Файл: Лекция Выпрямители Общие принципы построения выпрямительных устройств.pdf

пропускает ток не один вентиль, а два вентиля, соединенных последовательно, и для каждого полупериода используются не отдельные половины вторичной обмотки, а одна обмотка, что повышает эффективность использования трансформатора.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного мостового выпрямителя аналогичны диаграммам двухполупериодного выпрямителя с выведенной средней точкой трансформатора (рис.5 б).
Выходное напряжение при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения. Это получается в результате поочередного отпирания диодов
VD
1
, VD
3 и
VD
2
, VD
4
Диоды
VD
1
и
VD
3
открыты при положительной полуволне напряжения
, обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжение той же полярности, что и напряжение
При отрицательной полуволне напряжения открыты диоды
VD
2
и
VD
4
, подключающие напряжение к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.
Рис. 6 Однофазная мостовая схема выпрямления

Ввиду идентичности кривых напряжения
для выпрямителей
(мостового и со средней точкой) действительны те же соотношения между выпрямленным напряжением и действующим значением напряжения
U
2
:
,
поэтому и коэффициент пульсации такой же, как в предыдущей схеме:
Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум
непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов и его максимальное значение определяется амплитудным значением напряжения
:
т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.
Постоянная составляющая тока нагрузки определяется так же, как и в схеме однополупериодного выпрямителя: т.е. в двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока
в два раза больше, чем в однополупериодном. Так как в мостовой схеме через вторичную обмотку трансформатора проходит синусоидальный ток, то
Сравнив это значение тока постоянной составляющей тока для
однополупериодного выпрямителя, приходим к выводу, что в данной
схеме гораздо лучше используются обмотки трансформатора по току.
Это позволяет значительно уменьшить габариты трансформатора.

Достоинством мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя–
меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты,
выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со
средней точкой.
3. Трехфазные выпрямители
Схема выпрямителя трехфазного питания применяется в основном для питания потребителей средней и большой мощности.
Первичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей состоит
из трех фаз и соединяется либо в звезду, либо в треугольник.
Вторичная обмотка трансформатора (их может быть несколько), также трехфазная. С помощью специальных схем соединения вторичной обмотки и всего выпрямителя, можно получить выпрямленное напряжение с числом пульсаций за период, кратным трем. С возрастанием числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих элементов фильтров, либо вообще отпадает необходимость в них. Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока, и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.
3.1 Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда)
В схему трехфазного выпрямителя со средней (нулевой) точкой входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и среднему выводу вторичных обмоток (рис. 7,а).
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 7, б.
Ток через каждый диод может проходить только тогда, когда потенциал на его аноде выше потенциала на катоде. Это возможно в течение
1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух
других фазах. Так, например, когда открыт диод
VD
1
, через него и через сопротивление нагрузки —
Rн
проходит ток, определяемый —
u
A
.

В это время диоды
VD
2
и
VD
3
заперты, так как потенциалы их
катодов выше потенциалов анодов. В следующую треть периода открыт диод
VD
2
и т. д. Характер изменения напряжения фаз, соответствующий открытому состоянию диодов, показан на рис. 7,б.Если считать диоды идеальными, то напряжение на нагрузке
Rн
равно напряжению фазы с открытым диодом и, следовательно, ток в нагрузке изменяется по тому же закону, т.е. ток, проходящий через нагрузку, не падает до нуля, как это имело место в схемах одно- и двухполупериодного выпрямителей. Таким образом, пульсация тока в трехфазном выпрямителе относительно невелика и коэффициент пульсации
В идеализированной схеме, без учета индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и полагая вентили идеальными, коммутация токов, т.е. переход тока с одного вентиля на другой, проходит мгновенно и в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал.
Рис. 7. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы
напряжений и токов в ней (б).
Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке:

В каждом диоде ток проходит в течение
Т/3
, и поэтому его среднее значение:
Выпрямленное напряжение на нагрузке:
,
но так как
, где
U
— действующее значение фазного
напряжения на вторичной обмотке трансформатора, то
Очевидно, что максимальное значение обратного напряжения на каждом диоде определяется амплитудой линейного напряжения
,
а так как
, то
.
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. За период напряжения питания через каждую вторичную обмотку однократно протекает однополярный ток, при этом интервал проводимости каждого вентиля составляет
2π/3 (120º)
. Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате в нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение, представляющее собой участки фазных напряжений вторичных обмоток и содержащее трехкратные пульсации за период.
Достоинства схемы:

малое число диодов и, соответственно, малое падение напряжения на них и поэтому может быть использована для выпрямления низких напряжений при повышенных мощностях
(свыше 500 Вт);


высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения – три частоты питающей сети, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра.
Недостатки: значительное обратное напряжение на диодах, низкий коэффициент использования трансформатора за счет явления подмагничивания магнитопровода.
3.2 Трехфазная мостовая схема.
Трехфазная мостовая схема
(рис.8,а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации
(шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема применяется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.
Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами
(катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 8(б,).

Рис. 8 Трехфазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и
токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора
U
2
, как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжение
U
0 данного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значении
U
0
величина
U
2
будет в два раза меньше.
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения.
Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы.
Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.
За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е.
2π/3 (120º)
. При этом интервал совместной работы двух вентилей равен
π/3 (60º)
Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью
π/3 (60º)
, когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном
токе отсутствует, в связи, с чем поток вынужденного подмагничивания
магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.