Выпрямительные устройства и их характеристики (стр. 1 из 2)
Выпрямительные устройства и их характеристики
1. Структурная схема и параметры выпрямителей
ВЫПРЯМИТЕЛЬ - это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.
Структурная схема выпрямителя
Трансформатор регулирует напряжение до необходимой величины.
Вентильная группа содержит элементы с односторонней проводимостью: выпрямительные диоды в неуправляемых выпрямителях и тринисторы - в управляемых выпрямителях.
Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.
Стабилизатор напряжения поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе Rн.
Существуют однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители.
2. Однофазные выпрямители. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяют три схемы:
1) однополупериодная;
2) двухполупериодная мостовая;
3) двухполупериодная трансформаторная (с выводом средней точки).
Однополупериодная схема - в которой ток проходит через вентиль только в течение одного полупериода переменного напряжения источника.
Двухполупериодные схемы - в которых ток проходит через вентильную группу в течение двух полупериодов переменного напряжения источника.
Рассмотрим соотношения параметров в выпрямителях при следующих допущениях:
1) Индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора и активное сопротивление его обмоток равны нулю;
2) Сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном равно бесконечности.
Однополупериодный однофазный выпрямитель
Временные диаграммы напряжений и токов:
Определим постоянную составляющую выпрямленного тока:
.Так как
, то 
.Но так как
, т.е. 
, то 
или
.Постоянная составляющая напряжения, выраженная через максимальное значение:
.Постоянная составляющая напряжения, выраженная через действующее значение:
Таким образом, в данной схеме максимальное напряжение на диоде
,т.е. напряжение на диоде в три раза больше, чем на нагрузке.
Среднее значение тока диода в этой схеме
.Величину пульсаций выпрямленного напряжения характеризуют коэффициентом пульсаций
,где U1m – амплитуда переменной составляющей напряжения, изменяющегося с частотой повторения импульсов, т.е. амплитуда первой гармоники.
Для однополупериодной схемы
, а 
.Недостатки схемы:
1) большое значение коэффициента пульсаций
;2) напряжение на нагрузке почти в 3 раза меньше, чем на диоде;
3) постоянная составляющая выпрямленного тока
значительно меньше тока 
во вторичной обмотке трансформатора, что приводит к его недостаточному использованию по току.Двухполупериодная мостовая схема
I0 в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме. Поэтому:
; 
;Частота выпрямленного тока в 2 раза больше, чем у сети.
.Двухполупериодная схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора
Это фактически сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включенных на нагрузочный резистор Rн в различные фазы.
Соотношения параметров в данной схеме такие же, как и в мостовой схеме.
Преимущества двухполупериодных выпрямителей по сравнению с однополупериодным:
Среднее значение выпрямленных тока и напряжения в 2 раза больше, а пульсации меньше.
Но двухполупериодные выпрямители имеют более сложную конструкцию и стоимость.
Сравнение двухполупериодных схем:
1) Мостовая схема конструктивно проще, ее габариты, масса и стоимость ниже, чем трансформаторной схемы.
2) Максимальное обратное напряжение на закрытых диодах в мостовой схеме в 2 раза меньше (на каждый из двух диодов приходится половина напряжения).
3) Но в мостовой схеме необходимо в 2 раза больше диодов.
При выпрямлении токов I >Iпрmax для одного диода параллельно включают однотипные диоды с добавочными сопротивлениями:
Величины токов определяются их сопротивлениями в прямом направлении. Но сопротивления диодов в прямых направлениях Rдпр даже для однотипных диодов различны. Для выравнивания токов диодов последовательно включают добавочные сопротивления. Причем Rд в 5…10 раз больше Rдпр.
При выпрямлении напряжения, превышающего максимально допустимое для диода Uобр.max, используют последовательное соединение диодов, шунтированных резисторами.
При этом обратное напряжение на диодах распределяется в соответствии с их обратными сопротивлениями Rд.обр. Для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы Rш, величина которых равна:
Rш=(0,1…0,2) Rд.обр.
3. Сглаживающие фильтры
Схемы, принцип действия, параметры и характеристики
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ).
Снижение пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания
,где Kп и Kп’ – коэффициенты пульсаций до и после фильтра.
Основными требованиями к сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.
У индуктивного элемента
, а у емкостного элемента 
,где k – номер гармоники.
Поэтому индуктивность устанавливают последовательно, а емкость – параллельно нагрузке.
Емкостной фильтр
Конденсатор заряжается до напряжения U2, когда U2 > Uс (интервал t1 – t2). В течение интервала времени (t2 – t3) напряжение Uс > U2 – диод закрыт, а конденсатор разряжается через резистор Rн с постоянной времени
.С момента времени t3 Uс < U2 – конденсатор заряжается и т.д.
То есть, когда диод пропускает ток конденсатор заряжается, а когда к диоду приложено обратное напряжение – конденсатор разряжается на нагрузку Rн.
Индуктивный фильтр
В течение положительного полупериода напряжения u2, когда ток i нарастает, индуктивная катушка Lф запасает энергию, а в отрицательный полупериод – энергия расходуется на поддержание тока.
Длительность импульсов тока iн определяется постоянной времени
. Чем больше индуктивность Lф, тем больше затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления 
. Падает и среднее значение тока.Обычно индуктивность Lф в однополупериодных схемах не применяют, а используют в двухполупериодных: