Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Однофазный однополупериодный выпрямитель принцип действия

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.

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.

Читать еще:  Ток шуруповерта, измерение

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.

На эпюрах вы видим, что обе вторая полуволна переменного напряжения «переворачивается» и поступает в нагрузку. В первую половину периода ток протекает через диоды VD1-VD4, во вторую через пару VD2-VD3.

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.

Входной сигнал тоже изменился – токи заряда снизились, а их форма осталась прежней.

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.

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) , представлены на рис. 3.4-1б.

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:

Читать еще:  Обжим наконечников проводов инструмент в Балашихе

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).

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).

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), 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.

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 )

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.

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).

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.

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 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>).

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).

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Классификация и основные параметры выпрямителей

Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и диоды, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. С помощью трансформатора в выпрямителях производится преобразование величины напряжения, электрическое разделение отдельных цепей, преобразование числа фаз.

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

— коэффициент полезного действия h;

— коэффициент мощности c;

— внешняя характеристика — зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки Ud = f(Id);

— коэффициент пульсаций Кп — отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянной составляющей).

В зависимости от характера нагрузки изменяется режим работы трансформатора и диодов. Различают режимы работы выпрямителя на чисто активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную нагрузки.

Рассмотрим работу различных схем однофазных выпрямителей на активную нагрузку.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

На схеме приняты следующие обозначения напряжений и токов:

— U1, U2 – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора;

— I1, I2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора;

— Ud – среднее значение выпрямленного напряжения;

— Id – среднее значение выпрямленного тока.

Анализ работы схемы проведём по упрощённой методике, без учёта потерь напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и динамическом сопротивлении открытого диода.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Временная диаграмма работы однофазного однополупериодного выпрямителя

Под действием переменного напряжения u2 = U2m sinwt вторичной обмотки ток в цепи нагрузки может проходить только в течение нечётных полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В чётные полупериоды, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю.

Мгновенное значение выпрямленного тока:

, при 0 

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическ.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Читать еще:  Можно или нельзя штрабит пол в панельном доме

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):

Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение диода – Uобр ;

— максимальный ток диода – Imax ;

— прямое падение напряжения на диоде – Uпр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода Uобр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока Imax выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – Uпр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

Однофазная однополупериодная схема выпрямителя. Схема и принцип действия

Однополупериодная схема выпрямления содержит трансформатор, диод и активную нагрузку.

Принцип действия схемы: в положительный полупериод, когда на аноде диода положительный потенциал, он открывается, все напряжение вторичной обмотки прикладывается к нагрузке. В отрицательный полупериод диод закрыт, ток через него равен нулю, а все напряжение вторичной обмотки прикладывается к диоду. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы, имеют следующий вид:

Схема является однополупериодной, так как ток через нагрузку протекает только в течение половины периода питающего напряжения. Схема является однотактной, так как ток через вторичную обмотку трансформатора протекает только в течение половины периода питающего напряжения.

Ток вторичной обмотки трансформатора является несинусоидальным по форме, поэтому в разложении тока в ряд Фурье присутствует постоянная составляющая. Постоянная составляющая тока вызывает в магнитопроводе постоянный магнитный поток, что приводит к вынужденному намагничиванию сердечника трансформатора.

2. Расчетные соотношения для однофазной однополупериодной схемы выпрямителя

Постоянная составляющая выпрямленного тока в нагрузке:

I

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U

Амплитуда тока через вторичную обмотку:

I

Действующее значение напряжения и тока вторичной обмотки:

U

I

Обратное напряжение на диоде:

U

Типовая мощность трансформатора:

Р

Частота основной гармоники выпрямленного напряжения (тока):

f

Коэффициент пульсаций

Основное преимущество – простота схемы.

Недостатки: большие размеры и вес трансформатора, значительная величина обратного напряжения на диоде, большие пульсации, наличие вынужденного намагничивания.

