Выпрямители переменного напряжения. Реферат. Физика. 2011-11-19

Министерство
образования и наук Республики Казахстан

Казахский
национальный аграрный университет

Реферат

На
тему: Выпрямители переменного напряжения

Алматы
2021

1. Однофазные выпрямители

Выпрямителями называют электронные устройства
для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Их относят ко вторичным источникам питания в отличие от генераторов,
аккумуляторов, которые называют первичными. Однофазные выпрямители  применяют
на малые и средние мощности. Выпрямитель в общем случае содержит: трансформатор
Т (для согласования напряжения сети U1 с требуемым напряжением нагрузки Uн и
устранения электрической связи между цепью переменного и постоянного тока);
вентильную группу (для преобразования переменного тока в однонаправленный
выпрямленный); сглаживающий фильтр (для уменьшения пульсаций Uн); стабилизатор
постоянного напряжения. Основным узлом является вентильная группа (кремниевые,
реже германиевые диоды, выпрямительные блоки), остальные узлы могут отсутсвовать.
Для упрощения анализа вентили будем считать идеальными ( Rпр=0; Rобр= ¥
).

Схема любого выпрямителя содержит 3 основных
элементов:

Силовой трансформатор – устройство для понижения
или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий
одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в
пульсирующее.

Фильтр – для сглаживания пульсирующего
напряжения.

.1 Классификация выпрямителей

По схеме выпрямления – однополупериодные,
двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и
др.

По типу выпрямительного элемента – ламповые
(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

По величине выпрямленного напряжения – низкого
напряжения и высокого.

По назначению – для питания анодных цепей, цепей
экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов,
для зарядки аккумуляторов и др.

Однополупериодный выпрямитель состоит из
трансформатора Т, к вторичной обмотке которого последовательно подключены
вентиль VD и нагрузочный резистор Rн. Работа выпрямителя показана с помощью
временных диаграмм. В первый полупериод (интервал времени 0 … T/2) вентиль
будет открыт, т.к. потенциал точки a
выше потенциала точки b , и в цепи нагрузки возникает ток Iн. В интервале
времени T/2 … T вентиль закрыт, ток в нагрузке отсутствует, а к запертому
вентилю прикладывается обратное напряжение. Нагрузка находится под напряжением
только полпериода за каждый период, среднее напряжение Uн.ср. в 2.22 раза
меньше U2. Данная схема имеет существенные недостатки: сильная пульсация
выпрямленного напряжения, плохое использование трансформатора ( ST = 3.5Pн ) и
вентилей (кu = Uобр.max / Uн.ср.= p). Применяется при
малых токах и высоких напряжениях нагрузки.

Выпрямитель с выводом средней точки
трансформатора. Напряжения вторичных полуобмоток u21, u22 сдвинуты по фазе
относительно средней точки трансформатора на 180°. При
указанной без скобок полярности напряжений u21, u22 к вентилю VD1
прикладывается прямое напряжение ( плюс на анод, минус на катод ), и вентиль
открыт. Ток вентиля id1 замыкается через нагрузку Rн и верхнюю полуобмотку
трансформатора. Вентиль VD2 в это время находится под обратным напряжением (
Uобр.max = 2U2m ) и ток не пропускает. Во второй полупериод (T/2…T) из-за
изменения полярности напряжения u2 открывается вентиль VD2 и к нагрузке
прикладывается напряжение нижней полуобмотки. Затем снова работает VD1 и т.д..
Напряжение нагрузки представляет собой следующие друг за другом положительные полусинусоиды.
Недостаток: плохо используется вторичная обмотка трансформатора (работает лишь
одна  половина , Sт = 1.48Pн ).

В мостовом выпрямителе четыре вентиля включены
мостом, в одну диагональ которого подается питающее напряжение u2, а в другую –
нагрузка Rн. Каждая пара вентилей (VD1, VD3 и VD2 , VD4) работает поочередно. В
первый полупериод (интервал 0 … T/2) открыты вентили VD1 и VD3, т.к.
положителен потенциал на анодах. Ток проходит через VD1, Rн, VD3, T. В этом
интервале вентили VD2 и VD4 закрыты. В следующий полупериод (T/2…T) потенциал
точки b выше потенциала точки a, будут открыты
вентили VD2 и VD4, а VD1 и VD3-закрыты. В оба полупериода ток и напряжение
нагрузки имеют одинаковое направление. Эта схема применяется наиболее широко
для установок средней и малой мощности, т.к. лучше используются
трансформатор    ( Sт=1.23Pн ) и вентили ( кu= p/2 ).

.3 Основные параметры выпрямителей

Номинальное напряжение постоянного тока –
среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями.
Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или
отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для
питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее
значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная
техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей
питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети – напряжение сети
переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения
для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация – переменная составляющая напряжения
или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций – частота наиболее резко
выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе
выпрямителя. Для самой простой -однополупериодной схемы выпрямителя частота
пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и
схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной
частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций,
зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды
наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на
выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают
коэффициент пульсаций на входе фильтра (
% ) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (
%). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются
характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания)
– отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на
выходе фильтра . Для многозвенных
фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации
отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряжения на выходе
выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального.
При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения
сети.

2. Работа однофазной мостовой схемы выпрямления

.1 Неуправляемая схема выпрямления

Пусть имеем неуправляемую мостовую двухтактную
схему рис.1.

Рис.1. Двухполупериодная мостовая схема

Как видно из рис.1 вентили включаются так, что в
первом полупериоде ток протекает через
вентили 1 и 3, а во втором полупериоде ток протекает
через вентили 2 и 4.

Форма кривых выпрямленного, фазных и анодных
токов зависит от индуктивного сопротивления .
Кривые токов и напряжений при  приведены на осях
2,3,4,5 и 6 рис.2. Аналогично однотактной схеме имеем:

, .

Амплитуда обратного напряжения:

.

Ток вторичной обмотки трансформатора равен:

.

Поэтому действующие значения токов обеих обмоток
равны:

, .

Мощность первичной и вторичной обмоток, а также
типовая мощность трансформатора:

.

Рис.2. Кривые токов и напряжений двухтактной
схемы

Так как кривые анодных токов представляют
полусинусоиды, они содержат постоянные составляющие, первые гармоники и
гармоники с четными порядковыми номерами

Кривые токов при   приведены
на осях 7, 8 и 9 рис.2.

Действующие значения токов первичной и вторичной
обмоток при:

.

Мощность трансформатора:

.

Амплитуда анодного тока вентиля:

.

.2 Работа однофазной мостовой схемы с углом
регулирования

Диаграммы токов и напряжений на элементах будут
такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Отличие заключается только в том, что амлитуда
обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше,
чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет
характеризоваться следующими основными соотношениями:

Рис.3. Однофазный мостовой выпрямитель

При активной нагрузке работа схемы будет
характеризоваться следующими основными соотношениями:

среднее значение выпрямленного напряжения

;

максимальное значение обратного напряжения на
вентилях

;

максимальное значение тока вентиля

;

среднее значение тока вентиля

действующие значения токов, проходящих через
вентили и обмотки трансформатора

; ;
.

Однофазная мостовая схема, работающая с углом ,
имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном
двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.

Среднее значение выходного напряжения:

при активной нагрузке (рис.2, кривая 1):

,

где –
среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ;

при активно-индуктивной нагрузке, когда
или имеет такое значение, что выпрямленный ток   непрерывен
(рис.2, кривая 2):

.

Максимальные значения напряжений на вентилях:

при активной нагрузке:

, ;

при активно-индуктивной нагрузке:

, .

Максимальное значение токов вентилей при
активной нагрузке:

.

2.3 Активно-индуктивная нагрузка с углом
открытия больше нуля,

Наличие в цепи нагрузки индуктивности  существенно
изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы
выпрямителя нарастание тока  в нагрузке будет
происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени .

При наличии индуктивности выпрямленный ток
становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда
выпрямленное напряжение становится равным нулю.

При увеличении индуктивности или частоты
переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока
уменьшаются, а при значениях , равных 5-10 и
более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая,
когда или
().
В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного
напряжения выделяется на индуктивности ,
а постоянная – на сопротивлении .

Несмотря на то, что управляющие импульсы
поступают на вентили с задержкой на угол о
тносительно моментов их естественного включения (),
длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине
периода напряжения питающей сети.

При  ток
в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но
в отличие от схемы, работающей с углом ,
прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на
угол .
Сдвиг тока относительно напряжения на угол  приводит
к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных
участков, что вызывает снижение его среднего значения  (рис.4).

Рис.4. Диаграммы токов и напряжений
двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и ()

Учитывая, что форма выпрямленного напряжения
повторяется в интервале углов от  до
,
среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле:

Согласно (1) среднее значение выпрямленного
напряжения становится равным нулю при .
В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного
участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1, 2].

Регулировочная характеристика для
активно-индуктивной нагрузки показана на рис.5 кривая 2.

Рис.5. Регулировочные характеристики однофазного
двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при
активно-индуктивной нагрузке

Если величина невелика
и такова, что энергии, запасенной в индуктивности на
интервале, когда , оказывается
недостаточно для обеспечения протекания тока  в
течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше,
чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента,
определяемого углом . Такой режим
работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым
выпрямленным током (рис.6).

Рис.6. Диаграммы токов и напряжений
двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов

При одинаковых значениях угла α
среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет
больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного
участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе
выпрямителя на активную нагрузку.

Поэтому в режимах с прерывистым током
регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в
заштрихованной области, указанной на рис.5.

Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает
до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.

Очевидно, что чем больше угол α,
тем больше должна быть индуктивность ,
чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током .
Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах-схемы граничный режим
работы, называют критической.

При прерывистом токе и постоянной нагрузке
трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при
одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в
элементах схемы увеличивается.

Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с
широким диапазоном изменения угла ,
индуктивность обычно выбирают из
условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.

Граница перехода к непрерывному выпрямленному
току зависит от соотношения

,

характеризующегося углом

.

Пока   режим
непрерывен, а при   ток имеет
прерывистый характер. В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного
напряжения:

.

Ток вентиля в прерывистом режиме:

.

Из последнего выражения видно, что когда ,
ток ,
т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол   [1,
2].

Обозначив угол протекания тока через вентиль
равным и
подставляя в выражение

,

получим уравнение

,

дающее зависимость между углами и
.

Постоянная составляющая выпрямленного
напряжения:

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока в
обоих случаях:

.

.Достоинства мостовой схемы:

Может работать без трансформатора, если нас
устраивает входное напряжение.

 на 20% меньше  меньше
габариты и ниже цена.

В два раза меньше обратное напряжение для
диодов.

Недостатки мостовой схемы:

В два раза большее число диодов.

Падение напряжения в два раза больше, так как
последовательно с нагрузкой током обтекаются два диода.

Мостовая схема применяется при E2=10÷100
В.

. Сглаживающие фильтры

Как видно из рассмотренных выше схем
выпрямителей, выпрямленное напряжение (рис. 2, 3, 4) является пульсирующим
периодическим несинусоидальным напряжением. Оно может характеризоваться
коэффициентом пульсаций.

где Uн1m – амплитуда основной гармоники
выпрямленного напряжения;- постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Для питания радиоэлектронных схем и микросхем
желательно, чтобы коэффициент пульсации постоянного тока был порядка
10-4…10-7. Для достижения этой цели используют сглаживающие фильтры.

В качестве элементов сглаживающих фильтров
применяют конденсаторы и индуктивные катушки. У конденсаторов сопротивление
постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному
току уменьшается с ростом частоты. У индуктивных элементов сопротивление
постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току
увеличивается с ростом частоты.

При подключении конденсатора (емкостный фильтр)
параллельно нагрузочному устройству сопротивление фильтра для переменной
составляющей тока значительно меньше, чем для постоянной составляющей. Поэтому
в этом случае пульсации выпрямленного напряжения на нагрузочном устройстве
значительно уменьшаются.

При включении индуктивной катушки
последовательно с нагрузочным устройством падение напряжения на нагрузке от
переменной составляющей тока снизится, то есть пульсации выпрямленного
напряжения уменьшаются.

В данной работе исследуются три типа
сглаживающих фильтров: емкостный, Г – образный LC-фильтр и П – образный
CLC-фильтр (рис. 5), которые подключаются после выпрямителей (рис. 1).

Рис. 5. Схемы емкостного (а), Г – образного (б)
и П – образного (в) фильтров

В маломощных выпрямительных устройствах вместо
индуктивной катушки обычно включают резистор Rф. В таком фильтре Rф≈Rн

На рисунке 6 приведена схема однополупериодного
выпрямителя с емкостным фильтром и поясняющие работу фильтра временные
диаграммы.

Рис. 6. Схема (а) и временные диаграммы токов и
напряжений (б) однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром

В интервале времени t1…t2 конденсатор Сф
заряжается до амплитудного

значения напряжения U2m. С момента времени t2
напряжение u2 становится меньше напряжения на конденсаторе uc. При этом диод Д
запирается, а конденсатор Сф начинает разряжаться на нагрузочный резистор Rн.
Скорость разряда Сф определяется постоянной времени .
В момент времени t3 диод открывается и конденсатор начинает заряжаться вновь.
Таким образом, в резисторе Rн в отрицательные полупериоды напряжения u2 за счет
разряда Сф будет протекать ток iн, который определяется величиной uн (рис. 6б).
При выборе емкости Сф необходимо соблюдать условие

где fосн.гарм – частота тока основной гармоники.

Фильтры характеризуются коэффициентом
сглаживания

где Рвх и Рвых – коэффициенты пульсаций на входе
и выходе фильтра.

Зависимость Uн=f(Iн) называется внешней
характеристикой выпрямительного устройства с фильтром или без него. Эти
зависимости нелинейны, так как сопротивление открытого диода зависит от
величины тока.

При работе выпрямителя без фильтра часть
выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки
трансформатора Rтр и на прямом сопротивлении открытого диода Rпp. Следовательно,
с ростом тока нагрузки Iн увеличивается падение напряжения на этих
сопротивлениях, а напряжение на нагрузке Uн уменьшается (рис. 7, кривая 1).
Если в выпрямительном устройстве имеется фильтр, то зависимость Uн=f(Iн)
изменяется. Емкостному фильтру соответствует кривая 2, а Г – образному фильтру
– кривая 3, рис. 7.

Рис. 7. Внешняя характеристика выпрямителей

В режиме холостого хода (Iн = 0) при включении
фильтра выпрямленное напряжение Uн больше, чем напряжение Uoн в случае, когда
фильтры отсутствуют. Наклон внешней характеристики с Г-образным или П –
образным фильтром больше за счет увеличения падения напряжения на активном
сопротивлении катушки индуктивности.

ток выпрямитель напряжение

Литература

1.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых
преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.

.
Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита
полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000.
– 96 с.