Особенности и принцип работы трехфазного выпрямителя, мостовая схема выпрямления, однофазное устройство

Что такое трехфазное выпрямление, принцип работы и схемы

В данной статье поговорим про трехфазный выпрямитель (контролируемый и неконтролируемый). Подробно опишем его принцип работы, а так же рассмотрим схемы полуволнового и полноволнового трехфазного выпрямителя.

Описание

В предыдущей статье мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением, причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на полупроводниковых диодах. На самом деле выпрямление переменного напряжения является одним из самых популярных применений диодов, так как диоды недорогие, небольшие и надежные, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных цепей, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо всего один встроенный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, такие как в домах и офисах, обычно имеют фазо-нейтральное напряжение 120 или 240 Врм, также называемое линией нейтрали (LN), и номиналом постоянного напряжения и частоты, которые создают переменное напряжение или ток в форму синусоидальной формы волны с сокращением «AC».

Трехфазные выпрямители, также известные как многофазные выпрямительные схемы, аналогичны предыдущим однофазным выпрямителям. Разница на этот раз в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным генератором.

Преимущество здесь состоит в том, что трехфазные выпрямительные схемы могут использоваться для питания многих промышленных устройств, таких как управление двигателем или зарядка аккумулятора, которые требуют более высоких требований к мощности, чем однофазная выпрямительная схема.

Трехфазные источники питания развивают эту идею на один шаг вперед, комбинируя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, причем каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы имеют сдвиг по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или поворот фазы на 360 o ÷ 3 = 120 o, как показано.

Трехфазная форма волны

Преимущество здесь заключается в том, что трехфазный источник переменного тока (AC) может использоваться для подачи электроэнергии непосредственно на сбалансированные нагрузки и выпрямители. Поскольку трехфазный источник питания имеет фиксированное напряжение и частоту, он может использоваться в схеме выпрямления для получения энергии постоянного тока с постоянным напряжением, которая затем может быть отфильтрована, что приводит к выходному напряжению постоянного тока с меньшей пульсацией по сравнению с однофазной выпрямительной схемой.

Принцип работы

Видя, что 3-фазный источник питания — это просто три однофазные комбинации, мы можем использовать это многофазное свойство для создания 3-фазных цепей выпрямителя.

Как и в случае однофазного выпрямления, в трехфазном выпрямлении используются диоды, тиристоры, транзисторы или преобразователи для создания полуволновых, двухволновых, неконтролируемых и полностью управляемых выпрямительных цепей, преобразующих данный трехфазный источник питания в постоянный выходной уровень постоянного тока. В большинстве случаев трехфазный выпрямитель подается напрямую от электросети или от трехфазного трансформатора, если подключенная нагрузка требует другого уровня выхода постоянного тока.

Как и в случае предыдущего однофазного выпрямителя, наиболее простой трехфазной выпрямительной схемой является схема неуправляемого полуволнового выпрямителя, в которой используются три полупроводниковых диода, по одному диоду на фазу, как показано ниже.

Полуволновое трехфазное выпрямление

Так как же работает эта трехфазная полуволновая выпрямительная схема? Анод каждого диода подключен к одной фазе источника напряжения с катодами всех трех диодов, соединенных вместе в одну положительную точку, эффективно создавая схему диода типа «ИЛИ». Эта общая точка становится положительной (+) клеммой нагрузки, в то время как отрицательная (-) клемма нагрузки подключается к нейтрали (N) источника питания.

Предполагая, что чередование фаз красно-желто-синее (V A — V B — V C ) и красная фаза (V A ) начинается при 0 o . Первым проводящим диодом будет диод 1 ( D 1 ), так как он будет иметь более положительное напряжение на своем аноде, чем диоды D 2или D 3 . Таким образом, диод D 1 проводит для положительного полупериода V A, в то время как D 2 и D 3 находятся в их обратном смещенном состоянии. Нейтральный провод обеспечивает обратный путь тока нагрузки к источнику питания.

Через 120 электрических градусов диод 2 (D 2 ) начинает проводить для положительного полупериода V B (желтая фаза). Теперь его анод становится более положительным, чем диоды D 1 и D 3, которые оба «выключены», потому что они смещены в обратном направлении. Аналогичным образом , 120 о дальнейшем V С(синия фаза) начинает возрастать поворачивая «ON» диод 3 (D 3 ) в качестве анода становится более положительным, таким образом, превращая «OFF» диоды D 1 и D 2 .

Затем мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления, какой бы диод не имел более положительного напряжения на своем аноде, по сравнению с двумя другими диодами, он автоматически начнет проводить, тем самым давая схему проводимости: D 1 D 2 D 3, как показано.

Из приведенных выше сигналов для резистивной нагрузки видно, что для полуволнового выпрямителя каждый диод пропускает ток в течение одной трети каждого цикла, а выходной сигнал в три раза больше входной частоты источника переменного тока. Следовательно, в данном цикле имеется три пика напряжения, поэтому за счет увеличения количества фаз от однофазного до трехфазного источника улучшается выпрямление источника питания, то есть выходное напряжение постоянного тока становится более плавным.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя напряжения питания V A V B и V C сбалансированы, но с разностью фаз 120 o , что дает:

V A = V P * sin (ωt — 0 o )

V B = V P * sin (ωt — 120 o )

V C = V P * sin (ωt — 240 o )

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя задается как:

Поскольку напряжение обеспечивает пиковое напряжение V P равно V RMS * 1,414, из этого следует, что V P равно V P / 1,414, что дает 0,707 * V P , поэтому среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя можно выразить через среднеквадратичное фазное напряжение, дающее:

Полноволновое трехфазное выпрямление

В двухволновой трехфазной неконтролируемой мостовой выпрямительной схеме используются шесть диодов, по два на фазу аналогично однофазному мостовому выпрямителю. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель получается с использованием двух схем полуволнового выпрямителя. Преимущество здесь состоит в том, что схема производит более низкий пульсационный выход, чем предыдущий полуволновой 3-фазный выпрямитель, поскольку его частота в шесть раз превышает входной сигнал переменного тока.

Кроме того, двухполупериодный выпрямитель может питаться от сбалансированного 3-фазного 3-проводного треугольника, подключенного треугольником, поскольку четвертый нейтральный (N) провод не требуется. Рассмотрим ниже трехполупериодную трехфазную схему выпрямителя.

Как и раньше, при условии чередования фаз красного-желтого-синего (V A — V B — V C) и красной фазы (V A ) начинается при 0 o . Каждая фаза подключается между парой диодов, как показано на рисунке. Один диод проводящей пары питает положительную (+) сторону нагрузки, в то время как другой диод питает отрицательную (-) сторону нагрузки.

Диоды D 1, D 3, D 2 и D 4 образуют мостовую выпрямительную сеть между фазами A и B, аналогично диоды D 3 D 5, D 4 и D 6 между фазами B и C и D 5, D 1, D 6 и D 2 между фазами C и А.

Таким образом, диоды D 1, D 3 и D 5 питают положительную шину и в зависимости от того, какая из них имеет более положительное напряжение на своем анодном выводе, проводит. Аналогично, диоды D 2, D 4 и D 6 питают отрицательную шину, и какой диод имеет более отрицательное напряжение на своих катодных выводах.

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления диоды проводят в совпадающих парах, давая схему проводимости для тока нагрузки: D 1-2 D 1-6 D 3-6 D 3-6 D 3-4 D 5- 4 D 5-2 и D 1-2, как показано.

В трехфазных силовых выпрямителях проводимость всегда происходит в наиболее положительном диоде и соответствующем наиболее отрицательном диоде. Таким образом, когда три фазы вращаются через выводы выпрямителя, проводимость передается от диода к диоду. Затем каждый диод проводит в течение 120 o (одну треть) в каждом цикле питания, но так как требуется два диода для проводки в парах, каждая пара диодов будет проводить только 60 o (одну шестую) цикла в любой момент времени, так как показано выше.

Поэтому мы можем правильно сказать, что для трехфазного выпрямителя, питаемого от «3» вторичных обмоток трансформатора, каждая фаза будет разделена на 360 o / 3, таким образом, требуя 2 * 3 диода. Отметим также, что в отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, между входной и выходной клеммами выпрямителя нет общего соединения. Следовательно, он может питаться от звезды или от трансформатора.

Таким образом, среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя задается как:

Где: V S равно (V L (PEAK) ÷ √ 3 ), а где V L (PEAK) — максимальное линейное напряжение (V L * 1,414).

Резюме трехфазного выпрямления

В этой статье мы увидели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, когда выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного тока. Таким образом, выпрямление мощности превращает переменный источник в однонаправленный источник.

Но мы также видели, что 3-фазные неконтролируемые полуволновые выпрямители, которые используют один диод на фазу, требуют подключения в виде звезды в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, который использует два диода на фазу, требует только трех линий электропередачи, без нейтрали, такой как та, которая обеспечивается питанием от треугольника.

Другим преимуществом двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что ток нагрузки хорошо сбалансирован по мосту, что повышает эффективность (отношение выходной мощности постоянного тока к подводимой входной мощности) и снижает содержание пульсаций, как по амплитуде, так и по частоте, по сравнению с полуволновой конфигурацией.

Увеличивая количество фаз и диодов в конфигурации моста, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, как, например, при 6-фазном выпрямлении каждый диод будет проводить только одну шестую цикла. Кроме того, многофазные выпрямители производят более высокую частоту пульсаций, что означает меньшую емкостную фильтрацию и намного более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неконтролируемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсации для различных применений.

Читайте также:  Как спаять детали без паяльника: пайка в домашних условиях проводов и плат с применением подручных средств

Принцип действия и схема трехфазного мостового выпрямителя

Пользователям силовых цепей 380 Вольт в домашнем хозяйстве нужен пассивный (неуправляемый) трехфазный выпрямитель. Знание некоторых особенностей электронного устройства и существующих схем выпрямления окажется очень полезным. Это поможет владельцу силового оборудования эксплуатировать его более грамотно и рационально в течение длительного времени.

Описание выпрямителей

Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:

  • первые устанавливаются в линиях 220 Вольт и служат для получения постоянных токов незначительной величины (до 50-ти Ампер);
  • трехфазные выпрямители используются в цепях, где рабочие (выпрямленные) токи существенно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен Ампер.
  • в сравнении с однофазными образцами эти приборы имеют более сложное устройство.

Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить на выходе минимальный уровень пульсаций.

В электротехнике они называются «трехфазные мостовые выпрямители», так как по способу открывания диодов, управляемых полярностью напряжения, они напоминают мост через реку с односторонним движением. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, недоступной для проезда машин поочередно в каждую из сторон.

Принцип действия

Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.

В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.

«Цепь полного цикла» может содержать 4 выпрямительных элемента, но такая схема относится к категории мостовых.

Однополупериодный многофазный выпрямитель

Сначала удобнее рассмотреть несложные в изготовлении трехфазные однополупериодные выпрямители, применяемые в простых и недорогих преобразовательных схемах. При их построении в каждую из фаз устанавливается по одному мощному диоду, обслуживающему только данную ветку.

Всего в однополупериодном образце выпрямительного прибора используется три полупроводниковых диода с подключенными к ним нагрузками. После изучения эпюр напряжений и токов, получаемых на выходе электрической цепочки, можно сделать следующие выводы:

  • эффективность (КПД) действия такого устройства очень низка;
  • полезная мощность теряется при обработке отрицательных полуволн всех трех фаз;
  • при использовании таких приборов получить нужные нагрузочные характеристики очень сложно.

Все эти недостатки однополупериодных схем вынудили разработчиков усложнить их, применив принцип двойного параллельного преобразования.

Двухполупериодный выпрямитель

Некоторые образцы силового оборудования работают только при большой величине выпрямленного тока, протекающего в нагрузке. Ее неспособны обеспечить однополупериодные выпрямители, что объясняется значительными потерями в них. Для повышения нагрузочной способности в цепях трехфазного тока все чаще применяются двухполупериодные выпрямительные приборы, содержащие по два диода на каждую из фаз.

Классическое включение в этом случае выполнено по схеме Ларионова, в честь которого названо и само выпрямительное устройство.

Анализ рабочих диаграмм такого выпрямителя наглядно свидетельствует о его бесспорных достоинствах. При работе этих схем используются как положительные, так и отрицательные полуволны, что поднимает КПД всего преобразователя. Объясняется это тем, что трехфазная структура схемы совместно с двухполупериодным выпрямлением обеспечивают шестикратное увеличение частоты пульсаций. За счет этого амплитуда сигнала на выходе после сглаживающих конденсаторов заметно возрастает (в сравнении с однополупериодным выпрямителем), а отдаваемая в нагрузку мощность повышается.

Мостовые устройства

Еще больше повысить эффективность преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет «трехфазная мостовая схема выпрямления». Этот способ включения удобнее представить в виде совокупности двух однополупериодных схем с нулевой точкой, в которых нечетные диоды образуют катодную группу, а четные – их анодное объединение. В трехфазной мостовой схеме две ветки обработки полуволн различной полярности фактически объединены в единую систему.

Принцип действия трехфазного мостового выпрямителя проще всего представить так:

  • при действии на его входе переменного потенциала для каждой полуволны открытыми оказываются два диода из четырех, включенных как бы зеркально;
  • в первом случае выпрямляется положительная полуволна входного напряжения, а во втором – отрицательная;
  • в результате на выходе такой перекрестной схемы на одном полюсе моста всегда действует плюс, а на другом – минус.

Как в трехфазных выпрямительных мостах, так и в двухполупериодных схемах на диодных переходах теряется часть входного напряжения (на каждом диоде – не более 0,6 Вольта).

Общая потеря за один такт (положительный и отрицательный) в трехфазном мосте составит таким образом 1,2 Вольта. Разработчики выпрямительного оборудования всегда учитывают эти потери и для получения требуемой мощности на выходе заранее закладывают чуть завышенные входные параметры.

Диаграммы или эпюры напряжения мостовых схем – лучшее подтверждение тому, что этот способ включения диодов в выпрямительную цепь обеспечивает максимум передачи энергии. При этом небольшие потери напряжения на переходах чаще всего удается компенсировать за счет лучшей фильтрации во вторичных цепях.

Особенности трехфазного моста и варианты его построения

Мостовые схемы трехфазных выпрямителей имеют варианты исполнений, позволяющие улучшить параметры устройства. Усовершенствовать их удается за счет введения дополнительных вентильных элементов. В них устанавливают по 6, 9 или даже 12 выпрямительных диодов, включенных по схеме «звезда» или «треугольник».

Чем больше фаз (или пар диодов) используется в схеме выпрямителя, тем ниже уровень пульсаций выходного напряжения.

В качестве примера рассмотрим устройство с 12 выпрямительными диодами. Одна из групп в количестве 6-ти штук включается в этом случае по схеме «звезда» с общей нулевой точкой, а вторая – в треугольник (без земли). С учетом того, что выпрямители соединены последовательно, потенциалы на выходе системы суммируются, а частота пульсаций в нагрузке оказывается в 12 раз большей сетевого значения (50 Герц). После фильтрации поступающее к потребителю напряжение характеризуется более высоким качеством.

Сравнение однофазных и трехфазных устройств

При сравнении трехфазных схем выпрямления со однофазными аналогами важно отметить следующие моменты:

  • первые используются только в силовых сетях 380 Вольт, а вторую разновидность допускается устанавливать и в однофазные и в трехфазные цепи (по одному на каждую из фаз);
  • выпрямители 380 Вольт позволяют преобразовывать большую мощность и развивать значительные токи в нагрузке;
  • с другой стороны самостоятельно сделать трехфазный выпрямитель несколько труднее, поскольку он состоит из большего числа комплектующих изделий.

Понять суть работы трехфазного выпрямителя совсем несложно. Для этого потребуется ознакомиться с основами работы вентильных устройств и проанализировать электрическую схему их включения. Знание принципа действия выпрямительных приборов поможет пользователю эффективнее использовать его в повседневной работе.

Мостовая схема выпрямления

Мостовая схема выпрямления ( рис. 113, а) состоит из силового трансформатора Тр с двумя обмотками и четырех вентилей B 1 — В 4 , соединенных по схеме моста. Одна диагональ моста подсоединена ко вторичной обмотке силового трансформатора, другая диагональ — к нагрузке R н .

При включении первичной обмотки трансформатора в сеть во вторичной обмотке возникает переменная э. д. с. е II .

Во время положительного полупериода, когда точка 1 имеет более высокий потенциал, чем точка 2, в цепи вентилей В 1 и В 3 (точка 1, В 1 , В 2 , точка 2) пройдет полуволна тока ( рис. 113, б ). К вентилям В 2 и В 4 при этом приложено обратное напряжение, они заперты. Во время следующего полупериода пройдет полуволна тока в цепи вентилей В 1 и В 4 (точка 2, В 2 , В 4 точка1); вентили В 1 и В 3 заперты.

Рис. 113. Мостовая однофазная схема выпрямления (а) и временные диаграммы токов и э. д. с. (б).

Таким образом, мостовая схема представляет собой схему двухполупериодного выпрямления . Конец диагонали моста с соединенными катодами вентилей является положительным полюсом выпрямителя, а конец диагонали моста с соединенными анодами — отрицательным полюсом выпрямителя. Если напряжение сети соответствует величине заданного напряжения, которое должно быть приложено к мосту, то мостовая схема может включаться в сеть переменного тока без трансформатора.

Отличие мостовой схемы выпрямителя от рассмотренной ранее двухполупериодной схемы заключается в следующем:

  • а) вторичная обмотка не имеет вывода от средней точки;
  • б) выпрямленный ток протекает по всей вторичной обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует намагничивание
    сердечника трансформатора;
  • в) для получения такого же выпрямленного напряжения, как и от двухполупериодной схемы с выводом средней точки трансформатора, для вторичной обмотки в мостовой схеме требуется в 2 раза меньшее число витков;
  • г) токи вторичной и первичной обмоток — синусоидальны, поэтому расчетные мощности обмоток одинаковы:
    (205)
    т. е. габаритная мощность примерно на 20% ниже габаритной мощности трансформатора с выводом средней точки;
  • д) обратное напряжение меньше. Действительно, напряжение вторичной обмотки приложено к двум парам последовательно включенных вентилей (один из которых открыт, а другой закрыт).

Поэтому обратное напряжение, приложенное к одному из последовательно включенных вентилей, равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора, уменьшенному на величину прямого падения напряжения на другом, последовательно включенном, вентиле:

E mII = U обр + U пр

Если пренебречь прямым падением напряжения по сравнению с обратным, то получим

в то время как в однополупериодной и двухполупериодной схемах , рассмотренных ранее, напряжение U обр = 3,14 U ср , в 2 раза больше, чем в мостовой схеме выпрямления.

Частота пульсации и коэффициент пульсации во всех схемах одинаковы.

При сравнительном анализе схем следует учесть, что в мостовой схеме выпрямления , однако, используются четыре вентиля, а не два, как это имело место в двухполупериодной схеме с выводом средней точки. Если в качестве вентилей использовать приборы с накаливаемыми катодами, то потребуется минимум три макальных обмотки, что резко удорожает и усложняет конструкцию.

Поэтому в мостовых схемах выпрямления для повышения к. п. д. установки целесообразно применять безнакальные вентили с малым внутренним сопротивлением. Мостовые схемы выпрямления изготовляют мощностью, не превышающей 1 квт. Выпрямленное напряжение может быть очень большим (вплоть до десятков тысяч вольт).

Расчет мостовой схемы выпрямления

Заданными или известными величинами являются напряжение на нагрузке (U ср.зад , ток через нагрузку I ср , коэффициент пульсации выпрямленного напряжения K п.зад на выходе, напряжение и частота питающей сети.

Расчетные величины определяются по формулам:

Из справочника выбирается вентиль с допустимым обратным напряжением

и током через вентиль

Далее рассчитываются электрические величины, характеризующие вторичную обмотку трансформатора:

U II =(1,1÷1,3)U ср.р
I I I = 0,8I ср ;
P I I =U I I I I I

С целью получения пологой внешней характеристики, желательно выбирать фильтр, начинающийся с индуктивности.