Применение ограничено: в маломощных устройствах.

Таким образом, в лекции изучены схема, принцип работы, временные диаграммы, поясняющие работу и расчетные соотношения однофазного однополупериодного выпрямителя.

1. [321-322], 2. [152-158].

Вопросы для самоконтроля

Изобразите схему однофазного однополупериодного выпрямителя.

Изобразите временные диаграммы, поясняющие работу однофазного однополупериодного выпрямителя.

Почему схема называется однополупериодной?

Почему схема называется однотактной?

Назовите достоинства и недостатки однополупериодного выпрямителя.

Что вызывает вынужденное намагничивание сердечника трансформатора?

Чему равен коэффициент пульсаций для этого выпрямителя?

Чему равна частота пульсаций для этой схемы выпрямителя?

|следующая лекция ==>
Демократизм Суверенитет Правовой хар.гос Идеолог. полит. плюрализм|Двухполупериодная схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора. Схема и принцип действия

Дата добавления: 2015-12-01 ; просмотров: 4818 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Выпрямитель – это устройство, преобразующее электрическую энергию переменного тока в постоянный.

Основой выпрямителя являются полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, транзисторы. В зависимости от используемых полупроводников выпрямитель может быть неуправляемым и управляемым.

Неуправляемый однополупериодный выпрямитель

Простейший выпрямитель состоит из одного диода и называется однофазным однополупериодным выпрямителем.

На данной схеме к выпрямителю подключена активная нагрузка в виде резистора R, а на первичную обмотку трансформатора подано переменное синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке трансформатора, также образуется синусоидальное напряжение Uab.

В момент, когда потенциал точки a выше, чем точки b (данный процесс соответствует точкам на диаграмме 0,2π,4π…), к аноду диода приложено положительное напряжение Uab, что вызывает ток id, который проходит через диод и нагрузка R оказывается под напряжением Ud.

Когда потенциал точки a меньше, чем точки b (соответствует точкам на диаграмме 3π, 5π…), к аноду диода приложено отрицательное напряжение Uab, что вызывает запирание диода. Ток id становится равным нулю.

Таким образом, диод пропускает ток только одну половину периода, отсюда и название – однополупериодный выпрямитель.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud равно интегралу функции взятой за период 2π, но так как одну половину периода диод не пропускает ток, она равна нулю, значит Ud принимает вид:

где U2 действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На диаграмме среднее значение выпрямленного напряжения Ud представлено в виде площади прямоугольника (оранжевая штриховка) с высотой Ud и основанием 2π. Эта площадь равна площади выпрямленной полуволны (зеленая штриховка).

Ток id повторяет по форме напряжение ud, потому как нагрузка в данном случае активная.

Среднее значение выпрямленного тока:

Управляемый однополупериодный выпрямитель

Для реализации управления величиной выпрямленного напряжения в схеме вместо диода используют тиристор.

Работа схема во многом аналогична схеме с диодом. В данном случае ток через нагрузку R будет проходить только при открытии тиристора VS. Открытие тиристора VS происходит при подаче на него управляющего импульса, и при условии, что к аноду тиристора приложено положительное (относительно катода) напряжение uab.

Задерживая подачу управляющего импульса на угол α относительно нулевого значения напряжения uab, можно изменять выпрямленное напряжение ud. Нетрудно заметить, что чем больше угол α, тем позже открывается тиристор VS, а следовательно, меньше значение выпрямленного напряжения ud. При угле α=0, схема полностью аналогична схеме с диодом.

Однофазная однополупериодная схема выпрямителя на практике не получила широкого распространения. Это связано с тем, что в результате выпрямления диодом тока во вторичной обмотке, образуется постоянная составляющая Id, которая оказывает подмагничивающее действие на магнитопровод трансформатора. В результате этого, при расчетах приходилось выбирать трансформатор завышенной мощности, что приводило к увеличению его массы и габаритов, и было нецелесообразно экономически.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector