диоде;
3) постоянная составляющая выпрямленного тока значительно меньше тока во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к его недостаточному использованию по току.
I0 в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме. Поэтому:
;
;
Частота выпрямленного тока в 2 раза больше, чем у сети.
.
Двухполупериодная схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора
Это фактически сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на нагрузочный резистор Rн в различные фазы.
Соотношения параметров в данной схеме такие же, как и в мостовой схеме.
Преимущества двухполупериодных выпрямителей по сравнению с однополупериодным:
Среднее значение выпрямленных тока и напряжения в 2 раза больше, а пульсации меньше.
Но двухполупериодные выпрямители имеют более сложную конструкцию и стоимость.
Сравнение двухполупериодных схем:
1) Мостовая схема конструктивно проще, ее габариты, масса и стоимость ниже, чем трансформаторной схемы.
2) Максимальное обратное напряжение на закрытых диодах в мостовой схеме в 2 раза меньше (на каждый из двух диодов приходится половина напряжения).
3) Но в мостовой схеме необходимо в 2 раза больше диодов.
При выпрямлении токов I >Iпрmax для одного диода параллельно включают однотипные диоды с добавочными сопротивлениями:
Величины токов определяются их сопротивлениями в прямом направлении. Но сопротивления диодов в прямых направлениях Rдпр даже для однотипных диодов различны. Для выравнивания токов диодов последовательно включают добавочные сопротивления. Причем Rд в 5…10 раз больше Rдпр .
При выпрямлении напряжения, превышающего максимально допустимое для диода Uобр.max , используют последовательное соединение диодов, шунтированных резисторами.
При этом обратное напряжение на диодах распределяется в соответствии с их обратными сопротивлениями Rд.обр . Для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы Rш , величина которых равна:
3. Сглаживающие фильтры
Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ).
Снижение пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания
,
где Kп и Kп ’ – коэффициенты пульсаций до и после фильтра.
Основными требованиями к сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.
У индуктивного элемента , а у емкостного элемента
,
где k – номер гармоники.
Поэтому индуктивность устанавливают последовательно, а емкость – параллельно нагрузке.
Конденсатор заряжается до напряжения U2 , когда U2 > Uс (интервал t1 – t2 ). В течение интервала времени (t2 – t3 ) напряжение Uс > U2 – диод закрыт, а конденсатор разряжается через резистор Rн с постоянной времени .
Файл: Реферат ВЫПРЯМИТЕЛИ.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлена: 30.04.2019
Скачиваний: 84
1 Общие принципы построения выпрямительных устройств………………….3
1.2 Структурная схема и классификация выпрямителей………………….3
1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей………………….4
2 Основные схемы выпрямления………………………………………………. 6
2.1 Однофазные выпрямители………………………………………………6
2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)…..7
2.3 Мостовая схема (схема Греца)………………………………………. 10
3 Трехфазные выпрямители…………………………………………………….12
3.1 Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда)……………………………12
3.2 Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)……………………. 13
Список использованной литературы……………………………………………16
Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30-35%) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.
Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).
Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.
1 Общие принципы построения выпрямительных устройств
1.2 Структурная схема и классификация выпрямителей
Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят:
силовой трансформатор (СТ),
вентильный блок (ВБ),
фильтрующее устройство (ФУ),
цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН) .
Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.
Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.
Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U 2 определяет значение выпрямленного напряжения U н (или U d ).
Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U 1 , I 1 с частотой f 1 , и цепь нагрузки с U н , I н (или U d , I d ). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.
Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.
Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.
При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.
Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.
1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей
Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам :
1) по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);
2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);
3) по пульсности ( р ) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U 1 ;
4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U 2 за период питающего напряжения:
Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) – управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители.
Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:
а) на активную нагрузку;
б) на активно-индуктивную нагрузку;
в) на активно-емкостную нагрузку;
Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются.
Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей.
Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся:
- величины выпрямленного напряжения и мощности;
- частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;
- число диодов и величина обратного напряжения на них;
- коэффициент полезного действия (к.п.д.);
- коэффициент мощности и другие энергетические показатели.
При расчете выпрямителя большое значение имеет также коэффициент использования трансформатора по мощности , который определяется как:
где U d , I d - средние значения выпрямленного напряжения и тока, U 1 , I 1 - действующие значения первичного напряжения и тока, U 2 , I 2 - действующие значения вторичного напряжения и тока.
При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.
2 Основные схемы выпрямления
2.1 Однофазные выпрямители
Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам - фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.
Однофазная, однополупериодная схема.
Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют для выпрямления токов 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.
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 e 2 ток в цепи нагрузки i d может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток i vd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжение u d в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e 2 , так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением r ). Максимальное обратное напряжение на вентиле U обрmax , как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E 2m .
Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую I d , которая в первичную обмотку не трансформируется . В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.
2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)
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. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.
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.
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 VD 1 и VD 2 . Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w 21 и w 22 находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD 1 и VD 2 проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD 1 и ток i vd1 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w 21 трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD 2 , ток i vd2 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w 22 трансформатора, причем в цепи нагрузки ток i d проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.
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 i 21 и i 22 в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания.
Рассмотрим расчет коэффициента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.
Выходное напряжение u d снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке
Читайте также: