Меню

Среднего значения напряжения неуправляемого выпрямителя

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

Содержание

  1. Параметры выпрямителей
  2. Однофазный однополупериодный выпрямитель
  3. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
  4. Однофазный мостовой выпрямитель
  5. Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом
  6. Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения u вых

где Т − период напряжения сети (для промышленной сети − 20 мс);

  • среднее значение выходного тока i выx и I ср= 1/T· T ∫ 0i выхdt
  • коэффициент пульсаций выходного напряжения ε = U m/ U ср, где U m — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = U m/U ср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

Параметры выпрямителей

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

  1. действующее значение U вх входного напряжения выпрямителя;
  2. максимальное обратное напряжение U обр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение U ср;
  3. среднее значение I д.ср тока отдельного вентиля;
  4. максимальное (амплитудное) значение I д.макс тока отдельного вентиля.

Токи I д.ср и I д.макс принято выражать через I ср. Значение U обр.макс используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

I д.сри I д.макс используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток I д.срм мал, но велик максимальный ток I д.макс.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Он является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

U ср= √2 / π · U вх вх≈ 2,22 · U ср

I ср= U ср R н ε= π/ 2 = 1,57

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).

Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.74, б).

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:

U ср= 2 · √2 · U 2/ π≈ 0,9 · U 2

U обр.макс= 2 · √2 · U 2= π · U ср

I д.макс= √2 · U 2/ R н= π· I ср / 2

где U 2 — действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель

(рис. 2.75, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D 1 и D 2, а другая — D 3 и D 4. Таким образом, к примеру, диоды D 1 и D 2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б).

Абрамян Евгений Павлович Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:

U ср = 2 · √2 / π· U вх ≈ 0,9 · U вх

U обр.макс= √2 · U вх= π/2 · U ср

I д.макс= √2 · U вх/ R н= π/2 · I ср

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом

Его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67. частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

Приведена на рис. 2.77.

Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.

Читайте также:  Сила тока 100 ампер напряжение

Васильев Дмитрий Петрович Профессор электротехники СПбГПУ

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (ε = 0,057), а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.

Источник

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении \(U_ <вх>= U_ <вх max>\sin<\left( \omega t \right)>\) , представлены на рис. 3.4-1б.

Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

На интервале времени \(\left[ <0;>T/2 \right]\) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале \(\left[ T/2 <;>T \right]\) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

где \(U_<вх д>\) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

где \(I_\) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

Действующее значение тока нагрузки \(I_<н д>\) (через диод протекает такой же ток):

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_<н ср>\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_<вх д>\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_<вып>\)). Для рассматриваемой схемы \(K_ <вып>= <0,45>\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_ <обр max>= U_ <вх max>= \pi U_<н ср>\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_ <н ср>\right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_ <н ср>\cfrac\).

Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_ <тр P>\approx <0,48>\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_<вх>\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx \)). Примем: \(U_н = U_ <вх max>\cos<\beta>\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_<откр>/2\)). Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

Читайте также:  Что такое кассовое напряжение

График зависимости A(beta)

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left[\pi/2 – \beta ; \pi/2 + \beta \right]\):

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac \pi r> \)

Средний ток через диод \(I_<д ср>\) равен среднему току нагрузки \(I_<н ср>\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_<д ср>\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac \pi r> = \cfrac<\pi r> \)

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_ <вх>= U_<вх max>\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

График зависимости F(beta)

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

График зависимости H(beta)

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

где \( \theta = \operatorname \left( \cfrac<\omega L> \right) \)

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_ <обр>= U_<вх max>\).

Читайте также:  Как преобразовать малое напряжения

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

Источник



Неуправляемые выпрямители

Выпрямителяминазывают электрические схемы, предназначенные для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Они служат для питания устройств промышленной электроники. Питание электронной аппаратуры осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители большой мощности, работающие от трехфазной сети.

Выпрямители бывают неуправляемые и управляемые.

Однофазные выпрямители делят на однополупериодные и двухполупериодные.

Основные параметры выпрямителей:

средние значения выпрямленного напряжения Ud и тока Id

допустимый коэффициент пульсаций Кп — отношение амплитуды переменной составляющей основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения Kп=(U

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Эта схема является однотактной, т. к. ток во вторичной обмотке трансформатора проходит только в течении положительного полупериода входного напряжения.

Временные диаграммы напряжения на нагрузке при синусоидальном входном напряжении показаны на рис. 2.9.

а) среднее значение выпрямленного напряжения Ud =0,45U2

б) коэффициент пульсаций Кп= 1,57

в) среднее значение выпрямленного тока Id= Ud/RH

среднее значение тока через каждый диод: Iа = Id

г) к запертому вентилю приложено обратное напряжение

Эта схема служит для питания цепей малой мощности. Она проста, но имеет высокий уровень пульсаций, малую величину выпрямленного напряжения и характеризуется подмагничиванием сердечника трансформатора постоянным током.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя

с выводом нулевой точки.

В двухполупериодном выпрямителе в течение одной половины периода переменного напряжения ток проходит через диод Д1 а в течение другой половины периода — через диод Д2. Трансформатор Тр выполнен с двумя вторичными обмотками, имеющими общий (нулевой) вывод. Временные диаграммы напряжений и токов первичной и вторичных обмоток трансформатора, а также сопротивления нагрузки Rн представлены на рис. 8.2, б. Диоды Д1 и Д2 работают поочередно благодаря противофазности ЭДС е. и е2b во вторичных обмотках трансформатора.

Ток id в нагрузке в течение всего периода переменного напряжения проходит в одном и том же направлении за счет чередующихся токов ia1 и ia2.Этот ток вызывает на нагрузке пульсирующее напряжение Ud. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке

Среднее значение выпрямленного тока Id= Ud/RH

Среднее значение тока через каждый диод: Iа = Id/2

К запертому вентилю прикладывается обратное напряжение равное:

Расчетная мощность трансформатора Pтр=1,48Pd

Коэффициент пульсаций KП=U

Мостовая схема выпрямителя.

Это однофазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 8.3, а). Диоды в нем являются плечами моста. К одной диагонали моста приложена переменная ЭДС вторичной обмотки трансформатора е2, во вторую диагональ включена нагрузка Rн.

При положительной полуволне ЭДС вторичной обмотки трансформатора е2 (интервал 0 — π на рис. 8.3, б) ток i2,3, проходит по це­пи: точка а с положитель­ным потенциалом — открытый диод Д2— резистор Rн— открытый диод Д3— точка b с отрицательным потенциалом. Диоды Д1 и Д4 при этом заперты.

Через полпериода (интервал π–2π) потенциал точки а станет отрицательным, а точки в — положительным. Диоды Д2 и Д3 закроются и ток i1,4 будет проходить от точки в через диод Д4, нагрузку Rн и диод Д1к точке а. Таким образом, ток id через нагрузку Rн в оба полупе­риода проходит в одном направлении.

Среднее значение выпрямленных напряжения и тока, а также среднее значение тока вентиля мостовой схемы получаются такими же, как и в схеме с нулевым выводом. Обратное напряжение неработающего вентиля:

Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период и при активной нагрузке имеет форму синусоиды. Вынужденного намагничивания сердечника трансформа­тора нет. Расчетная мощность трансформатора Pтр=1,23Pd

1) максимальное обратное напряжение, прикладываемое к неработающим вентилям, в два раза меньше;

2) меньше расчетная мощность трансформатора;

3) при значении ЭДС е2, совпадающем с напряжением сети, мостовую схему можно питать непосредственно от сети (без трансформатора).

| следующая лекция ==>
Логические элементы. | Общая характеристика импульсных устройств.

Дата добавления: 2015-12-11 ; просмотров: 5978 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник