Краткие теоретические сведения. Выпрямитель – это электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного тока благодаря изменению

Выпрямитель – это электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного тока благодаря изменению

нелинейного сопротивления выпрямительного элемента (вентиля).

Приведём структурную схему выпрямительного устройства (рис. 7.2.6)

 

Выпря-митель

Трансфор-матор

Стаби-лизатор

Сглаживаю-щий фильтр

+

Сеть (~) к нагрузке

_

 

Рис. 7.2.6. Структурная схема выпрямительного устройства.

 

Выпрямители представляют собой преобразователь, который обычно содержит преобразовательный трансформатор, выпрямительную

установку, устройства защиты силовых полупроводниковых приборов (СПП), устройства управления средним значением выпрямленного

напряжения и сглаживающий фильтр. Преобразовательный трансформатор выполняет несколько функций. Он служит для согласования напряжения питающей сети с напряжением потребителя электрической энергии,

который является нагрузкой преобразователя. Секции вторичной обмотки могут использоваться для сборки схемы выпрямительной установки, и

могут также применяться для многозонного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения. Преобразовательный трансформатор ослабляет отрицательное воздействие выпрямительной установки на качество электрической энергии в питающей сети и на работу других потребителей электрической энергии. Для повышения электромагнитной совместимости выпрямителей с питающими сетями и с другими потребителями электрической энергии, применяют входные фильтры, которые собраны из дросселей, конденсаторов и служат для подавления 5-й, 7-й и других гармоник тока, напряжения на входе выпрямителя.

Выпрямительная установка собирается на основе полупроводниковых приборов: диодов, тиристоров. В зависимости от числа фаз переменного напряжения на входе, выпрямители могут быть однофазными, трехфазными. В однополупериодных выпрямительных установках за период переменного напряжения выпрямление тока выполняется в один полупериод. В двухполупериодных выпрямительных установках за период переменного напряжения выпрямление тока выполняется в оба полупериода. Неуправляемыйвыпрямитель содержит выпрямительную установку на диодах без устройств регулирования переменного напряжения. Устройства защитыСППслужат для ограничения перенапряжений, для снижения скорости нарастания тока и напряжения на полупроводниковых приборах, отличающихся сравнительно малыми размерами и высокой плотностью тока электронной структуры. Сглаживающие фильтры снижают пульсации выпрямленного напряжения и тока на зажимах потребителя электрической энергии.

Однофазные выпрямители широко применяются на электроподвижном составе железных дорог, в технологических установках технического обслуживания и ремонта локомотивов, в устройствах вторичного электропитания, в электроприборах производственного, административного и бытового назначения.

Для изучения работы выпрямителя и для получения расчетных соотношений, можно рассмотреть частный случай его работы, когда в качестве нагрузки применяется активное сопротивление, резистор R. Однофазный однополупериодный предельно простой выпрямитель (рис. 7.2.7) применяется в системах управления, в устройствах малой мощности, а также для проверки класса по напряжению силовых диодов и тиристоров при рабочем напряжении.

 

 

 

Рис. 7.2.7. Однофазный однополупериодный выпрямитель

 

Когда высокий потенциал вторичной обмотки преобразовательного трансформатора TV прикладывается к аноду диода, а низкий потенциал через резистор R_Н прикладывается к катоду диода VD (прямое включение диода), тогда объемный заряд на p-n-переходе уменьшается. Потенциальный барьер перехода снижается до нуля, и диод становится хорошим проводником, а ток в цепи ограничивается практически электрическим сопротивлением резистора. В другой полупериод переменного напряжения, высокий потенциал вторичной обмотки трансформатора прикладывается через резистор к катоду диода, а низкий потенциал – к аноду диода. Объемный заряд на p-n-переходе диода возрастает с увеличением разности потенциалов на электродах, и он препятствует прохождению носителей электрических зарядов через p-n-переход, а диод приобретает свойства диэлектрика. Ток в цепи равен нулю. Временные диаграммы напряжений, токов представлены на рис. 7.2.8.

