3. Выпрямительные устройства

3.1. Определение и классификация выпрямительных устройств

Выпрямительное устройство – ВУ – это устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный (пульсирующий) ток, а также может выполнять функции регулятора напряжения, тока, мощности.

 

Обобщенная структурная схема ВУ.

 

                    R       R                 = 

                            

 

 

Рис.3.1. Обобщенная структурная схема

На рисунке показано:

ПИП – первичный источник питания;

ТР – трансформатор;

В – вентильная группа;

Ф – сглаживающий фильтр;

П – потребитель.

 

ВУ различают по:

1.     По типу вентилей:

-  Управляемые вентили;

-  Неуправляемые вентили;

-  Электронные вентили;

-  Ионные вентили;

-  п/п вентили.

2.     По реакции нагрузки на стороне потребителя:

-  Резистивная нагрузка;

-  Индуктивная нагрузка;

-  Емкостная нагрузка.

3.     По величине выходной мощности:

-  маломощные: Рвых ≤ 1000 Вт;

-  ВУ большой мощности: Рвых > 1000 Вт.

4.     По значения выходного напряжения:

-  Низковольтные: Uвых < 1000 В;

-  Высоковольтные: Uвых ≥ 1000 В.

5.     По частоте выпрямительного тока:

-  Промышленная сеть переменного тока: Fс = 50 Гц;

-  Сеть переменного тока повышенной частоты: Fс = 400 Гц, Fс = 1000 Гц;

-  Сеть переменного тока высокой частоты: Fс > 1000 Гц.

6.     По режиму работы:

-  Кратковременный;

-  Повторно-кратковременный;

-  Непрерывный;

-  Импульсный.

7.     По схеме выпрямления:

-  Однотактная;

-  Двухтактная;

-  Однофазная;

-  Многофазная;

-  Схема выпрямления с умножением напряжения.

 

3.2. Параметры выпрямительных устройств

3.2.1. Параметры трансформатора

Трансформатором называется электромагнитное устройство, преобразующее переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения, а также осуществляющее гальваническую развязку выходной цепи от ПИП.

 

Электрические параметры

-   Действующее значения напряжения первичных и вторичных обмоток трансформатора – U1, U2.

-   Действующее значения токов первичных и вторичных обмоток трансформатора – I1, I2.

-   Число фаз первичных обмоток m1 (обычно равно 1).

-   Число фаз вторичных обмоток m2 (обычно равно 2).

-   Мощность первичных обмоток:

                   S1 = m1I1U1.

-   Мощность вторичных обмоток:

              S2 = m2I2U2.

-   Габаритная мощность трансформатора:

              , если η = 100 % (обычно η = (0,7-0,93).

-   Коэффициент использования первичных обмоток трансформатора:

              ,
где Р0 – мощность на стороне потребителя ВУ.

-   Коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора: К2 = Р0/S2.

-   Коэффициент использования трансформатора: Ктр = Р0/Sтр.

 

3.2.2. Параметры вентилей

Рассмотрим параметры полупроводниковых вентилей.

1.     Среднее значение тока через вентиль – Iср.

2.     Действующее значение тока вентиля – IВ.

3.     Амплитуда тока вентиля через вентиль – Im.

4.     Прямое падение напряжения на вентиле – Uпр.

5.     Обратное напряжение на вентиле (допустимое) – Uобр доп.

                   Uобр доп = (0,5-0,8) Uпробоя.

6.     Обратный ток вентиля – Iобр (при Uобр доп).

7.     Дифференциальное сопротивление вентиля

                   .

8.     Максимально допустимая мощность рассеивания на вентиле – Рдоп.

 

Рассмотрим ВАХ вентиля:


Рис. 3.2. ВАХ вентиля

 

 

.

Существует три математических модели ВАХ вентилей.

1.     Идеальный вентиль.

 


                                                        Iпр

 

 

 

                    Uобр                                                          Uпр

 

 

 

                                                        Iобр

Рис. 3.3. ВАХ идеального вентиля

rв = 0

Rобр = ∞.

 

2.     Идеализированный вентиль с потерями.

                                                        Iпр

 

 

 

 

             Uобр                                         α                        Uпр

 

 

                                                        Iобр

Рис. 3.4. ВАХ идеализированного вентиля с потерями

rв R tgα.

 

3.     Идеализированный вентиль с потерями и порогом выпрямления.

                                                           Iпр

 

 

 

                Uобр                                                       α                 Uпр

 

 

                                                          Iобр

Рис. 3.5. ВАХ идеализированного вентиля с потерями и порогом выпрямления

Для кремния: Uпор = (0,3-0,8) В.

Для германия: Uпор = (0,15-0,2) В.

 

Вентили бывают:

-   слаботочные: rв = (10-100) Ом;

-   сильноточные: rв < 1 Ом.

Часто параметры вентилей не совпадают с требуемыми параметрами.

1.     Iн > Iср.

В этом случае оба вентиля надо включить параллельно.

                    R

 

                   R

 

                    R

 

Рис. 3.6. Схема параллельного соединения вентилей.

R – симметрирующие резисторы, R>>rв.

 

2.     Uобр > Uобр доп

В этом случае оба вентиля надо включить последовательно.

 

                     R               R               R

 

 

 


Рис. 3.7. Схема последовательного соединения вентилей

R – шунтирующие резисторы.

IRш >> Iобр

Rш << Rобр.

 

3.2.3. Выходные параметры выпрямительного устройства.

1.     Среднее значение выпрямленного напряжения U0.

 

2.     Среднее значение выпрямленного тока – I0.

 

3.     Мощность в цепи выпрямленного тока – Р0.

Р0 = U0I0.

 

4.     Частота первой гармонической составляющей в цепи выпрямленного тока – fп1 = fп.

После разложения в ряд Фурье получим k-гармоник. Обычно рассматривают только fп.

 

5.     Коэффициент пульсации выходного напряжения выпрямительного устройства - Кпк.

.

Uп1 = Uп – амплитуда переменного напряжения первой гармоники выходного напряжения выпрямительного устройства (ВУ).

 

3.3. Схемы выпрямления.

Схемы выпрямления различают:

1.     По числу фаз переменного напряжения, подаваемого на выпрямительное устройство:

-   однофазные;

-   трехфазные.

 

2.     по числу фаз источника электропитания.

 

Число фаз выпрямителя: m = pq.

p – число фаз выпрямленного напряжения (обычно совпадает с числом вторичных обмоток трансформатора).

q – число полупериодов, в течение которых протекает ток через вентиль.

3.     По способу соединения вентилей:

-   однофазная однопериодная схема выпрямления:

-   двухфазная двухполупериодная схема выпрямления.

-   однофазная мостовая схема выпрямления (мост Греца).

 

3.4. Анализ работы однофазной однополупериодной схемы выпрямления при резистивном характере нагрузки.

 

Схема:                              Uобр

                                                                     i0

 

                                                     VD

                       ~U1                   U2                            Rн          U0

 

 

Рис.3.8. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

m = pq = 1.

Допущения:

вентили идеальны, т.е rв = 0, Rобр = ∞.

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис.3.9. Диаграммы, поясняющие работу однофазной однополупериодной схемы выпрямления

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),  VD - открыт

    Uв = Uпр , (Uв = 0).

    U0 = U2m sin (ωt)

    i0 = Im sin(ωt).

 

2. ωt Є (π; 2π),  VD - закрыт

    Uобр макс = U2m

    U0 = U2m sin(ωt)

    i0 ≈ 0, U0 ≈ 0

 

Основные соотношения для расчета:

1.     .

2.     .

3.     Im = π I0 = 3.14 I0.

4.     .

5.     .

