Дополнительный материал к лекции 14 для самостоятельной работы

Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Гретца)

Двухфазная двухполупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Однофазный однополупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 2.9 а, является простейшим.

а - схема выпрямителя однополупериодная;

б - временные диаграммы

Рисунок 2.9 - Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя

Данная схема состоит из силового трансформатора TV, полупроводникового диода VD₁ и активной нагрузки R_н.

Принцип работы схемы заключается в следующем. В таком выпрямителе анод диода подключен к началу обмотки трансформатора Н₂.

Нагрузка включена между катодом дтода и концом К₂ вторичной обмотки трансформатора.

При включении выпрямителя в сеть синусоидального тока в вторичной обмотке трансформатора наводится синусоидальная ЭДС. Эта ЭДС и напряжение U₂ (рисунок 2.9,б) будут одинаковые по величине и по форме, так как трансформатор идеальный. В интервале от О до π анод находится под положительным потенциалом, диод отк­рыт и под действием напряжения U₂ через вторичную обмотку трансформатора, открытый диод и сопротивление нагрузки протекает ток.

Вентиль идеальный, потери напряжения на нем равны нулю и, следовательно, проходя по нагрузке ток i₀ создаёт на ней падение напряжения, равное значению напряжения u₂ (рисунок 2.9,б). Диод открыт, пока его анод положителен по отношению к катоду. При смене полярности выпрямленного напряжения анод диода становит­ся отрицательным относительно катода и интервал от w_t=π до w_t=2π диод находится под обратным напряжением и ток в цепи не про­текает. Таким образом форма напряжения на нагрузке имеет

однополупериодную, длительностью в половину периода (рисунок 2.9,б).

Анализ данной схемы. Выпрямленное напряжение содержит как постоянную составляющую U_o, так и ряд гармонических составля­ющих, создающих пульсации. Число фаз выпрямления m=1, так как за один период питающего напряжения через нагрузку проходит один импульс. Постоянная составляющая тока нагрузки I_о проходит по вторичной обмотке трансформатора, подмагничевания сердечник, Подмагничивание сердечника ухудшает параметры трансформатора возрастают потери в стали и ток холостого хода трансформатора.

Для уменьшения тока холостого тока и потерь в стали необхо­димо увеличивать сечение сердечника, что в свою очередь вызывает увеличение габаритов и массы трансформатора.

Основные параметры данной схемы следующие:

- коэффициент использования трансформатора К_тр=0,48;

- большой коэффициент обратного напряжения G_o=3;

- частота первой гармоники равна частоте сети f₁=f_c;

- коэффициент пульсации равен k_n=l,57.
Рекомендация по применению. Однофазная однополупериодная схема встречается часто, но применяется только в маломощных выпрямителях с высокоомным нагрузочным сопротивлением, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряже­ния. Эта схема применяется только при работе на ёмкость.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой во вто­ричной

обмотке трансформатора при питании от однофазной се­ти переменного тока. Такой выпрямитель состоит из трансформа­тора со средним выводом TV, диодов VD₁ и VD₂ и активной нагрузки R_h (рисунок 2.10)

a - принципиальная схема

б- временные диаграммы

Рисунок 2.10 - Схема выпрямителя двухфазного двухполупериодного и его

временные диаграммы

Трансформатор имеет одну первичную обмотку m₁=1 и вторич­ную обмотке с выводом от средней точки. Вторичную обмотку в данном случае можно рассматривать как две одинаковые вторичные обмотки, соединенных между собой согласно (m₂=2).

Принцип работы. При включении выпрямителя в сеть переменного тока во вторичных обмотках индуктируется ЭДС.

Пусть в первый полупериод напряжение на вторичной обмотке сориентировано так, что верхних конец вторичной обмотки трансформатора положителен относительно нулевой точки, а нижний конец той же обмотки отрицателен (рисунок 2.10,а). В этом случае диод VD₁ будет открыт, так как его анод положителен по отношению к катоду. От нулевой точки по верхней половине вторичной обмотки трансформатора через первый диод VD₁, нагрузку R_h и опять к ну­левой точки вторичной обмотки потечёт ток i_н1. Диод VD₂ будет закрыт отрицательным напряжением.

Во второй полупериод напряжение на вторичных обмотках изменит свою полярность, откроется VD₂, а диод VD₁ закроется. Ток i_н2 потечёт от нулевой точки по нижней половине вторичной обмотки через второй диод, через нагрузку к нулевой точке. (рисунок 2.10,б). Диоды работают поочерёдно, а ток через нагрузку проходит все время в одном направлении, создавая на ней напряжение U_н. Кривые тока и напряжения совпадают по форме, но имеют разный масштаб.

Основные параметры данной схемы следующие:

- коэффициент использования трансформатора К_тр=0,54..0,71;

- частота первой гармоники равна f₁=2f_c;

- коэффициент обратного напряжения G=2,47...3,45;

- коэффициент пульсации k_п=0,67.

