Основные параметры выпрямителей

Выпрямительные устройства

Статический преобразователь электрической энергии пере­менного тока в энергию постоянного тока является выпрями­тельным устройством. Обратное преобразование осуществляют инверторы.

Выпрямительное устройство может состоять из трех основ­ных элементов (рис. 2.1): трансформатора, комплекта вентилей и сглаживающего фильтра.

Рис. 2.1. Структурная схема выпрямительного устройства

Трансформатор в схеме выпрямления предназначен для по­лучения заданного напряжения на выходе выпрямителя. Кроме этого трансформатор устраняет непосредственную электриче­скую связь цепи выпрямленного тока с питающей сетью, что необходимо в случае, если один полюс нагрузки заземлен или соединен с корпусом устройства.

Комплект вентилей осуществляет процесс выпрямления. Он может состоять из одного или нескольких вентилей, соединен­ных по определенной схеме.

Сглаживающий фильтр предназначен для ослабления пуль­саций, т. е. для уменьшения переменных составляющих, содер­жащихся в кривой выпрямленного напряжения. Сглаживающий фильтр наиболее часто состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединяемых по определенной схеме.

Помимо элементов, показанных на структурной схеме, вы­прямитель может содержать стабилизатор напряжения (или тока), который поддерживает напряжение (или ток) постоян­ным с определенной степенью точности при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Выпрямитель­ное устройство может также выполнять функции регулятора на­пряжения и содержать устройства контроля, коммутации, защи­ты и др.

Режим работы выпрямителя и соотношения между основны­ми параметрами его элементов в значительной степени зависят от характера его нагрузки. Различают следующие режимы работы выпрямителя: на активную нагрузку; активно-емкостную нагрузку; на противоЭДС; активно-индуктивную нагрузку; смешанную нагрузку.

Случай идеальной активной нагрузки выпрямителя относи­тельно редок и находит применение лишь для питания цепей, не требующих ограничения переменной составляющей выпрям­ленного напряжения.

Емкостной характер нагрузки часто встречается в выпрями­телях малой мощности. Конденсатор устанавливается на выходе выпрямителя параллельно нагрузке для уменьшения перемен­ной составляющей выпрямленного напряжения. Реакция нагруз­ки на выпрямитель будет определяться емкостью, сопротивле­ние которой для переменной составляющей много меньше со­противления нагрузки.

Режим работы выпрямителя на противоЭДС является ха­рактерным при заряде аккумуляторных батарей или при пи­тании двигателей постоянного тока.

Если фильтр выпрямителя начинается с элемента, обладаю­щего достаточно большой индуктивностью, сопротивление кото­рой для переменной составляющей тока больше сопротивления нагрузки, то реакцию на выпрямитель будет оказывать в основ­ном этот элемент и режим работы выпрямителя будет харак­теризоваться индуктивной нагрузкой.

Независимо от режима работы выпрямитель характеризует­ся: выходными параметрами; параметрами, характеризующими режим работы вентиля, и параметрами трансформатора.

К выходным параметрам выпрямителя относятся: Uo — номинальное среднее значение выпрямленного напряжения, В; Iо — номинальное среднее значение выпрямленного тока, А; fni — частота основной гармоники выпрямленного напряжения; k_DK — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Коэффициентом пульсации называется отношение амплиту­ды Л-й гармоники выпрямленного напряжения Uom_h к его сред­нему значению Uo- Коэффициент пульсации может измеряться в процентах по отношению к напряжению Uo- Обычно в выпря­мителях коэффициент пульсации определяется по первой гар­монике выпрямленного напряжения, так как она имеет наи­большую амплитуду и наименьшую частоту. При питании ап­паратуры связи пульсация также измеряется в псофометриче-ских и среднеквадратических величинах.

Внешняя характеристика выпрямителя — зависимость выход­ного напряжения выпрямителя Uo от тока нагрузки /о при не­изменном напряжении на входе выпрямителя. По этой харак­теристике можно определить номинальное значение выходного напряжения выпрямителя и его внутреннее сопротивление по постоянному току Ro=dU₀/dIo-

Вентили в схемах выпрямления характеризуются следующи­ми параметрами: средним выпрямленным током /_{пр ср}; дейст­вующим значением тока /_пр; амплитудой тока I_пРщ; амплитудой обратного напряжения U_o6p; средней мощностью Р_ср.

По этим параметрам в схемах выпрямления производится выбор вентилей. Значения указанных параметров не должны превышать предельно допустимых, указанных в паспортных данных для выбранных типов вентилей.

Для трансформаторов, работающих в схемах выпрямления, определяются следующие параметры: действующие значения напряжения Uu и тока /₂. вторичных обмоток; действующие значения напряжения U\ (эта величина известна, так как вы­прямитель включается в определенную сеть переменного тока) и тока 1\ первичной обмотки; полная мощность вторичной об­мотки Sn\ полная мощность первичной обмотки Si) полная или габаритная мощность трансформатора S_TP= (2S₂+S|)/2; коэф­фициент использования трансформатора /с_гр=Л)/5тр, где Ро — выходная мощность выпрямителя.