6.     Uобр макс = U2m = π U0 = 3.14 U0.

7.     fп = m Fсети = fп1 = Fc – частота пульсаций.

8.    

Uп = U0 π/2.

9.     .

 

Особенности однофазной однополупериодной схемы выпрямления.

1.     Малое количество элементов.

2.     Простота схемы.

3.     Значительные размеры и вес трансформатора, вследствие плохого использования вторичных обмоток и вынужденного намагничивания за счет протекания постоянной составляющей тока через вторичную обмотку.

4.     Значительная величина обратного напряжения на вентиле.

5.     Большая величина амплитуды тока вентиля.

6.     Значительные размеры и вес сглаживающего фильтра из-за большого Кп и низкой частоты первой гармоники.

 

3.5. Анализ работы двухфазной двухполупериодной схемы выпрямления при резистивном характере нагрузки.

 

Схема:

Рис. 3.10. Двухфазная двухполупериодная схема

Допущения:

-   трансформатор идеальный;

-   VD1, VD2 – идеальные (rв = 0, Rобр = ∞);

-   m = pq = 2.

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис. 3.11. Диаграммы, поясняющие работу двухфазной двухполупериодной схемы

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π), VD1 – открыт, VD2 - закрыт

    U0 = U2m sin(ωt)

    i0 = Im sin(ωt).

 

2. ωt Є (π; 2π), VD1 – закрыт, VD2 - открыт

    U0 = U2m sin(ωt)

    i0 = Im sin(ωt).

    U0 обр макс VD1= 2 U2m.

 

Основные соотношения для расчета:

1.     .

2.     .

3.     .

4.     .

5.     I2 = 0.5 Im = 0.785 I0/

6.     fп = mFcети = 2Fсети.

7.     .

8.     Uобр макс = 2 U2m = 3.14 U0.

9.     .

 

Особенности двухфазной двухполупериодной схемы выпрямления при резистивном характере нагрузки:

 

1.     Наличие двух вентилей.

 

2.     Более сложный трансформатор (требуется дополнительная вторичная обмотка и необходимо симметрировать вторичные обмотки).

 

3.     Уменьшаются размеры и вес трансформатора (Ктр = 0,68), вследствие лучшего использования обмоток отсутствует вынужденное намагничивание.

 

4.     Уменьшается вдвое амплитуда тока вентилей.

 

5.     Уменьшаются размеры и вес сглаживающего фильтра, так как
fп = 2Fсети, а Кп уменьшается, более, чем в два раза.

 

6.     Большое значение напряжения Uобр на вентиле.

 

3.6. Анализ работы однофазной мостовой схемы выпрямления.

 

Схема (мост Греца):

Рис. 3.12. Однофазная мостовая схема выпрямления

m=pq=2.

Допущения:

-       Используется идеальный трансформатор.

-       VD1, VD2, VD3, VD4 идеальны

rв1 = rв2 = rв3 = rв4 = 0

Rобр1 = Rобр2 = Rобр3 = Rобр4 = ∞.

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Диаграммы, поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π), VD1, VD3 – открыты, VD2, VD4 – закрыты.

    u0 = U2m sin(ωt)

    i0 = Im sin(ωt).

 

2. ωt Є (π; 2π), VD1, VD3 – закрыты, VD2, VD4 - открыты

    u0 = U2m sin(ωt)

    i0 = Im sin(ωt)

    Uобр макс = 2U2m

    U0 обр макс VD1 = U2m.

 

 

 

Основные соотношения для расчета:

1.     .

2.     .

3.     .

4.     .

5.    

6.     fп = mFcети = 2Fсети.

7.     .

8.     Uобр макс = 3.14 U0.

9.     .

 

Особенности однофазной мостовой схемы выпрямления:

 

1.     Требуется 4 вентиля.

 

2.     В мощных выпрямительных схемах невозможно установить вентили на одном радиаторе без изоляции.

