Краткие теоретические сведения. Знакомство со схемами выпрямителей и исследование их характеристик

Цель работы

Знакомство со схемами выпрямителей и исследование их характеристик.

Полупроводниковые выпрямители находят широкое применение в различных областях промышленности: на железнодорожном транспорте, судах, самолетах. Они используются для питания процессов электролиза в цветной и химической промышленности; для питания системы электропривода постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для питания радиотехнических устройств.

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В то же время около 25% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Это обусловлено тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе, другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры. Для преобразования переменного тока в постоянный наиболее часто используют полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители.

Основными элементами выпрямителя являются (рис.2.6):

- трансформатор, преобразующий величину получаемого из сети переменного напряжения в соответствии с необходимой величиной напряжения на выходе выпрямителя;

- вентильная группа, преобразующая переменный ток в постоянный;

- сглаживающий фильтр, необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис.2.6

Кроме перечисленных основных элементов выпрямитель может иметь устройства для стабилизации выпрямленного напряжения и устройство для регулирования выпрямленного напряжения.

По числу фаз первичной обмотки трансформатора различают выпрямители однофазного и трехфазного тока.

Основные схемы выпрямителей однофазного тока: однополупериодная, двухполупериодная с нулевым выводом трансформатора, мостовая.

Диоды выпрямителя и его трансформатор выбирают по основным параметрам, к которым относятся:

- выпрямленное напряжение U_d и ток I_d в нагрузке, определяемые требованиями потребителя;

- эффективные значения токов I₁, I₂ и ЭДС Е₁, Е₂ первичной и вторичной обмоток трансформатора и его типовая мощность S_T, определяемые при расчете;

- максимальное обратное напряжение на диоде U_{обр,макс} и средний или постоянный выпрямленный ток I_{пр,ср,макс} текущий через прямосмещенный диод (анод положителен по отношению к катоду).

Далее рассматриваются схемы выпрямителей в конфигурации, применимой для моделирования в EWB. Осциллограф, включенный в схемы, позволяет оценить форму и амплитуду выходного напряжения выпрямителя.

Однополупериодная схема

Это простейшая выпрямительная схема (рис.2.7).

В случае применения идеального диода (сопротивление в проводящем направлении равно нулю) при положительной полуволне напряжения (“+” на аноде, а “­–” на катоде диода) в нагрузке будет протекать ток, мгновенное значение которого определяется по формуле

,

где u_ист – амплитудное значение напряжения источника питания;

R1- сопротивление нагрузки.

Рис. 2.7. Однополупериодная схема выпрямления

При обратной полярности напряжения источника питания диод будет иметь бесконечно большое сопротивление и ток в нагрузке будет равен нулю.

Когда диод проводит ток, к нагрузке прикладывается напряжение, представляющее собой положительные полуволны синусоиды напряжения источника питания

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке можно найти интегрированием этого напряжения в пределах периода:

где U_ист - действующее значение фазного напряжения источника питания.

Временные диаграммы напряжения источника питания и выпрямленного напряжения показаны на рис.2.8.

Рис. 2.8. Временные диаграммы

Выпрямленное напряжение при чисто активной нагрузке является пульсирующим. Коэффициент пульсации, равный отношению амплитуды импульсов выпрямленного напряжения основной частоты к среднему значению выпрямленного напряжения в этой схеме составляет 1,57.

Если между анодом и катодом диода приложено обратное напряжение (“–” на аноде, “+” на катоде), то диод не проводит ток, напряжение на нагрузке равно нулю.

Максимальное значение обратного напряжения между анодом и катодом диода равно амплитуде напряжения источника питания

Двухполупериодная схема с нулевым выводом

Такая схема (рис.2.9) содержит трансформатор Т, вторичная обмотка которого имеет дополнительный вывод от средней точки, два диода D1 и D2 и сопротивление нагрузки R1. Эта схема является сочетанием двух однополупериодных схем, работающих на общую нагрузку.

а)

б)

Рис.2.9

На рис. 2.9 б показана форма кривых напряжений на верхней и нижней половинках обмоток трансформатора, равных по величине и противоположных по фазе.

В первый полупериод синусоидального напряжения продолжительностью Т₁, когда полярность вторичной обмотки соответствует указанной на рис.2.9 а, диод D₂ (нижний диод) имеет на аноде положительное напряжение относительно катода, соединенного через нагрузку со средней точкой вторичной обмотки. На аноде диода D₁ (верхний диод) напряжение отрицательно. Ток протекает через диод D₂ и нагрузку в направлении средней точки вторичной обмотки.

Во второй полупериод полярность напряжения на обмотках трансформатора меняется на противоположную. На аноде D₁ будет положительное напряжение относительно его катода и через него и нагрузку R1 будет протекать ток . Диод D₂ в это время находится под обратным напряжением и ток пропускать не будет.

Кривая напряжения на нагрузке по величине и форме повторяет положительные полуволны напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Среднее выпрямленное напряжение U_d определим по формуле:

где U₂ – действующее напряжение на одной из половинок вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент пульсации для такой схемы значительно ниже и составляет 0,67.

Максимальное обратное напряжение на диоде, например D1, определяется максимальным напряжением между концами вторичной обмотки, т.к. к аноду диода D1 приложено напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в данный момент отрицательное, а к катоду через диод D2, проводящий ток, приложено напряжение нижнего конца вторичной обмотки. Таким образом, максимальное обратное напряжение U_{обр,макс}, будет равно

.

Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя изображена на рис. 2.10.

Схема содержит источник питания и четыре диода, собранные по схеме моста.

Питающее напряжение подается на одну диагональ моста, в другую диагональ включено сопротивление нагрузки R1.

Рис.2.10. Однофазный мостовой выпрямитель

При положительной полуволне синусоиды напряжения U_имс ток протекает через диод D3, сопротивление нагрузки R1, заземление и диод D2. Диоды D1 и D4 в этот момент ток не пропускают и находятся под обратным напряжением. Во второй полупериод, когда синусоида напряжения поменяет знак, ток будет протекает черед диод D4, сопротивление нагрузки R1 и диод D1. Диоды D3 и D2 в этот полупериод заперты.

Кривые выпрямленного напряжения U_d показаны на рис.2.11. Выпрямленное напряжение представляет собой однополярные полуволны питающего переменного напряжения.

Среднее выпрямленное напряжение и максимальное обратное напряжение на диоде определяются по формулам:

Коэффициент пульсации для мостовой схемы такой же, как и для двухполупериодной, и составляет 0,67.

Обратное напряжение на диоде равно амплитуде напряжения источника питания

.

Рис.2.11. Временные диаграммы

В рассмотренных схемах выпрямления имеют место пульсации выпрямленного напряжения, что ухудшает работу потребителей (так при питании радиопередающих и радиоприемных устройств переменная составляющая выпрямленного напряжения создает фон на выходе усилителя, т.е. дополнительные колебания низкой частоты; при питании тяговых двигателей пульсирующим напряжением ухудшаются условия коммутации тока и увеличиваются потери в двигателе). Для уменьшения пульсаций на нагрузке служат сглаживающие фильтры.

Емкостной фильтр представляет собой конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке и шунтирует ее для переменной составляющей тока (напряжении) (см. рис. 2.12).

Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения зависит как от величины тока нагрузки, так и от величины емкости сглаживающего конденсатора. Необходимо, чтобы сопротивление конденсатора для основной гармоники пульсаций было намного меньше сопротивления нагрузки

.

Рис.2.12. Схема выпрямителя с емкостным фильтром

Дата добавления: 2015-06-04