Файл: Лекция Выпрямители Общие принципы построения выпрямительных устройств.pdf

Лекция
Выпрямители
1. Общие принципы построения выпрямительных устройств
Выпрямителем – называют электронное устройство, обеспечивающее преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию
пульсирующего (однонаправленного) тока близкого по форме к форме
постоянного тока.
Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются
силовой трансформатор и полупроводниковый вентиль, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают
электрический
сглаживающий фильтр.
Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).
Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят:

силовой трансформатор;

вентильный блок или полупроводниковый вентиль;

сглаживающий фильтр;

цепь нагрузки.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.
Силовой трансформатор служит для согласования входного и
выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления.
Напряжение вторичной обмотки трансформатора U
2
определяет значение выпрямленного напряжения U
0
Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U
1
, I
1
с частотой f
1
, и цепь нагрузки с U
0
, I
0
В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются бестрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.
Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая
вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи
постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.

Сглаживающий
фильтр обеспечивает требуемый уровень
пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве сглаживающего фильтра используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда сглаживающий фильтр строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.
При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы сглаживающего фильтра.
Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по
следующим признакам:
1)
по выходной мощности:
 маломощные - до 600 Вт,
 средней мощности - до 100 кВт,
 большой мощности - более 100 кВт);
2) по числу фаз источника:
 однофазные,
 многофазные;
3) по возможности регулирования выходного напряжения:
 неуправляемые,
 управляемые;
4) по типу вентиля вентильного комплекта:
 диодные,
 транзисторные,
 тиристорные,

 комбинированные (диодно-тиристорные
).
5) по принципу работы:

однополупериодные;

двухполупериодные;

с умножением.
Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях
(тиристорах, транзисторах) – управляемые выпрямители и на
неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители.
2. Основные схемы выпрямления
2.1 Однофазные выпрямители
Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам - фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.
Однофазную, однополупериодную схему (рис. 2, а) обычно применяют для выпрямления токов до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения.
Эта схема характеризуется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 2,б.

Рис. 2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления — (а),
диаграммы напряжений и токов в ней — (б).
Однополупериодная схема выпрямления однофазного переменного тока содержит один диод. Вход схемы подключается к вторичной обмотке трансформатора, а к выходным клеммам схемы подключается нагрузка.
Напряжение на входе схемы выпрямителя из меняется по гармоническому закону:

Под действием напряжения вторичной обмотки ток в цепи нагрузки может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет
положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток только в первый полупериод (интервал времени от
0
до
π на рис. 2б). В этот момент к диоду приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора в прямом направлении, и он находится в проводящем состоянии, а падение напряжения на нем практически равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке и по ней, вторичной обмотке трансформатора и диоду, протекает ток
Во второй полупериод (в интервале времени от
π
до
2π
), когда
потенциал анода становится отрицательным, напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет противоположную полярность, диод —
VD
находится в непроводящем состоянии и к нему в обратном направлении прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в ней, во вторичной обмотке трансформатора и в диоде равен нулю.
Далее процессы в выпрямителе повторяются. Таким образом, к сопротивлению нагрузки
R
Н
прикладывается напряжение только одной
полярности (выпрямленное напряжение) и по нему будет протекать ток только одного направления.
Среднее значение выпрямленного напряжения за указанный период: или где
U
2
— действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Полученное соотношение, связывает значение
постоянной
составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке с действующим
значением
переменного
напряжения
на
вторичной
обмотке трансформатора.
Значение —
задают при расчете выпрямителя и по этой величине определяют напряжение —
U
2
, а по известной величине коэффициента трансформации:
определяют величину напряжения сети и рассчитывают параметры силового трансформатора.
Ранее было установлено, что полупроводниковые диоды характеризуются допустимым обратным напряжением —
. Во время отрицательного полупериода напряжения — диод —
VD
находится под действие обратного напряжения —
, максимум которого равен —
.
Учитывая, что сопротивление диода в обратном направлении
Величина обратного напряжения на диоде
Отсюда следует, что при выборе диода для работы в схеме однополупериодного выпрямителя надо соблюдать условие:
Если это условие не выполняется, то последовательно включают несколько диодов, суммарное обратное напряжение которых, отвечало бы выполнению этого условия.

Рис. 3.
Среднее значение тока, проходящего через диод, не должно превышать значение прямого тока диода —
Для однополупериодного выпрямителя: или
Если это условие не выполняется, то параллельно включается несколько диодов, суммарный средний прямой ток, которых, отвечал бы данному условию.
Рис. 4.
Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций
выпрямленного напряжения, равный отношению амплитуды первой
(основной) гармоники выпрямленного напряжения к его среднему
значению.
Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций:

Таким образом, коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя велик, что является главным недостатком данной схемы.
Наряду с этим в таком выпрямителе низкий коэффициент использования мощности трансформатора, так как он работает только в
течение одного полупериода, а также большая величина обратного напряжения на диоде.
Как правило, однополупериодную схему выпрямления применяют в маломощных выпрямителях с высокоомной нагрузкой, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения.
2.2. Двухполупериодная схема выпрямления.
Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях.
Различают два основных типа двухполупериодного выпрямителя:
 со средней (нулевой) точкой вторичной обмотки трансформатор,
 мостовая схема (диодный мост).
Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 5,а) применяют в
низковольтных устройствах.
Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на
рис.5,б.
а)
б)
Рис. 5 Однофазная, двухполупериодная схема выпрямления с выведенной средней
точкой трансформатора— (а), диаграммы напряжений и токов в ней — (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей
VD
1
и
VD
2
. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы
VD
1
и
VD
2
проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения.
В течение первого полупериода положительный потенциал имеет
анод диода
VD
1
и ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку трансформатора.
В течение
второго
полупериода
положительный потенциал имеет анод диода
VD
2
, ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку трансформатора, причем в цепи нагрузки ток проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.
Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного
выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток
проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного
тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода.
Рассмотрим расчет коэффициента использования трансформатора
по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.
Выходное напряжение u
d
снимается в данной схеме между средней
(нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке: т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и
действующим значением существует то же соотношение, что связывает
среднее и действующее значение синусоидального тока.
Среднее значение тока через нагрузку:

или
Т.е. в двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая
тока в два раза больше, чем в однополупериодном.
Среднее значение тока, протекающего через каждый из диодов в два
раза меньше среднего значения тока нагрузки
:
Обратное напряжение, действующее на каждый из диодов в данной схеме такое же, как в схеме однополупериодного выпрямителя. Когда диод
VD1
открыт, то к диоду
VD2
приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора через открытый диод
VD1
и наоборот при обратном полупериоде сигнала.
Для определения коэффициента пульсации при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой:
Существенным недостатком данной схемы является сложность
обеспечения равенства «плеч» схемы выпрямителя и значительная
величина обратного напряжения, действующего на диод.
Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе.
2.3 Мостовая схема (диодный мост)
Наиболее широкое распространение получила мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рис. 6). Схема состоит из силового трансформатора и четырех диодов
VD1 – VD4
. К диагонали моста
А - C подключена вторичная обмотка трансформатора, к диагонали
B - D
— сопротивление нагрузки —
R
H
По сути, работа мостовой схемы в течение каждого полупериода ничем не отличается от схемы со средней точкой трансформатора, только здесь