 

3.     Улучшается использование трансформатора (Ктр = 0,83), уменьшаются габариты и вес.

 

4.     Не требуется дополнительная вторичная обмотка трансформатора.

 

5.     Уменьшается вдвое обратное максимальное напряжение на вентиле.

 

6.     Уменьшается вдвое напряжение на выходе вторичной обмотки.

 

7.     Эта схема имеет самое низкое динамическое сопротивление.

 

3.7. Внешняя характеристика выпрямительного устройства.

Внешняя характеристика выпрямительного устройства – это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от средних значений выпрямленного тока.

 

U0 = f (I0)

Рис. 3.14. Внешняя характеристика выпрямительного устройства

где

          ΔU0 – падение напряжения на элементах ВУ.

          U0 ном = U0 х.х. - ΔU0

          Rвых – выходное (внутреннее) сопротивление ВУ.

          ,

          знак “–“ показывает, что характеристика имеет падающий характер.

 

3.8. Влияние характера нагрузки на работу ВУ.

3.8.1. Особенности других видов нагрузок.

ВУ различают по виду нагрузки нерезистивного вида:

-   ВУ, нагрузка которых начинается с индуктивности;

-   ВУ, нагрузка которых начинается с емкости.

 

3.8.2. Анализ работы однофазной однополупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности.

Схема:

                                 VD                i0

                    Тр

 


                             ~U2                Rн          U0

 

 

 

Рис. 3.15. Однофазная однополупериодная схема выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности

 – закон Ленца.

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис. 3.16. Диаграммы, поясняющие работу однофазной однополупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности

λ – фазовый угол, соответствующий продолжительности работы вентиля.

R = Rн + Rтр + Rв + Rдр

Rтр + Rв + Rдр << Rн

R ≈ Rн

τ = 0 Ú λ = π;

τ →∞ Ú λ = 2π/

 

U0 = U2 + eL

 

Пусть τ1 > τ2

Проведем анализ через второй закон Кирхгофа:

Решив данное дифференциальное уравнение, получим:

 

λ = π Ú U0 = U2m / π = 0.318U2m = 0.45U2

λ = 2π Ú U0 → 0.

Вывод: с увеличением τ уменьшается U0.

 

Особенности:

1.     Увеличивается продолжительность работы вентиля.

 

2.     Уменьшается амплитуда тока вентиля и уменьшается среднее значение выпрямленного тока.

 

3.     С увеличением τ уменьшается U0 и, соответственно, уменьшается коэффициент пульсаций Кп.

 

3.8.3. Анализ работы двухфазной двухполупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности.

Схема:

Рис. 3.17. Двухфазная двухполупериодная схема выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис. 3.18. Диаграммы, поясняющие работу двухфазной двухполупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с индуктивности

Uc = U + eL

 

Нормированная постоянная времени:

При τн = (5-10) отношение i0/Im представляет собой прямую линию (уменьшается уровень пульсаций).

 

Особенности работы схемы:

1.     Уменьшается габаритная мощность трансформатора Sтр за счет того, что индуктивность не позволяет току резко меняться.

 

2.     Медленное изменение тока в цепи вентиля.

 

3.     Уменьшается коэффициент пульсаций.

 

4.     Невозможность работы схемы при импульсном характере нагрузки:

.

 

5.     Схема эффективно работает при больших тока на стороне потребителя (τ → ∞).

 

3.8.4. Анализ работы однофазной мостовой схемы выпрямления , нагрузка которой начинается с индуктивности (самостоятельно).

 

3.8.5. Анализ работы однофазной однополупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости.

Схема:

                  Тр       VD

 

 


       ~U1                  C                     Rн

 

 

 

Рис. 3.19. Схема однофазной однополупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис. 3.20. Диаграммы, поясняющие работу однофазной однополупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости

Принцип действия:

1. ωt Є (ωt1; ωt2)

    UC = UC зар

    τзар = RC

    R – сопротивление фазы выпрямителя.

