Среднее значение выпрямленного напряжения – Маломощные однофазные выпрямители

Содержание

Маломощные однофазные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

 Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным  было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент  полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из  диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и  . Поскольку Ud считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;  

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив   получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

elenergi.ru

1.2. Неуправляемые выпрямители трехфазного тока

За исключением
случаев, когда единственно возможным
источником питания является сеть
однофазного переменного тока, питание
постоянным током потребителей средней
и большей мощности производится от
трехфазных выпрямителей. При выпрямлении
трехфазного переменного тока достигается
лучшее качество выпрямленного напряжения
за счет снижения амплитуды пульсаций.
Напряжение трехфазных выпрямителей
легче подвергается сглаживанию, так
как частота пульсаций здесь существенно
выше, чем в однофазных выпрямителях.
Облегчающим фактором в построении
выпрямительных установок рассматриваемого
диапазона мощностей служит и меньшая
загрузка вентилей трехфазных схем по
току и напряжению. Из выпрямителей
трехфазного тока находят применение
две основные схемы выпрямления –
трехфазная с нулевым выводом и трехфазная
мостовая.

Трехфазный
выпрямитель с нулевым выводом обмотки
трансформатора

В схему трехфазного
неуправляемого выпрямителя с нулевым
выводом входит трансформатор со
вторичными обмотками, соединенными
звездой. Первичные обмотки соединяются
звездой или треугольником. Выводы
вторичных обмоток связаны с анодами
трех вентилей. Нагрузка подключается
к общей точке соединения катодов вентилей
и нулевому выводу вторичных обмоток.
Принцип действия иллюстрируется
временными диаграммами

на рис.1.5. На рис.
1.5
б показана
трехфазная система вторичных напряжений
трансформатора относительно нулевой
точки (фазные напряжения Е,
Е,
Е).
В силу того, что нагрузка подключена к
нулевому выводу вторичных обмоток и
общей точке соединения катодов вентилей,
последние способны проводить ток только
при положительной полярности вторичных
напряжений.

Рис.
1.5. Выпрямление трехфазного тока с
нулевым выводом, когда первичная
обмотка соединена в треугольник

Однако в открытом
состоянии может находиться только
тот из вентилей, для которого фазное
напряжение по отношению катода выше,
чем у двух других. Каждый из непроводящих
вентилей будет заперт обратным
напряжением, равным разности напряжений
его фазы и фазы проводящего вентиля.
Таким образом, интервал проводимости
каждого вентиля составляет угол равный
2/3.
Открытый вентиль подключает напряжение
соответствующей фазы к нагрузке. В
результате на ней действует однополярное
пульсирующее напряжение Ud,
представляющее собой участки фазных
напряжений Еа, Ев, Ес (рис.1.5 б, в).

При чисто активной
нагрузке кривая ее тока Id=Ud/Rd
имеет ту же форму, что и напряжение, Ud
(рис.
1.5, в).
Указанной очередности отпирания вентилей
соответствуют кривые анодных токов,
показанные на рис.1.5,
в.

Среднее значение выпрямленного напряжения находят по площади анодных напряжений на рис. 1.5, в

(1.32)

где


— действующее
значение фазного напряжения на вторичной
обмотке трансформатора.

Из рис.1.5 находим

(1.33)

Среднее (за период) значение тока через вентиль будет равно

(1.34)

Максимальное
значение тока через вентиль
связано со средним значениемId

(1.35)

Обратное
напряжение на вентиле в данной схеме
определяется междуфазным линейным
напряжением вторичных обмоток, поскольку
неработающий вентиль присоединен анодом
к одной из фаз, а катодом через другой
работающий вентиль к другой фазе,
вторичной обмотке трансформатора.
Мгновенное значение междуфазного
напряжения соответствует ординатам
заштрихованной площади на рис. 1.5,б. По
ним построена линейная диаграмма
обратного напряжения на вентиле (рис.
1.5,г).

Максимум обратного
напряжения равен амплитуде междуфазного
напряжения

(1.36)

По выражениям
(1.34), (1.35) и (1.36) выбирается вентиль.

Действующее
значение напряжения вторичной обмотки
определяется по выражению (1.34). Действующее
значение тока в этой обмотке можно
подсчитать, пренебрегая пульсациями
тока (что не вносит заметной ошибки),
т.е. в предположении, что ток вентиля, а
следовательно, и ток вторичной обмотки
трансформатора изменяется по прямоугольнику
с высотой Id.

Тогда

.
(1.37)

Действующее
значение тока превосходит среднее
значение этого тока в
раз.

При рассмотрении
первичных токов необходимо учитывать
схему соединения первичной обмотки.

При
соединении первичной обмотки в звезду

При
соединении
первичной
обмотки в звезду (рис. 1.6, а.) закономерность
получается несколько иной в силу того,
что ток, проходящий по одной фазе, связан
через нулевую точку с токами в других
фазах.

Рис.1.6.
Характеристики выпрямителя трехфазного
тока с нулевым выводом, когда первичная
обмотка соединена в звезду

Действительно,
в каждый момент токи в узле (нулевой
точке) связаны уравнением

,
(1.38)

из
которого следует, что ток одной из фаз
по необходимости вызывает токи и в
других фазах первичной обмотки, хотя
вторичные обмотки этих фаз токов не
пропускают.

Для
того, чтобы найти токораспределение в
первичных обмотках при протекании тока
в одной из вторичных обмоток, воспользуемся
дополнительно к (1.38) уравнениями ,
характеризующими баланс магнитодвижущих
сил (МДС) по замкнутым магнитным контурам,
или уравнениями для токов, характеризующими
эти МДС при равенстве чисел витков.

Так,
начиная рассмотрение с той трети периода,
когда ток проходит по фазе вторичной
обмотки а, как это показано на рис. 1.6,а,
обходя один раз по магнитному контуру,
включающему сердечник А и В, а в другом
случае по контуру, включающему сердечник
В и С, при равенстве числа витков можем
получить два уравнения для витков

(1.39)

Совместное решение
(1.38) и (1.39) для рассматриваемой трети
периода дает токи в фазах первичной
обмотки

(1.40)

Из
(1.39) следует, что первичная обмотка,
соответствующая нагруженной вторичной
обмотке, пропускает в положительном
направлении 2/3 нагрузочного тока
(приведенного к первичной обмотке), в
то время как две другие фазы пропускают
в отрицательном направлении в
рассматриваемую 1/3 периода по 1/3 от
нагрузочного тока (рис. 1.6,б). В следующие
две трети периода токораспределение
повторяется для двух других фаз. Изменение
первичных токов в фазах А и В изображены
на (рис.1.6,в
и г).

Найденное
токораспределение сказывается на
потокораспределении в магнитной системе
трансформатора. При прохождении тока
на первом сердечнике получается небаланс
в 1/3 от полной МДС, причем избыточная
МДС создается током вторичной обмотки.
На двух других сердечниках в эту же
треть периода также создается небаланс
в 1/3 от полной МДС. В следующей 2/3 периода
нескомпенсированность повторяется за
счет токов в фазах В и С.

При
соединении первичной обмотки в треугольник

Рис.1.7. Выпрямление
трехфазного тока с нулевым выводом,
когда первичная

обмотка
соединена в треугольник

Ток
в каждой из фаз этой обмотки может
протекать независимо от токов в других
фазах (рис. 1.7, а), первичный ток может
быть определен, исходя из принципа,
который был установлен для однополупериодного
выпрямления (рис. 1.2), т.е. путем исключения
постоянной составляющей из полного
тока, проходящего через вентиль
(предполагается, что трехфазный нулевой
выпрямитель состоит из трех однополупериодных
однофазных преобразователей).

Это
приводит к диаграмме первичного тока
(рис. 1.7, д,е,ж), построенной по диаграмме
вентильного тока путем перенесения оси
кривой тока на величину постоянной
составляющей

Нескомпенсированные
МДС создают в каждую треть периода
однонаправленный во всех трех сердечниках
магнитный поток (рис. 1.7,д,е). Этот поток
замыкается от ярма к ярму через воздух
и кожух трансформатора. Однонаправленный
поток появляется при любом соединении
первичной обмотки. Разница заключается
в том, что при соединении обмотки в
треугольник этот поток неизменен во
времени, так как не скомпенсированными
оказываются только постоянные составляющие
токов во вторичных обмотках, а при
соединении первичной обмотки в звезду
однонаправленный поток пульсирует так
же, как и анодные токи, поскольку пульсации
тока также нескомпенсированы полностью
на сердечниках. Пульсации потока имеют
трехкратную частоту. Наличие
однонаправленного потока в сердечниках
приводит к необходимости увеличения
сечений этих сердечников.

Действующее
значение первичного фазового тока
определяется, исходя из прямоугольной
кривой этого тока. Для обеих схем получаем

(1.41)

При треугольнике
нужно знать значение линейного тока.
Кривая этого тока построена на рис.
1.7,з по разности токов в фазах А и В (рис.
1.7,е,ж).

При
пренебрежении пульсациями действующее
значение линейного тока равно

(1.42)

Расчетная мощность
вторичной обмотки трансформатора

(1.43)

studfiles.net

мир электроники — Расчет выпрямителей напряжения

Основы электротехники

 материалы в категории

Выпрямители относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока.
Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее так как назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения

 

Действующее значение входного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

Коэффициент пульсаций

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.


В бытовой технике однолупериодные выпрямители применяются в основном в импульсных источниках питания: из-за большой рабочей частоты (около 15 кГц а иногда и выше) пульсации не столь чувствительны и их легче сгладить.

Двухполупериодный выпрямитель

Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора

 


Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

Uср = 0.9Uвх
Uвх = 1.11Uср
Iср = 0.9Uвх/Rн
I2 = 0.78Iср
p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения Uср и Iср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

Мостовая схема выпрямителя

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.
Положительный момент в схеме- не нужен трансформатор со средней точкой.

Трехфазный выпрямитель

Трехфазные выпрямители так-же делятся на однополупериодные и двухполупериодные: вот схемы:

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

ниже показаны диаграммы трехфазного однополупериодного выпрямителя


Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения Uср = 1.17Uвх, обратное напряжениеUобр.max = 2.1Uср, коэффициент пульсаций 0.25.

Двухполупериодный трехфазный выпрямитель

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно: Uср = 2.34Uвх, Uобр.max = 1.05Uср, p = 0.057. Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за несимметричности фазных питающих напряжений.

Примечание: сайт-источник naf-st.ru

НАШ ФОРУМ

 

 

radio-uchebnik.ru

4.10. Выпрямление переменного тока и напряжения

Рассмотрим работу нескольких простейших выпрямителей

Работа однополупериодного выпрямителя на r-нагрузку

Пусть дана схема (рис. 4.47), вольтамперная характеристика диода (рис. 4.48) и напряжение источника u(t) = Um sint. Поставим задачу: определить ток в цепи и напряжение на нагрузке. Используем графический метод для расчета тока.

Графические построения просты и понятны (рис. 4.48). При синусоидальном напряжении источника ток в цепи несинусоидален. Видно, что ток однополярен. Если этот ток умножить на сопротивление (r), то получим напряжение на нагрузке. Если пренебречь заштрихованной площадкой то в интервале (p – 2p) ток будет равен нулю (рис. 4.49).

Определим среднее значение выпрямленного тока:

.

Для сравнения, среднее значение синусоидального тока равно:

.

Действующее значение выпрямленного тока равно:

.

Видно, действующее значение выпрямленного тока в раз меньше, чем переменного тока.

