Выпрямительные устройства и их характеристики (62289)

Посмотреть архив целиком













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.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.