    R = Rтр + Rв

2. в точке wt = wt2 – вентиль VD закрывается.

3. ωt Є(ωt2; ωt3) – происходит разряд конденсатора С.

    τраз = RнC

    UC = UC раз

4. ωt Є(ωt3; ωt4)

    UC = UC зар

Uобр макс = U2m + U0 ≈ 2U2m

θугол отсечки – это такой фазовый угол, который соответствует половине интервала времени протекания тока через вентиль.

2θ Є (0; π)

θ Є (0; π/2)

θ = 0, тогда Rн → ∞

θ→π/2, тогда Rн → 0.

 

Расчет схемы очень трудоемок и сложен, поэтому вводят специальные трансцендентные функции: A(θ), B(θ), F(θ), D(θ), H(θ) и используют математические модели:

-    - используют крайне редко.

-  

 

Основные соотношения для расчета:

1.    

 

2.    

                   A(θ) = tgθ – θ.

 

3.     U2 = U0 B(θ)

 

4.     .

 

5.     .

 

6.    

 

3.8.6. Анализ работы двухфазной двухполупериодной схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости (самостоятельно).

 

 

3.8.7. Анализ работы однофазной мостовой схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости.

Схема:

Рис. 3.21. Схема однофазной мостовой схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

Рис. 3.22. Диаграммы, поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления, нагрузка которой начинается с емкости.

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),

    U2 > UC – вентиль открывается

    VD1, VD3 – открыты

    VD2, VD4 – закрыты

    Происходит заряд конденсатора С.

2. ωt Є (π; 2π),

    VD1, VD3 – закрыты

    VD2, VD4 – открыты

    Заряд конденсатора С.

 

Особенности работы схемы выпрямления при емкостном характере нагрузки:

1.     Увеличивается габаритная мощность трансформатора из-за увеличения тока во вторичной обмотке.

2.     Вентили работают с отсечкой тока.

3.     Форма напряжения и тока на выходе имеет пилообразный характер.

4.     Увеличение i0 приводит к уменьшению U0  и увеличению угла отсечки, тем ярче, чем меньше значение емкости конденсатора С.

5.     Увеличение I0 приводит к увеличение коэффициента пульсаций.

6.     Величина С определяет форму тока вентилей, при малом значение емкости конденсатора С форма тока в цепи вентиля отличается от косинусоидального.

7.     В схеме с емкостным характером нагрузки происходит перегрузка вентилей большим зарядным током конденсатора.

 

3.9. Выпрямительные устройства с умножением напряжения (схемы умножения напряжение – СУН).

3.9.1. Классификация СУН.

n – кратность умножения.

n = (2-10) Ú U0 = (10-100) кВ.

 

СУН подразделяют:

1.     несимметричные СУН

-   несимметричные СУН первого типа;

-   несимметричные СУН второго типа;

2.     симметричные СУН.

 

3.9.2. Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения.

Схема:

                                             Тр             С1

 

 


                                 ~U1           U2      VD1                  VD2

 

                                                                    С2

 

                                                                                 Rн

                                   

Рис. 3.23. Однофазная несимметричная схема удвоения напряжения

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

       

 U2, UC1, UC2

 


                                                                             UC2

                                                                                UC1 + U2

                                                                                UC1

                                                                                wt

 

 


                                                                             U2

  iVD   

 

                                                                        для VD1

 

                                                                                 wt

 


           2Θ

                                                                        для VD2

Рис. 3.24. Диаграммы, поясняющие работу однофазной несимметричной схемы удвоения напряжения

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),

    Заряд конденсатора C1 по цепи трансформатора, VD1, C1,    U2 > UC1

    UC1 макс = U2m

 

2. ωt Є (π; 2π),

    VD1 – закрыт

    UC1 + U2 – заряд конденсатора С2 по цепи трансформатора, С1, VD2, C2: (UC1 + U2) > UC2

UC2 = UC1 + U2m

UC2 макс = UC1 макс + U2m = 2U2m

fп = mFc = Fc

3.9.3. Несимметричная схема утроения напряжения.