Коэффициент пульсаций напряжения на входе фильтра

При токе нагрузки до 200 ма величина емкости звена фильтра не превышает 8—12 мкф. Задавшись емкостью звена фильтра С ф , можно определить индуктивность дросселя фильтра

(208)

Емкость конденсатора C 1 , шунтирующего дроссель, рассчитывается по формуле

(209)

Конденсатор С 1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение

U раб = 4πƒL др I ср

В заключение нужно определить расчетную (габаритную) мощность силового трансформатора, используя формулу (204 ).

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Схема и принцип действия.

Схема содержит трехфазный трансформатор, 6 диодов и активную нагрузку. Схема представляет собой сочетание двух трехфазных выпрямителей, включенных последовательно и питающихся от общих обмоток трансформатора напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120 градусов.

Принцип работы: ток проводят в любой момент времени два последовательно соединенных диода, на аноде которого положительный наибольший потенциал и на катоде которого отрицательный наибольший потенциал.

Схема является двухполупериодной, так как ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Схема является двухтактной, так как токи во вторичных обмотках протекают в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Токи вторичных обмоток имеют синусоидальную форму, поэтому отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.

2. Расчетные соотношения для трехфазной мостовой схемы выпрямителя

Действующее значение тока через вторичную обмотку:

I

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки:

U

Действующее значение линейного напряжения вторичной обмотки:

U

Действующее значение тока первичной обмотки:

I

Обратное напряжение на диоде:

U

Типовая мощность трансформатора:

Р

I

Частота основной гармоники выпрямленного напряжения (тока):

f

Коэффициент пульсаций = 0,057.

Преимущества: меньше вес и размеры трансформатора, отсутствует вынужденное намагничивание, меньше пульсации напряжения, больше частота пульсаций

Основной недостаток: необходимость применения 6 диодов.

3. Влияние характера нагрузки на работу выпрямителя.

Работа выпрямителя на встречную ЭДС. При таком режиме параллельно зажимам выпрямителя включен источник постоянного ЭДС.

Особенности: уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения; уменьшается время прохождения тока через диоды.

Применение: для зарядки аккумуляторной батареи.

Работа выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией. Параллельно нагрузке включается конденсатор. Этот режим имеет место при использовании конденсаторов в качестве первого элемента сглаживающего фильтра. По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотке трансформатора конденсатор заряжается, и напряжение на нем повышается. Так как напряжение на емкости отстает от напряжения фазы вторичной обмотки, то в течение режима всего времени заряда емкости напряжение на ней будет оставаться меньшим напряжения на обмотке и только в момент прекращения тока через диод эти напряжения окажутся равными.

Особенности режима: уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения; сокращается время работы диодов; амплитудное значение тока через диоды и трансформатор увеличивается.

Недостатки режима: плохо используются обмотки трансформатора; величина выпрямленного напряжения зависит от тока нагрузки.

Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку. Последовательно с нагрузкой включена индуктивность. Этот режим имеет место, когда в качестве первого элемента используется дроссель.

Наличие индуктивного элемента приводит к отставанию по времени изменение тока от изменения напряжения, что влияет на режим работы выпрямителя.

Особенности режима: длительность работы диода уменьшается; амплитудное значение тока уменьшается; среднее значение выпрямленного тока уменьшается.

Таким образом, в лекции изучены: принцип действия, достоинства и недостатки, основные расчетные соотношения трехфазной мостовой схемы выпрямления, а также влияние характера нагрузки на работу выпрямителя.

|следующая лекция ==>
ЭТАПЫ ОПЕРАЦИИ СУБТОТАЛЬНОЙ СУБКАПСУЛЯРНОЙ РЕЗЕКЦИИ ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ|Общественно опасное деяние (действие или бездействие) и его уголовно-правовая характеристика.

Дата добавления: 2015-12-01 ; просмотров: 3545 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π – константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π – константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго – положительный):

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

– максимальное обратное напряжение диода – Uобр ;

– максимальный ток диода – Imax ;

– прямое падение напряжения на диоде – Uпр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода Uобр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока Imax выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – Uпр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей предназначены для преобразования переменного – изменяющего полярность напряжения в однополярное – не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

Выпрямители тока часть 2. Виды однофазных и трехфазных схем

Продолжаем рассматривать выпрямители тока, их различные схемы сборки. Всевозможные схемы обеспечивают применение таких устройств в разных отраслях промышленности и в быту.

Производство и передача электроэнергии чаще всего выполняется на переменном токе, так как трансформация напряжения является наиболее простым способом. Но, довольно весомая часть выработанной электрической энергии применяется в виде постоянного тока, даже для транспортировки на значительные расстояния. Эта доля составляет около 30% от всей произведенной электроэнергии.

Выпрямители тока
Двухтактная схема

В устройствах низкого напряжения используют однофазный двухтактный выпрямитель с нулевым отводом обмотки. Это дает возможность снизить потери и количество диодов в два раза. Однако при этом коэффициент использования трансформатора намного ниже, размеры прибора больше, в отличие от однофазного устройства.

Обязательным компонентом такого прибора является трансформатор, у которого имеется две низковольтные обмотки. По сути дела, подключение к средней точке делает выпрямитель двухфазным, так как образуются две ЭДС, которые равны между собой по значению, а направлены в разные стороны. В результате схема подключения заключается в том, что равные напряжения на выходе обмотки сдвинуты от средней точки по фазе на 180 градусов.

К анодам диодных вентилей присоединены вторичные обмотки, на которых напряжение находятся в противофазе, вследствие чего ток по диодам протекает по очереди в определенных полупериодах напряжения.

Отличием прибора со средней точкой от простого исполнения является протекание выпрямленного тока в обоих полупериодах. Но каждая половина обмотки нагружена током в одном полупериоде. Подмагничивание сердечника отсутствует, так как магнитные силы направлены во встречном направлении.

Мостовая схема

Характерна повышенным коэффициентом применения трансформатора. Вследствие этого, ее использование целесообразно в устройствах высокой мощности с напряжением на выходе в сотни вольт. Пульсации в такой схеме аналогичны предыдущей схеме.

Действие мостовой схемы практически не имеет отличий от предыдущей схемы, кроме того, что используются два вентиля вместо одного. Они соединены по последовательной схеме. Для полупериода применяется полностью вся обмотка. Это увеличивает эффективность применения трансформатора.

Преимуществом схемы моста является пониженное обратное напряжение, малые размеры, высокий коэффициент использования трансформатора. К недостатку можно отнести значительное падение напряжения на вентилях.

Напряжение на выходе при активной нагрузке представлено в виде однополярных полуволн. Это возникает из-за поочередного открывания диодов.

По аналогии кривых ud для приборов со средней точкой и мостовых схем, работают такие же формулы напряжений:

Вследствие этого пульсации остаются такими же. Ток Id разделяется на равные части между вентилями. Обратное напряжение на два непроводящих диода подается в одно время на диапазоне проводимости других диодов, его наибольшая величина вычисляется амплитудой напряжения u2:

Нагрузочный ток проходит в обоих полупериодах как во вторичной обмотке. Действующий ток вторичной обмотки вычисляется:

Это объясняется тем, что ток синусоидальный. Поэтому трансформатор выполнен с одной вторичной обмоткой.

Если учесть, что трансформатор оснащен одной вторичной обмоткой, то габаритная мощность двух обмоток одинакова, а суммарная габаритная мощность Sгаб совпадает с мощностью первичной обмотки, которая рассматривалась выше, и равна 1,23 Рd.

Выпрямительный диодный мост в различных источниках изображают по-разному. Чаще всего это делают упрощенно.

Диодный мост

Такую условность применяют для упрощения внешнего вида схемы. Диодная сборка состоит из четырех диодов с равными характеристиками. Они расположены в одном корпусе, что является технологичным решением. Такая сборка занимает незначительное место на монтажной плате.

В последнее время популярны селеновые и кенотронные выпрямители тока, которые применяются для радиоаппаратуры. В выпрямительных мостах все больше используют полупроводниковые диоды на основе германия.

Трехфазные выпрямители тока

Приборы, способные выпрямлять 3-фазное напряжение переменного тока, имеют трансформатор с первичной обмоткой, состоящей из 3-х отдельных обмоток, соединенных по схеме треугольника или звезды. Схема выпрямляющего устройства для трехфазной сети используется чаще всего для подключения нагрузки большой и средней мощности.

