Выпрямительные устройства и их характеристики

Структурная схема и параметры выпрямителей, вентильная группа, сглаживающие фильтры и стабилизатор напряжения. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики однофазных выпрямителей, сравнение двухполупериодных выпрямителей с однополупериодными.

Выпрямительные устройства и их характеристики

1. Структурная схема и параметры выпрямителей

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:

1) однополупериодная;

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

или

.

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 .

Недостатки схемы:

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.

Двухполупериодная мостовая схема

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:

Rш =(0,1…0,2) Rд.обр .

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.

Емкостной фильтр


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 .

С момента времени t3 Uс < U2 – конденсатор заряжается и т.д.

То есть, когда диод пропускает ток конденсатор заряжается, а когда к диоду приложено обратное напряжение – конденсатор разряжается на нагрузку Rн .

Индуктивный фильтр

В течение положительного полупериода напряжения u2 , когда ток i нарастает, индуктивная катушка Lф запасает энергию, а в отрицательный полупериод – энергия расходуется на поддержание тока.

Длительность импульсов тока iн определяется постоянной времени . Чем больше индуктивность Lф , тем больше затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления . Падает и среднее значение тока.

Обычно индуктивность Lф в однополупериодных схемах не применяют, а используют в двухполупериодных:

Разновидности сглаживающих фильтров:

LC- RC-фильтры; Г-, П-, Т- образные фильтры.

4. Внешние характеристики выпрямителей

Сопротивление нагрузки Rн при работе изменяется, что вызывает изменение нагрузочного тока Iн .

Трансформаторы и вентили (диоды) имеют определенные величины активных сопротивлений Rтр и Rпр . На этих сопротивлениях происходит падение напряжения от тока Iн , приводящее к изменению напряжения на нагрузке Uн .

Внешняя характеристика выпрямителя Uн (Iн ).


,

где Uхх – выпрямленное напряжение при Iн =0;

- среднее значение падения напряжения на сопротивлении диода в прямом направлении;

- среднее значение падения напряжения на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора.

Внешняя характеристика определяет границы изменения нагрузочного тока, при котором выпрямленное напряжение не снижается ниже допустимой величины.

1 – выпрямитель без фильтра (характеристика нелинейна из-за Rпр );

2 – Выпрямитель с емкостным фильтром;

В режиме ХХ (Iн =0) выпрямленное напряжение равно амплитудному значению Umхх , а без фильтра – среднему значению.

Для однополупериодного выпрямителя

;

Для двухполупериодного -


.

При росте тока нагрузки кривая 2 падает более резко, поскольку падение происходит также за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление, что снижает напряжение на нагрузке.

3 – Выпрямитель с Г-образным RC-фильтром. Дополнительное снижение напряжения вызвано падением напряжения на последовательно включенном резисторе Rф .