С принятыми допущениями КПД этого выпрямителя равен:

,

где

.

Тогда окончательно:

Работа однополупериодного выпрямителя на rL-нагрузку

Введем в цепь индуктивность (рис. 4.50) и решим ту же задачу.

Дано: u = Um sinwt, L, r, BAX. Определим ток i., и напряжение ur.

Применим метод кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0. В этот момент диод открывается и его сопротивление становится равным нулю.

Задача решается так же, как и при расчете переходного процесса.

Решение здесь приводить не будем, дадим только конечное выражение для тока:

.

Первое слагаемое в этом выражении – свободная составляющая, а второе слагаемое – принужденная составляющая, которая считается по схеме замещения (рис. 4.51) комплексно-символическим методом. Постоянную интегрирования А найдем из начальных условий:

.

Откуда:

.

Выражение для тока примет вид:

,

где p = -r/L.

Построим этот ток (рис. 4.52, штриховая линия). Решение для тока справедливо пока ток больше нуля i(t) > 0. При возрастании индуктивности (рис. 4.53) ампер-секундная площадка не изменяется, а только деформируется.

Использование L-элемента в однополупериодном выпрямителе для улучшения качества выпрямленного тока позволяет уменьшить коэффициент амплитуды Ка, но не обеспечивает идеальное выпрямление переменного тока.

Работа однополупериодного выпрямителя на rC-нагрузку

Введем в схему однополупериодного выпрямителя емкость С, включенную параллельно нагрузке (рис. 4.54). Расчет также начнем с момента отпирания диода. Применим метод кусочно-линейной аппроксимации.

Пусть в некоторый момент времени t1 рабочая точка на характеристике диода переходит в первый квадрант, выполняется условие: ja>jк.

Сопротивление диода становится равным нулю: .

Напряжение источника становится равным напряжению на конденсаторе и на нагрузке:

.


Ток равен:

В цепях с конденсатором при первом включении на напряжение наблюдается некорректная коммутация, которая сопровождается скачками тока больших величин. Если С > 1000 мкФ выпрямитель необходимо защищать от этих скачков.

В момент времени, когда входное напряжение достигает максимальной величины:

,

потенциал катода становится больше потенциала анода: jк > jа. При этом ключ (диод) размыкается. Разряд конденсатора можно описать уравнением (рис. 4.55):

.

зряд будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе будет больше входного напряжения: uc(t) > u(t). Влияние величины емкости на скорость разряда конденсатора показано на (рис. 4.56). Использование ёмкостного элемента, включенного к нагрузке однополупериодного выпрямителя, позволяет обеспечить сглаживание выпрямленного напряжения и выполнить поставленную задачу в определенном диапазоне нагрузок.

Схемы однофазных выпрямителей

Рассмотрим наиболее распространенные схемы однофазных выпрямителей.

1.

Двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.57).

Дано: напряжение , сопротивление Rн, диоды 1, 2, 3, 4 и их вольтамперные характеристики.

Требуется определить Uн и iн.

Проанализируем цепь методом кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0.

Приверхний зажим становится положительным. Образуется контур протекания тока. Отпираются диоды 1 и 2. Напряжение на нагрузке равно:

При входное напряжение становится меньше нуля: .Диоды 1 и 2 запираются, а 3 и 4 отпираются. Напряжение на нагрузке становится равным:

.

В дальнейшем процессы повторяются. Временные диаграммы приведены на (рис. 4.58).

Проанализируем воздействие С – эле­ментов на кривые выходного напряжения (рис. 4.59). При двухполупериодном выпрямлении качество выпрямленного напряжения можно обеспечить меньшими значениями реактивных элементов. Главным недостатком этого выпрямителя является то, что уровень выпрямленного напряжения зависит от входного напряжения.

2.

Этого недостатка нет в схеме (рис. 4.60), так как с помощью трансформатора можно получить любое напряжение на вторичной обмотке изменением коэффициента трансформации.

Коэффициент трансформации равен:

.

Выбирая КТ, можно сформировать любое U2:

Процессы в схеме (рис. 4.60) полностью аналогичны предыдущей (рис. 4.57), там, где были включенными диоды 1 и 2, здесь будет включен диод 1.

С помощью трансформаторного элемента входная цепь с напряжением U1 гальванически развязывается с выходной цепью с напряжением Uн.

Если какую-то точку выходной цепи соединить с землей, то тогда электромагнитный импульс, поступивший во входную цепь, не приведет к перераспределению потенциалов в выходной цепи. Электромагнитным импульсом может быть грозовой разряд, сварочная дуга, внезапные короткие замыкания в цепи или обрывы.

Электромагнитный импульс распространяется без проводов и наводится в электрическую цепь благодаря реактивным элементам.

Схемы трехфазных выпрямителей

Рассмотрим однополупериодный трехфазный выпрямитель (рис. 4.61). Исходная информация для расчетов задается аналогично.

Дано: входное фазное напряжение , сопротивление нагрузки Rн, диоды 1, 2, 3 и их ВАХ.

Определить напряжение нагрузки uн.

Расчет этого выпрямителя начнем с момента времени . С этого момента при напряжение больше всех остальных напряжений, поэтому напряжение нагрузки равно:

.

С момента времени напряжение больше всех остальных. Поэтому напряжение нагрузки равно:

.

Дальнейшие расчеты понятны, а временная диаграмма показана на (рис. 4.62). Кривая выходного напряжения однополярна, она колеблется от амплитудного значения до его половины. Этим напряжением уже можно питать такие нагрузки, как двигатель постоянного тока, у которого наблюдается малая зависимость скорости вращения от коэффициента пульсаций.

Рассмотрим трехфазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.63, схема Ларионова).

Схема (рис. 4.63) работает аналогично предыдущей (рис. 4.61).

В интервале точек 1 – 2 (рис. 4.64) кривая напряжения uc инвертируется. Поэтому выходное напряжение uн имеет еще меньший коэффициент пульсаций по сравнению со схемой (см. рис. 4.62).

Для большинства общетехнических установок эта кривая удовлетворяет стандартам и не требует дополнительной фильтрации.

Качественные показатели выходного напряжения выпрямителей

Главным показателем качества выходного напряжения является коэффициент пульсаций, который равен отношению разности максимального и минимального значений выходного напряжения к его номинальному значению:

.

Следующим показателем является коэффициент искажения, который равен отношению действующего значения напряжения первой гармоники к действующему значению напряжения:

.

Коэффициент гармоник оценивает содержание высших гармоник в напряжении и равен отношению всех высших гармоник к основной гармонике:

Коэффициент полезного действия:

.

Коэффициент мощности:

Мощность искажения:

.

electrono.ru

Основные характеристики выпрямителей:

29

Основными характеристиками выпрямителей
являются:

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
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. Различаюткоэффициент пульсаций на входе фильтра
(p0 %)
икоэффициент пульсаций на
выходе фильтра (p %).
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 k с = p0 / p.
Для многозвенных фильтров коэффициент
фильтрации равен произведению
коэффициентов фильтрации отдельных
звеньев.

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

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной
бытовой сети выполняются по 3 основным
схемам: однополупериодной, двухполупериодной
с нулевой точкой (или просто-
двухполупериодной), двухполупериодной
мостовой(или просто –мостовой, реже
называется как “схема Герца”),. Для
многофазных промышленных сетей
применяются две разновидности схем:
Однополупериодная многофазная и схема
Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные
схемы выпрямителей. Основные показатели,
характеризующие схемы выпрямителей
могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему выпрямителю в
целом: U0 -напряжение постоянного тока
до фильтра, I0 – среднее значение
выпрямленного тока, p0 – коэффициент
пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор выпрямительного
элемента (вентиля): Uобр – обратное
напряжение (напряжение на выпрямительном
элементе (вентиле) в непроводящую часть
периода), Iмакс – максимальный ток
проходящий через выпрямительный элемент
(вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор трансформатора: U2
– действующее значение напряжения на
вторичной обмотке трансформатора, I2 –
действующее значение тока во вторичной
обмотке трансформатора, Pтр – расчетная
мощность трансформатора.

