Основные схемы выпрямления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие принципы построения выпрямительных устройств

1.2 Структурная схема и классификация выпрямителей

1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей

2. Основные схемы выпрямления

2.1 Однофазные выпрямители

2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

2.3 Мостовая схема (схема Греца)

3. Трехфазные выпрямители

3.1 Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда)

3.2 Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30-35%) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.

Выпрямитель - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.



1. Общие принципы построения выпрямительных устройств

1.1 Структурная схема и классификация выпрямителей

Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят: 

силовой трансформатор (СТ), 

вентильный блок (ВБ), 

фильтрующее устройство (ФУ), 

цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН) .

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.

Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U2 определяет значение выпрямленного напряжения Uн (или Ud).

Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U1, I1 с частотой f1, и цепь нагрузки с Uн, Iн (или Ud, Id). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.

Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.

При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.

Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.



1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей

Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:

1) по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);

2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);

3) по пульсности (р) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U1;

4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U2 за период питающего напряжения:

- однополупериодные;

- двухполупериодные;

- m-полупериодные.

Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) - управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) - неуправляемые выпрямители.

Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:

а) на активную нагрузку;

б) на активно-индуктивную нагрузку;

в) на активно-емкостную нагрузку;

Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются.

Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей.

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся:

- величины выпрямленного напряжения и мощности;

- частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;

- число диодов и величина обратного напряжения на них;

- коэффициент полезного действия (к.п.д.);

- коэффициент мощности и другие энергетические показатели.

значение имеет также коэффициент использования трансформатора по мощности, который определяется как:

,

где Ud, Id - средние значения выпрямленного напряжения и тока, U1, I1 - действующие значения первичного напряжения и тока, U2, I2 - действующие значения вторичного напряжения и тока.

При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.



2. Основные схемы выпрямления

2.1 Однофазные выпрямители

Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам - фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.

Однофазная, однополупериодная схема.

Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют для выпрямления токов до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризуется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б.

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Под действием ЭДС вторичной обмотки e2 ток в цепи нагрузки id может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток ivd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжение ud в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e2, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением r). Максимальное обратное напряжение на вентиле Uобрmax, как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E2m.

Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую Id, которая в первичную обмотку не трансформируется. В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют - вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.

2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравнению с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180є.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD1 и VD2. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w21 и w22 находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD1 и VD2 проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD1 и ток ivd1 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w21 трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD2, ток ivd2 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w22 трансформатора, причем в цепи нагрузки ток id проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток i21 и i22 в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания.

Рассмотрим расчет коэффициента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.

Выходное напряжение ud снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку: Id = Ud / Rd .

Поскольку ток id протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит: 



Ivd = Id / 2,

Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то

Величина Ud при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

S1 = U1 / I1 ; U1 = U2 / n; I1 = n I2;

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой

Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

2.3 Мостовая схема (схема Греца)

Однофазная мостовая схема (рис. 1.4, а) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как в предыдущей схеме. По сути, работа мостовой схемы в течение каждого полупериода ничем не отличается от схемы со средней точкой трансформатора, только здесь 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. Достоинства - меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток - на диодах падение напряжения в 2 раза больше.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис. 1.4, б. Выходное напряжение ud при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения u2 (рис.1.3, б). Это получается в результате поочередного отпирания диодов VD1, VD4 и VD2, VD3. Диоды VD1 и VD4 открыты при полуволне напряжения u2 положительной полярности (показана на рис. 1.4, а без скобок), обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжение ud той же полярности, что и напряжение u2. На полуволне напряжения u2 отрицательной полярности (показана на рис. 1.4, а со скобками) открыты диоды VD2 и VD3, подключающие напряжение u2 к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.

Рис. 1.4. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Ввиду идентичности кривых ud для выпрямителей без потерь (мостового и со средней точкой) действительны те же соотношения между выпрямленным напряжением Ud и действующим значением напряжения U2.

, ,

поэтому и пульсации такие же, как в предыдущей схеме.

Ток Id распределяется поровну между парами диодов и ток каждого диода определяется также, как и 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 u2

,

т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.

Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, как и ток во вторичной обмотке трансформатора имеющий форму синусоиды. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора 

,

это обусловлено тем, что в отличие от схемы со средней точкой ток i2 здесь синусоидальный, а не пульсирующий.

С учетом того, что трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку, для мостовой схемы габаритная мощность первичной и вторичной обмоток будет одинакова и общая габаритная мощность Sгаб равна габаритной мощности первичной обмотки трансформатора в рассмотренной ранее схеме со средней точкой, т.е. 1,23Pd.

На принципиальных схемах диодный мост может изображаться по разному и во многих случаях его изображают упрощенно (как показано на рисунке слева). Обычно, такое изображение служит для того, чтобы упростить общий вид принципиальной схемы, либо для того, чтобы показать, что в данном случае применена диодная сборка. Диодная сборка - это 4 диода с одинаковыми параметрами, размещенных в общем корпусе. Диодная сборка является более технологичной деталью, поскольку занимает меньше места на печатной плате.



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. 1.5, а).

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 1.5, б. 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.

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 2р/3 (120є). Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате в нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение ud, 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.

Рис. 1.5. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

3.2 Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, 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. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора U2, как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжение Ud данного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значении Ud величина U2 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. 2р/3 (120є). При этом интервал совместной работы двух вентилей равен р/3 (60є).

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 р/3 (60є), 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.

выпрямитель обмотка трансформатор



Заключение

Схема однофазного мостового выпрямителя и диаграммы, пояснение его работы, трансформатор имеет две обмотки (первичную и вторичную), но схема может работать без трансформатора (в отличие от схемы с нулевым выводом), если соотношение напряжения питания с напряжением на нагрузке устраивает потребителя.

При положительной полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора на интервале 0-я ток проводят диоды VD1 и VD4. Падение напряжения на диодах на интервале проводимости близко к нулю, поэтому к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения вторичной обмотки трансформатора ег. Ток протекает от источника к нагрузке по контуру: а-VD1-RH-VD4- b-а. Ток нагрузки повторяет форму напряжения на нагрузке. На интервале п-2я напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяет полярность, создаются условия для запирания диодов VD3, VD4 и условия отпирания диодов VD2, VD2. Ток протекает по контуру: b-VD3-RH-VD2-a-b. При этом напряжение вторичной обмотки трансформатора е2 прикладывается к нагрузке с той же полярностью, что и в предыдущем полупериоде. Так как в каждый момент времени определенный вентиль и нагрузка включены последовательно, форма тока вентиля ia на интервале проводимости повторяет форму тока нагрузки.



Список использованной литературы

1. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - М.: Радио и связь, 1987. - 160 c.: ил.

2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 c., ил.

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 496 с., ил.

4. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.

Размещено на Allbest.ru