Схема:

                                                     Rн

 

                           Тр   -     C1             C3

 

                    ~U1     U2 VD1    VD2                  VD3

 

                             +

                                                 С2

Рис. 3.25. Несимметричная схема утроения напряжения

 

 

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),

    VD1 - открыт

    Заряд конденсатора C1 по цепи трансформатора, VD1, C1 при условии     U2 > UC1

    UC1 макс = U2m

 

2. ωt Є (π; 2π),

    VD1 – закрыт

    UC1 + U2 – заряд конденсатора С2 по цепи трансформатора, С1, VD2, C2:

UC2 макс = UC1 макс + U2m = 2U2m

 

3. ωt Є(2π; 3π)

VD1, VD3 – открыты

VD2 – закрыт

Заряд емкостей С1, С3 по цепи С2, VD3, С3

UC3 = UC2

U0 = UC1 + UC3

U0 макс = UC1 макс + UC3 макс ≈ 3 U2m

UC макс (раб) ≈ 2 U2m

fп = mFc = Fc

По такому принципу строятся несимметричные СУН второго типа.

 

3.9.4. Несимметричные СУН первого типа

Схема:

             Тр

 

 


    ~U1           U2           C1                C3                       Cn

                                                                                              Rн

 

 

                                               C2                   C4

 

                     VD1  VD2     VD3  VD4        VDn

Рис. 3.26. Схема несимметричной СУН первого типа

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),

    Заряд конденсатора C1

    UC1 макс = U2m

 

2. ωt Є (π; 2π),

    UC2 = UC1 + U1 – заряд конденсатора С2

UC2 макс = UC1 макс + U2m = 2U2m

 

3. ωt Є(2π; 3π)

    UC3 = UC2 + U2 – заряд конденсатора С3

UC3 макс = UC2 макс + U2m = 3U2m

…………………………………………………………………………………

UCn макс = nU2m

 

Недостатки:

-   Конденсаторы дорогостоящие;

-   fп = Fc

 

3.9.5. Симметричная схема удвоения напряжения (схема Латура).

Схема:

              Тр               VD2        VD1

 

 

 

 

 

                                 C2            C1

 

                                                 Rн

Рис. 3.27. Симметричная схема удвоения напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаграммы, поясняющие работу схемы:

 

 

 

 


UC1

U2

 

 

 

UC2

 


       

   iVD

 

 

         VD1   VD2   VD1   VD2    VD1  VD2

   U0

 

 

 

 

 


Рис. 3.28. Диаграммы, поясняющие работу симметричной схемы удвоения

 

 

Принцип действия:

1. ωt Є(0; π),

    VD1 – открыт

    VD2 – закрыт

    Заряд конденсатора C1 по цепи трансформатора, VD1, C1

    UC1 макс = U2m

 

2. ωt Є (π; 2π),

    VD1 – закрыт

    VD2 - открыт

    U0 = UC1 + UC2 – заряд конденсатора С2 по цепи трансформатора, VD2, C2:

U0 макс = UC1 макс + UC2 макс = 2U2m

fп = mFc = 2 Fc

 

3.9.6. Общая характеристика схем умножения напряжения.

Кп ≤ 6%

, мкФ

 

Свойства схем умножения напряжения:

1.     Увеличение кратности умножения приводит к проявлению несоответствия выходного напряжения данной кратности умножения. Больше сказывается в несимметричных схемах умножения  напряжения.

2.     Увеличение кратности умножения приводит к увеличение коэффициент пульсаций. Больше проявляется в несимметричных схемах.

3.     nопт зависит от тока I0, и менее ярко выражено для симметричных СУН.

Хостинг от uCoz