 

 

Рис. 7.2.8

Синусоидальная форма мгновенных значений напряжения во вторичной обмотке может быть записана аналитически в виде:

u₂ = U_2m ·sin ω t,

где U_2m – амплитуда синусоидального напряжения;

ω = 2π f – угловая частота напряжения;

t – текущее время.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_о можно выразить через амплитуду синусоидального напряжения:

U_о = = = = 0, 318·U_2m.

Так как действующее значение синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора

U₂ = , то

 

U_о = ·U_2m = ,

 

выпрямленный ток повторяет форму выпрямленного напряжения и протекает по элементам электрической цепи, в том числе и по вторичной обмотке трансформатора TV. Частота пульсаций выпрямленного напряжения и выпрямленного тока равна частоте переменного напряжения на входе выпрямителя. Если мощность технологической установки большая, то за счет большого выпрямленного пульсирующего тока во вторичной обмотке происходит намагничивание сердечника трансформатора. Из-за намагничивания магнитопровода, индуктивное сопротивление обмоток уменьшается, что ведет к увеличению тока, потребляемого трансформатором из сети, без увеличения мощности на выходе выпрямителя. Таким образом, потери мощности в трансформаторе TV увеличатся. Происходит нагрев трансформатора. Поскольку частота пульсирующего выпрямленного тока равна частоте переменного напряжения, то экономические затраты на фильтры, массу и габаритные размеры фильтров больше, чем при применении других выпрямителей. По этой причине, а также из-за повышенного коэффициента пульсаций выпрямленного тока, данные выпрямители не применяются для питания электропривода и в технологических установках большой мощности.

Однофазный выпрямитель с нулевым выводомсодержит преобразовательный трансформатор TV с секционированной вторичной обмоткой (рис. 7.2.9).

Применяется такой выпрямитель на электроподвижном составе для питания обмоток возбуждения тяговых машин, в электроприборах и радиоаппаратуре производственного и бытового назначения. Выпрямитель

 

 

 

Рис. 7.2.9. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом

 

является двухполупериодным, потому как выпрямленный ток протекает по R_H в оба полупериода переменного напряжения и, в то же время, имеет только два плеча выпрямительной установки, которые собраны на полупроводниковых диодах. Это можно отнести к достоинствам выпрямителя. К его недостаткам относится то, что выпрямитель нельзя изготовить без преобразовательного трансформатора TV. Выпрямитель является однотактным, так как по одной секции вторичной обмотки преобразовательного трансформатора ток протекает в один полупериод за период переменного напряжения. Из-за этого снижается эффективность использования активных материалов трансформатора (проводникового материала секций вторичной обмотки и магнитопровода), а типовая мощность трансформатора получается больше мощности нагрузки выпрямителя. В один полупериод переменного напряжения ток протекает по первой секции вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, через сопротивление нагрузки R_H на нулевой вывод вторичной обмотки. В другой полупериод переменного напряжения ток протекает по второй секции вторичной обмотки трансформатора, через диод VD2 на нулевой вывод вторичной обмотки. Временные диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 7.2.10. Частота пульсаций выпрямленного напряжения и выпрямленного тока в 2 раза выше частоты переменного напряжения на входе выпрямителя, что способствует снижению массогабаритных показателей сглаживающего фильтра. Поскольку действующее значение синусоидального

напряжения на вторичной обмотке трансформатора

U₂ = , то

 

U_о = ·U_2m = , отсюда U₂ = 1, 11U_о

 

Среднее значение выпрямленного тока I_о можно рассчитать по формуле:

I_о = U_o/R_н.

Если потерями мощности в выпрямителе и в трансформаторе пренебречь, при этом принять ток намагничивания трансформатора равным нулю, а СПП считать идеальными ключами, то действующий ток в первичной обмотке трансформатора равен:

I₁ = I_о/к_т

где к_т – коэффициент трансформации трансформатора.

Рассмотрим однофазный мостовой выпрямитель(рис. 7.2.11, которыйсодержит четыре плеча по два СПП, объединенных в катодную и анодную группы. В один полупериод переменного напряжения к анодам диодов, например, VD1 и VD3, прикладывается высокий потенциал, а к их катодам – низкий потенциал, объемный заряд на p-n-переходах диодов уменьшается, поэтому они находятся в проводящем состоянии. В это время к диодам VD2, VD4 прикладывается обратное напряжение, объемный заряд на p-n-переходах увеличивается, и они находятся в непроводящем состоянии.

Под действием разности потенциалов вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, резистор R_н и диод VD3 протекает ток. Во второй полупериод к диодам VD1, VD3 прикладывается напряжение вторичной обмотки в обратном направлении, а к диодам VD2, VD4 – в прямом направлении. Под действием разности потенциалов вторичной обмотки трансформатора через диоды и резистор нагрузки протекает ток.

Переменный ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в оба полупериода переменного напряжения, поэтому выпрямитель называют двухполупериодным.

Соотношения между средним значением выпрямленного напряжения, амплитудным и действующим значениями напряжения во вторичной обмотке трансформатора выражаются также, как и для однофазного выпрямителя с нулевым выводом (или с общей точкой).

Выпрямленное значение тока I_о можно определить

 

I_о = = U_o/R_н.

 

 

 

 

Рис. 7.2.10. Временные диаграммы напряжений, токов в выпрямителе

с нулевым выводом

 

 

 

Рис. 7.2.11. Однофазный мостовой выпрямитель

 

 

 

Рис. 7.2.12. Временные диаграммы напряжений, токов

Среднее значение тока в СПП находится так же, как и в выпрямителе с нулевым выводом.

Типовая мощность трансформатора мостового выпрямителя меньше типовой мощности трансформатора выпрямителя с нулевым выводом в 1, 207 раза, то есть на 20, 7%.

Как видно из временных диаграмм рассматриваемых выпрямителей, на выходе образуется напряжение неизменного направления, которое является пульсирующим (то есть меняющимся по величине во времени) и непригодным для большинства электронных устройств. В результате, для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, на выходе выпрямителя включают сглаживающие фильтры, а в некоторых случаях дополнительно вводят стабилизаторы постоянного напряжения.

Простейшим фильтром является конденсатор С_ф. Временная диаграмма со сглаживающим фильтром в виде конденсатора приведена на рис. 7.2.13. Штриховой линией показана временная диаграмма выпрямленного напряжения без фильтра, сплошной – с фильтром С_ф. Если величина ёмкости конденсатора подобрана правильно, то, зарядившись в первый полупериод, конденсатор не успевает разрядиться во время снижения напряжения, и его величина будет изменяться незначительно.

 

Рис. 7.2.13. Временная диаграмма выпрямленного напряжения с фильтром С_ф

 

Приблизительно величину пульсаций выпрямителя с ёмкостью С_ф можно оценить по формулам:

для однополупериодного

,

 

 

для двухполупериодного

.

Существуют и более сложные фильтры, содержащие индуктивность L_ф и ёмкость С_ф, они называются LC – фильтрами. В различных сочетаниях они образуют Г-образные, П-образные и Т-образные фильтры.

Качество фильтров оценивается коэффициентом сглаживания К_сгл:

К_сгл = К_п / К_пф,

где К_п – коэффициент пульсации напряжения при отсутствии фильтра,

К_пф – коэффициент пульсации напряжения в схеме с фильтром.

Коэффициент пульсации К_п определяется:

К_п = U_1m/ U_н,

где U_1m – амплитуда первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения; измеряется вольтметром переменного тока, показания которого необходимо умножить на Ö 2, или измерить осциллографом.

Основной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика U_н = f (I_н). Она показывает, как изменяется напряжение U_н выпрямителя с изменением выпрямительного тока I_н (тока нагрузки).

На рис. 7.2.14 видно, что внешняя характеристика имеет наклон к координатным осям. Это объясняется уравнением, составленным согласно второму закону Кирхгофа для цепи выпрямительного тока I_н:

U_н = U₂ – (R_т + R_д + R_ф)I_н,

где R_т, R_д, R_ф – сопротивления вторичной обмотки трансформатора, вентиля, сглаживающего фильтра.

U_н

 

 

 

 

I_н

 

Рис. 7.2.14. Внешняя характеристика выпрямителя с фильтром С_ф (1) и без фильтра (2)