studfiles.net

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ — Студопедия.Нет

Для расчета трансформатора, предназначенного для питания ртутного выпрямителя, в числе прочих основных параметров задается среднее значение выпрямленного напряжения . Исходя из этого значения, для расчета обмоточных данных трансформатора требуется определить его вторичное (фазное) напряжение U Соотношение между значениями U2a и Ud будет различным в зависимости от числа фаз и выбранной схемы.

Рис. 8.14. График выпрямленного напряжения при трехфазной схеме для расчета вторичного фазного напряжения

Возьмем для примера трехфазный трансформатор и определим для него соотношение между переменным и выпрямленным напряжениями.

График выпрямленного напряжения при трехфазной схеме изображен на рис. 8.14.

Момент амплитуды  фазы А выберем за начало координат. Тогда в любой момент t периода (2 ) мгновенное значение вторичного напряжения фазы А

.

Как видно из графика (см. рис. 8.14), напряжение в фазе А поддерживается в промежутке времени от  до , т. е. длительностью , или  периода. Очевидно, что среднее значение выпрямленного напряжения 0в будет равно средней ординате кривой на данном участке

Полученное соотношение справедливо для трехфазной схемы (число фаз т = 3).

Нетрудно видеть, что для другого числа фаз формула может быть представлена в следующем общем виде

,

отсюда

при m=2 UB=0.9 U

при m=6 UB=1.35 U.

ТИПОВАЯ МОЩНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ПИТАНИЯ РТУТНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ


Благодаря поочередной работе фаз вторичной обмотки трансформатора, питающего ртутный выпрямитель (см. § 8.9), его типовая мощность увеличивается по сравнению с силовым трансформатором на ту же номинальную мощность.

Рассмотрим, как наиболее простую, схему двухполупериодного выпрямления (см. рис. 8.9).

Вторичный ток I2 течет поочередно в каждой половине обмотки в течение полупериода.

Сечение провода вторичной обмотки следует определять по действующему значению некоторого непрерывного тока I, который по выделяемым в обмотке потерям был бы эквивалентен прерывистому току I2. Таким образом, можно написать равенство

где r2— сопротивление вторичной обмотки;

½ — коэффициент, учитывающий прохождение тока I2 в течениеполупериода.

Отсюда , т. е. эквивалентный ток, который является расчетным током для вторичной обмотки, будет в  раз меньше тока I2. Но так как обмотка состоит из двух половин, то на вторичную обмотку при той же плотности тока должно быть израсходовано в 2/ = раз больше провода, чем для силового трансформатора той же мощности и, следовательно, сам трансформатор должен иметь большую типовую мощность.

Причина увеличения типовой мощности, таким образом, заключается в неодновременности загрузки обеих частей обмотки током.

Аналогичным образом можно показать, что в общем случае при любом числе фаз т расчетный ток для каждого участка обмотки будет составлять .

По этой же причине для числа фаз, равном двум и более, и первичная обмотка будет иметь несколько увеличенный расход меди.

Для наиболее употребительных схем выпрямления коэффициенты увеличения типовой мощности приведены в табл. 8.3



Таблица 8.3

Число фаз

Схема соедтнения обмоток

Мощность

Р2 Р1 РТ
3 1,71 РВ 1,21 РВ 1,46 РВ
6 1,79 РВ 1,05 РВ 1,42 РВ
6 1,48 РВ 1,05 РВ 1,26 РВ

Здесь Р2 Р1и Рт — мощности вторичной и первичной обмоток и типовая соответственно; Рв — мощность выпрямленного тока.

Кроме указанного в таблице увеличения типовой мощности, происходящего вследствие неодновременной нагрузки фаз, типовая мощность должна быть еще более увеличена по следующим соображениям;

Для вторичной обмотки применяют провода с усиленной витковой изоляцией ввиду возможных возникновений внутренних перенапряжений от обрывов дуги и от обратных зажиганий. Одновременно из условий нагрева, связанного с перегрузочными режимами, берется большее сечение провода.

Большее сечение провода берется также исходя из соображений механической прочности ввиду того, что обратные зажигания вызывают большие токи в обмотках, а следовательно, и большие механические усилия.

По этой же причине применяется большее число прокладок по окружности обмоток и большая их ширина (50 мм).

Дополнительное увеличение типовой мощности по этим причинам составляет 10—15%.

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

В ряде случаев, например в радиотехнике, необходимо иметь по возможности полностью выпрямленный ток, т. е. с минимальной пульсацией. В этих случаях применяют так называемые фильтры, сглаживающие пульсацию выпрямленного напряжения.

Фильтр состоит из одной или нескольких ячеек, заключающих в себе емкости и индуктивности (фильтровые реакторы) (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Схема сглаживающего фильтра с двумя ячейками

Количество ячеек и значения емкостей С и индуктивностей L, выбираются исходя из заданного коэффициента qC сглаживания пульсации выпрямленного напряжения, определяемых по формуле

где L — индуктивность реактора, гн

С — емкость конденсатора фильтра, мкф;

m — число фаз выпрямителя;

qc= Uвх/ Uвых— коэффициент сглаживания;

Uвх и Uвых — амплитуды переменной составляющей на входе и выходе фильтра, в.

В фильтрах теряется часть напряжения и расходуется некоторая мощность, вследствие чего наличие фильтров снижает общий к. п. д. выпрямительной установки.

Контрольные вопросы

  • Что называется автотрансформатором?
  • Что такое проходная и типовая мощности автотрансформатора?
  • Что ограничивает применение автотрансформаторов?
  • Как правильно располагать обмотки на стержнях магнитопровода автотрансформатора?
  • В каких случаях применяются трехобмоточные трансформаторы?
  • Как обозначаются вводы трехобмоточных трансформаторов?
  • В чем особенности расчета режимов нагрузки трехобмоточных трансформаторов?
  • Почему для выпрямления переменного тока предпочтительны многофазные схемы?
  • Почему типовая мощность выпрямительного трансформатора больше,чем у силового трансформатора, на ту же номинальную мощность?

ГЛАВА IX

studopedia.net

Среднее значение выпрямленного напряжения. Кратко об управляемых преобразователях. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

В этой статье мы разберем какие бывают выпрямители, для какой цели служат, в чем заключаются особенности того или иного выпрямителя. Если мы решаем собрать какое-либо устройство или просто необходимо запитать готовое, то мы можем использовать питание от гальванических элементов (батареек), либо воспользоваться для этих целей аккумуляторами. Но как быть, если радиоустройство не планируется носить с собой и оно потребляет значительный ток? В таких случаях запитывают устройство от сети 220 вольт.

Напрямую запитать от 220 вольт, разумеется, мы не можем, напряжение слишком высокое и ток переменный, а для питания электронных устройств почти всегда необходим постоянный ток и более низкое напряжение. Необходим так называемый сетевой адаптер
.

Фотография трансформатора

Чтобы определить дефектные транзисторы, возьмите один из них и выполните тесты, проверив их дефект. Обратите внимание на тип дефекта: короткий при размыкании или размыкании. Повторите тест с другими транзисторами. Характеристики биполярного транзистора.

Транзистор, являющийся очень универсальным компонентом, представляет несколько технических и конструктивных характеристик, которые должны быть известны пользователю. В этой главе будут изучены некоторые из этих характеристик. Идентификация терминалов. Идентификация клемм транзистора должна выполняться с помощью специальной инструкции или технической брошюры, поставляемой изготовителем или с аналоговым мультиметром. На следующем рисунке показано положение клемм транзистора, как показано в технической брошюре.

Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы поговорим в одной из следующих статей, пока нам достаточно знать, что с помощью трансформатора мы можем понизить или повысить напряжение при переменном токе. Далее нам необходимо сделать из переменного тока постоянный, для этих целей и служит выпрямитель. Существуют три основных типа выпрямителей.

С помощью аналогового мультиметра можно также идентифицировать терминалы и тип транзистора в идеальном состоянии, которое доступно. Таким образом, чтобы идентифицировать базу транзистора, следует помнить, что именно этот терминал по отношению к другим обеспечивает две симметричные меры: Характеристики биполярного транзистора.

Первоначально два низких сопротивления и, когда инвертируют полярности тестовых мостов, два высоких резистора. В противном случае необходимо выбрать другой терминал и выполнить новую последовательность измерений. Если в четырех сделанных измерениях не могут быть получены два симметричных измерения, это означает, что транзистор поврежден. Батареи омметра в основании и отрицательного полюса в любом из двух других терминалов.

Однополупериодный выпрямитель

Этот выпрямитель работает только в течение положительного полупериода синусоиды. Это можно видеть на следующем графике:

На выходе после диода мы получаем пульсирующее напряжение, нам нужно сделать из него постоянное, то есть из пульсирующего тока получить постоянный. Для этих целей служит электролитический конденсатор большой емкости, подключенный параллельно выходу питания в соответствии с полярностью. На фотографии ниже можно увидеть внешний вид подобного конденсатора:

Биполярное транзисторное тестирование Существуют устройства, специально разработанные для тестирования транзисторов. Тест выполняется так же, как с диодом, то есть. Во-первых, идентифицируется тип транзистора. После идентификации тест выполняется, как показано на следующем рисунке.

Поэтому для целей тестирования транзистор можно рассматривать как два диода, соединенных в оппозиции. Из этих данных можно утверждать, что: тестирование транзистора — проверка короткого замыкания или разрыва между каждой парой терминалов. Полярность, показанная на пробах на следующих рисунках, соответствует фактической полярности прибора, то есть черному зонду и красному зонду. Испытание на совместное открытие С положительным потенциалом, приложенным к основанию, прибор должен указывать на непрерывность между базовым коллектором и базовым эмиттером.

Такой конденсатор благодаря большой емкости разряжается в течении отрицательного полупериода синусоиды. Обычно для фильтрации напряжения в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы от 2200 микрофарад. В усилителях и других устройствах, где важно чтобы напряжение не проседало при увеличении мощности нагрузки, ставят конденсаторы на большую емкость, чем 2200 микрофарад. Для устройств питающих бытовую аппаратуру обычно конденсаторов такой емкости бывает достаточно. На следующем графике (выделено красным), мы можем видеть, как конденсатор поддерживает напряжение стабильным во время прохождения отрицательной полуволны.

В этом признаке можно утверждать, что открытого соединения нет. Если имеется открытое соединение, прибор будет показывать чрезвычайно высокое или бесконечное сопротивление. Проверка короткого замыкания на стыках Полярность, применяемая к «диодам», такова, что они должны блокировать их, что указывает на высокое сопротивление. Если это произойдет, можно сказать, что между базовым коллектором и базовым эмиттером нет коротких замыканий.

Если есть короткое соединение, прибор будет показывать низкое сопротивление. Для проверки условий между клеммами коллектор-эмиттер поступайте, как показано ниже. Этот тест должен иметь высокое сопротивление при обоих измерениях. Металлические детали зондов не следует трогать, чтобы избежать ошибок при тестировании. Общие дефекты в транзисторах Соединители базового коллектора и базового эмиттера в испытаниях рассматриваются как диоды. Таким образом, они должны указывать проводимость в одном направлении и фиксировать в другом, когд

master-electrician.ru