Анализ схемы выпрямления. Двухфазная схема выпрямления имеет следующие преимущества перед однополупериодной:

- габариты и масса трансформатора значительно меньше из-за
лучшего использования обмоток и отсутствия подмагничевания;

- амплитуда тока через вентиль вдвое меньше;

- частота пульсации выпрямленного напряжения вдвое выше
что приводит к уменьшению габаритов и массы сглаживающего фильтра. По величине обратного напряжения на диоде
обе схемы одинаковы.

Недостатки:

- необходимость делать средний вывод от вторичной обмотки
трансформатор;

- использование двух диодов вместо одного.
Рекомендации по применению. Двухфазную схему целесообразно

применять в цепях питания полупроводниковых приборов при боль­ших токах (5...50А) и малых напряжениях (порядка трёх вольт), так чтобы мощность, потребляемая' схемой от сети, не нарушала её симметричность.

Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок 2.11) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети.

Мостовой выпрямитель состоит из двухобмоточного трансформатора (m₁=l; m₂=l), четырёх диодов, включённых по схеме моста VD₁, VD₂, VD₃, VD₄ и активной нагрузки R_h. К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, к другой - нагрузка. В схеме выпрямления четыре диода соединены так, что напряжение вторичной обмотки подается на нагрузку в течение одного полупериода через пару диодов, в течение второго полупериода через вторую пару диодов.

а- схема мостового выпрямителя;
б- временные диаграммы

Рисунок 2.11- Схема мостового выпрямителя и временные его диаграммы

Принцип работы схемы выпрямления. Пусть напряжение на вторичной обмотке имеет такую фазу сигнала (в первый полупериод по­тенциал верхнего конца вторичной обмотки -а- положителен, а ниж­него конца –б- - отрицателен) (рисунок 2.11,а). Диоды VD₁ и VD₄ в течение первого полупериода открыты, так как оказываются включенными в прямом направлении, а диоды VD₂ и VD₃ закрыты. Ток i_1,4 протекает по цепи - точка – а-, диод VD₁, сопротивление нагрузки R_h, диод VD₄, точка –б- (рисунок 2.11,а). Этот ток создаёт на сопротивлении R_h падение напряжения, повторяющее первую полуволну выпрямленного напряжения U₂. Во вто­рой полупериод полярность напряжения на вторичной обмотке изменится на обратную и ток потечёт по другой цепи от точки – б- вторичной обмотки через диод VD₂, сопротивление нагрузки R_h, диод VD₃ к точке –а- обмотки трансформатора TV. Диоды VD₁ и VD₄ во время второго полупериода закрыты. Через нагрузку R_h токи i_2,3 i_1,4, в одном направлении, образуя выпрямленный ток i_н. Форма напряжения на нагрузке U_н повторяет форму суммарного тока i_н=i_1,4+i_2,3. Основные параметры схемы выпрямления:

- коэффициент использования трансформатора k_тр=0,9 при индуктивной нагрузки и k_тp=0,66 при ёмкостном характере нагрузки;

- коэффициент обратного напряжения (G=1,11);

- частота первой гармоники равна f₁=2 fс;

- коэффициент пульсации k_n=0,67.

Анализ схемы выпрямления. Преимущество схемы мостовой од­нофазной по сравнению с двухфазной следующие:

- малая типовая мощность трансформатора, а значит, малые
габариты и массы;

- обратное напряжение на диодах вдвое меньше;

- напряжение на вторичной обмотке трансформатора вдвое
меньше, чем на зажимах вторичной обмотки в двухполупериодной схеме;

- если выпрямленное напряжение соответствует напряжению с
сети, то схему можно включать без трансформатора;

- возможность получения половинного выпрямленного напряжения при выводе средней точки вторичной обмотки трансформатора.

К недостаткам схемы можно отнести:

- четыре диода вместо двух;

- внутреннее сопротивление выпрямителя больше, так как ток
одновременно проводят два диода, включенные последовательно;

- заземление одного из полюсов нагрузки не позволяет зазем­лить ни один из выводов вторичной обмотки трансформатора

Рекомендации по применению. Схему рекомендуется применять на напряжение порядка до 500...600 В. Из-за увеличе­ния падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжений (меньше 5 В) и при токах (3...5 А), чтобы не снижать К.П.Д.

Трёхфазные схемы выпрямления

Трехфазная схема выпрямления с отводом от средней точки (схема Миткевича). Схема выпрямления с выводом средней точки трансформатора впервые предложена в 1901 году В.Ф. Миткевичем. Трёхфазная однотактная схема выпрямления (рисунок 2.12) включается в трёх­фазную сеть переменного тока. Первичные и вторичные обмотки трёхфазного трансформатора имеют одинаковое число фаз (m₁=m₂=3). Каждая из фаз первичной и вторичной обмоток располагается на одном стержне сердечника трансформатора. Первичные обмотки мо­гут соединятся между собой звездой или треугольником, вторичные -только звездой. Диоды VD₁, VD₂, VD₃ подсоединены к нагрузке катодами - такое соединение диодов образует катодную группу. Диоды могут образовывать и анодную группу.

а- принципиальная схема выпрямителя;
б- временные диаграммы

Рисунок 2.12- Трёхфазная однотактная схема выпрямления со

средней точкой трансформатора

Принцип работы схемы выпрямления. Каждый диод проводит ток только в то время, когда напряжение на его аноде выше, чем на катоде. Напряжение на катодах всех диодов равны напряжению нагрузки. Поэтому диод VD₁ открыт только тогда, когда напряжение на аноде больше, чем на анодах других диодов, т.е. в интервале от t₁ до t₂. Диоды VD₂ и VD₃ в это время закрыты, так как их аноды имеют потенциал ниже, чем анод диода VD₁. В интер­вале t₂...t₃ наибольшее напряжение на аноде уже у диода VD₂, поэтому диод VD₂ открыт, а диоды VD₁ и VD₃ закрыты. В пери­од от t₃ до t₄ открыт диод VD₃, а остальные диода VD₂ и

VD₁ закрыты. Через каждый из диодов протекает ток только одну треть периода

(трёхпульсационная).

Основные параметры схемы выпрямления следующие;

- коэффициент использования трансформатора k_тр=0,71;

- коэффициент обратного напряжения G=2,l;

- частота первой гармоники f_i=3f_c;.

- коэффициент пульсации k_п= 0.25.

- Анализ схемы выпрямления. Преимущество схемы выпрямления трёхфазной однотактной по сравнении с однофазными схемами:

- лучшее использование обмоток трансформатора;

- выше частота пульсации и меньше коэффициент пульсации;

- равномерная нагрузка выпрямителя на трёхфазную сеть
переменного тока.

Недостатки:

- вынужденное намагничевание трансформатора;

- увеличение обратного напряжения на диодах и типовой мощности

трансформатора по сравнению с однофазной мостовой схемой.

Рекомендации по применению. Схема Миткевича применяется при мощности, потребляемой от сети свыше 1 кВ А до десятков ки­ловатт и обеспечивает равномерную нагрузку каждой фазы трёх­фазной

Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова). Схема предложена А.Н. Ларионовым в 1923 году. Схема (рисунок 2.13)содер­жит трёхфазный трансформатор (m₁=3, m₂=3) и шести диодов.

Принцип работы схемы выпрямления. Первичные обмотки трансформатора, так же как и вторичные, могут соединяться как звездой, так и треугольником.

К каждой фазе вторичной обмотки трансформатора подключены два диода, один анод, а другой катодом. Диоды VD₁, VD₃, VD₅ об­разуют катодную группу, диоды VD₂, VD₄, VD₆- анодную группу.

Общая точка диодов VD₁,VD₃,VD₅ образуют положительный полюс, а общая точка диодов VD₂,VD₄,VD₆ - отрицательный. Между этими точками подключается нагрузка выпрямителя R_h. В мос­товых схемах одновременно пропускают ток два диода: один из ано­дной группы, другой из катодной. В катодной группе открыт диод имеющий наиболее высокий потенциал анода относительно общей точки вторичных обмоток трансформатора. В анодной группе открыт диод с наиболее низким потенциалом катода. Основные параметры схемы выпрямления:

- коэффициент использования трансформатора k_тр=0_,91;

- частота первой гармоники f₁= 6 fс;

- коэффициент пульсации k_п= 0,057;

- коэффициент обратного напряжения G=l,05.

Анализ схемы выпрямления. Преимущество схемы Ларионова:

- меньшие габариты и масса трансформатора по сравнению с выше

рассмотренными схемами из-за лучшего использова­ния обмоток

трансформатора;

- возможность бестрансформаторного включения выпрямителя
30

в сеть;

- меньше обратное напряжение на диодах;

- возможность получения двух напряжений;

- меньше коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и в два

раза выше частот этих пульсаций по сравнению трёхфазной схемой.

К недостаткам схемы можно отнести следующее:

- необходимость иметь шести диодов;

- невозможность заземлить вторичную обмотку трансформатора
если заземлён один из полюсов нагрузки.

Рекомендации по применению схемы выпрямления. Схема Ларио­нова является лучшей, как по энергетическим показателям, так и по экономии, которую получают при последующей фильтрации. Поэто­му её применяют не только при мощностях свыше 1 кВ А, но также и в маломощных выпрямителях, где экономия при фильтрации окупает усложнения трансформатора по сравнению с однофазным трансформатором.

а - схема Ларионова

б-временные диаграммы

Рисунок 2.13 - Принципиальная схема трёхфазная мостовая и временные диаграммы

Дата добавления: 2014-01-07