По методу подключения диодов к выходной обмотке схемы разделяют на мостовые с изолированной нулевой точкой, и нулевые со средней точкой обмотки.

Применяя специальные схемы подключения вторичной обмотки и выпрямителя, в общем, получают выпрямленное напряжение с количеством импульсов, кратным трем, за один период. При повышении количества импульсов в напряжении на выходе прибора, можно значительно уменьшить габариты фильтрующих элементов. 3-фазные выпрямители тока создают равномерную нагрузку на линию питания, и имеют повышенный процент использования трансформатора.

Трехфазная нулевая схема

В такую схему включен трансформатор. Выводы обмоток по схеме подключены к анодам трех диодов. Потребляющая нагрузка соединена с общей точкой катодов диодов.

На диаграмме показано действие идеального 3-фазного выпрямителя, имеющего среднюю точку на выходной обмотке, подключенную к нагрузке. В такой идеальной схеме, где не учитывается индуктивность обмоток, а вентили считаются идеальными, при переходе тока между вентилями, их коммутация осуществляется мгновенно, и в любое время ток проходит по одному диоду, имеющему самый большой потенциал.

В трехфазном устройстве выпрямления, нагрузочный ток со средней точки обмотки образуется фазным напряжением этой обмотки. За один период напряжения по каждой вторичной обмотке один раз проходит ток одной полярности. При этом диапазон проводимости одного вентиля равен 120 градусам.

Открытый диод подает напряжение соответствующей фазы к потребляющей нагрузке. В итоге на нагрузку действует импульсное однополярное напряжение, которое является участком напряжений фаз вторичных обмоток, и имеющее тройные импульсы за один период.

Достоинства
  • Малое количество вентилей.
  • Незначительное падение напряжения на диодах, вследствие чего возможно применение этой схемы для выравнивания низких напряжений при высоких мощностях более 0,5 киловатт.
  • Высокая частота импульсов выходного напряжения, так как имеется три частоты на трех фазах сети. Иногда это дает возможность применять такую схему без фильтрации.
Недостатки
  • Повышенное обратное напряжение на вентилях.
  • Малый коэффициент использования трансформатора из-за эффекта подмагничивания.

Однако такие недостатки нулевой схемы не ограничивают использовать выпрямители тока в определенных областях, и нашли определенную популярность.

Трехфазная мостовая схема

Позволяет наилучшим образом использовать трансформатор по его мощности, имеет малое обратное напряжение на вентилях и повышенную частоту импульсов выходного напряжения. Мостовая 3-фазная схема стала популярной в широком интервале мощностей и напряжений.

Выпрямители тока по мостовой трехфазной схеме имеется мост выпрямления, состоящий из шести диодов, соединенных двумя группами последовательно. Одна из групп – катодная, так как диоды соединены катодами, а вторая анодная. Питание на нагрузку подается от точек соединения анодов и катодов диодов. Обмотки допускается соединять треугольником или звездой.

Каждая группа вентилей устройства работает по принципу, подобному схеме прибора со средней точкой, на выходе среднее напряжение повышается в 2 раза.

Если рассматривать отличия двух последних схем, то в схеме со средней точкой нагрузочный ток создается фазным напряжением, в отличие от мостовой схемы, в которой ток нагрузки создается при воздействии линейного напряжения. Здесь нагрузочный ток проходит по двум диодам: одному с максимальным потенциалом анода по отношению к нулевой точке, другому – с минимальным потенциалом катода. Другими словами, в состоянии проводимости будут такие два вентиля моста, которые имеют максимальное линейное напряжение в сторону проводимости.

За один период напряжения осуществляется шесть коммутаций диодов, поэтому схема функционирует в шесть тактов. Такую схему называют шестиимпульсной. В результате выходное напряжение выпрямителя содержит шестикратные импульсы, однако угол проводимости отдельного диода равен углу 120 градусов.

График тока вторичной обмотки зависит от токов двух диодов, подключенных к этой фазе. Один из диодов состоит в анодной группе, а другой – в катодной. Выходной ток переменный, с промежутком между пульсациями 60 градусов, при закрытых двух диодах этой фазы. Подмагничивания сердечника в этой схеме нет.

Добавить комментарий