Параметры вентилей и трансформатора зависят нагрев вентиля зависит от действующего значения тока, а соот­ношение между действующим и средним значениями тока зави­сит от схемы выпрямления и характера нагрузки; обратное напряжение t/₀op max — наибольшее значение напря­жения, которое может быть приложено к вентилю в обратном (непроводящем) направлении и которое вентиль может выдержать, не подвергаясь опасности пробоя; прямое падение напряжения U„_{p max} определяется по ВАХ вентиля При максимальном постоянном прямом токе Inp max и

составляет для различных типов кремниевых диодов 0,6... 1,2 В (для германиевых 0,3...0,5 В). Очевидно, что чем меньше U _Пр т₃х, тем выше КПД; предельная температура перехода 7"„ max;

максимальное значение обратного тока Iобр.mах — ток через вентиль в обратном (непроводящем) направлении при прило­жении к нему обратного напряжения; импульсный прямой ток I_и max — наибольший допустимый кратковременный ток в течение определенного отрезка времени, не нарушающий нормальной работы вентиля; предельная частота пред-

В отдельных случаях приводятся допустимая мощность рас­сеяния, время восстановления запирающих свойств вентиля, тепловые сопротивления переход—корпус или переход — окру­жающая среда.

При расчете выпрямительных устройств необходимо знать дифференциальное сопротивление вентиля R_дИф, которое опре­деляется по наклону прямой ветви ВАХ диода.

В настоящее время нашли широкое применение «лавинные» кремниевые вентили (типов ВКДЛ — кремниевые, диффузион­ные, лавинные и ВКДЛВ— с водяным охлаждением). Данные вентили способны выдерживать кратковременные обратные пе­ренапряжения, благодаря чему отпадает необходимость в за­щите их от пробоя. В выпрямителях находят применение так­же диодные сборки, диодные матрицы и высоковольтные стол­бы, представляющие собой наборы соединенных между собой по определенной схеме диодов.

В схемах регулируемых, выпрямителей широкое распростра­нение получили кремниевые управляемые вентили — тиристоры, выполненные на базе четырехслойной структуры р-п-р-п. Ти­ристор может находиться в двух состояниях: закрытом и откры­том. В закрытом состоянии сопротивление тиристора велико, в открытом — незначительно (десятые, сотые доли Ома).

На рис. 2.3 представлено семейство ВАХ тиристора при раз­личных значениях тока управления. Из характеристик видно, -что при увеличении тока управления уменьшается пробивное напряжение тиристора, а при достаточно большом токе управ­ления характеристика тиристора подобна характеристике неуправляемого вентиля. Участок ОА (при токе управления, рав­ном нулю) соответствует закрытому состоянию тиристора. Учас ток ВС —открытому состоянию. Переход с участка ОА на ВС и обратно происходит лавинно. В выпрямительных устройствах тиристоры работают при напряжениях в прямом направлении, меньших напряжения переключения. Тиристоры в отличие от обычных вентилей имеют ряд дополнительных параметров:

максимально допустимое постоянное напряжение в закры­том состоянии С/зс max — максимальное значение напряжения, при котором не происходит самопроизвольного включения ти­ристора;

максимально допустимая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии du_3c/dt;

критическая скорость нарастания тока в прямом направле­нии (di_np/dt)_Kp;

ток удержания /_уд — минимальное значение тока, при кото­ром не происходит запирания тиристора;времена включения и выключения тиристора /_Вкл, *вык_Л;ток управления /_у;напряжение управления С/_у;мощность управления Р_у.. При больших токах нагрузки иногда приходится применять параллельное включение вентилей, так как допустимые средние значения тока вентиля оказываются недостаточными.

При параллельном включении вентилей из-за несовпадения их ВАХ токи в них распределяются неравномерно (рис. 2.4).

Рис. 2.4. ВАХ вентилей при параллельном включении

Рис. 2.5. Схема параллельного включения вентилей с токоограничивающим реактором

Для выравнивания токов при параллельном включении вен­тилей в выпрямителях применяют специальные токовыравнивающие реакторы (рис. 2.5). Они в простейшем случае имеют две обмотки. Так как в контуре вторичных обмоток циркулирует один ток, то из условия равенства МДС реакторов через вен­тили протекают одинаковые токи.

При больших обратных напряжениях, действующих в схе­мах выпрямления, применяют последовательное включение вен­тилей. Из-за несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные на­пряжения на вентилях распределяются неравномерно.

Рис. 2.6. Схемы последовательного включения вентилей:

А) — с рсзистнвным делителем; б)— с RC-: в) — с ftCD-цепочкой

Для выравнивания напряжений в выпрямителях применяют: резисторные делители (рис. 2.6,а); RC- (рис. 2.6,6) и RCD-цепочки (рис. 2.6,в).

Лекция 4

Дата добавления: 2014-01-07