Выпрямление однофазного переменного тока

Для питания электрорадиоустройств и приборов необходимы источники постоянного тока, в качестве которых обычно используются выпрямители. В выпрямителях осуществляется преобразование переменного тока в постоянный. Полный процесс выпрямления включает преобразование спектра переменного тока на нелинейном элементе с целью получения постоянной составляющей и выделение ее с помощью линейного элемента — ф и л ь т — р а. В качестве нелинейного элемента в современных выпрямителях используют диоды или тиристоры.

Рассмотрим сначала принцип работы полупроводникового выпрямителя без фильтра. Простейшая схема выпрямления — однотактная или однополупериодная, схема (рис. 2.3.1,я).

Рис. 2.3.1.

Выпрямитель включает в себя силовой трансформатор — Тр, полупроводниковый диод — D и сопротивление нагрузки /?". Вольт-амперную характеристику диода можно приближенно, но достаточно точно представить кусочно-линейной зависимостью, полагая, что обратный ток равен нулю, а при прямом напряжении ток и напряжение пропорциональны:

Здесь R, — сопротивление диода при прямом напряжении. Считая, что сопротивление схемы с учетом нагрузки (Л, + Л"я Л") не зависит от напряжения, можно рассматривать идеализированную кусочно-линейную вольт-амперную динамическую характеристику выпрямителя (диода с нагрузкой) (рис. 2.3.1,6). В результате действия гармонического переменного напряжения (и = U_msin (ot) на элемент с кусочно-линейной вольт-амперной характеристикой в цепи выпрямителя протекает ток в виде импульсов-полусинусоид.

(i = _^^д_ sincot = I_nsina>) при прямом напряжении и нулевой.

R,+R"

ток при обратном напряжении. Полученный пульсирующий ток имеет постоянное направление, но переменную величину. Спектр такого тока содержит постоянную и переменную составляющие, которые можно количественно определить, раскладывая в ряд Фурье выражение для импульсного периодического тока:

где постоянная составляющая /₀ и амплитуды косинусных и синусных составляющих 1_К, 1_т определяются известными из теории рядов Фурье соотношениями.

В соответствии с (2.3.2) — (2.3.4) имеем.

Таким образом, результирующее разложение импульсного выпрямленного тока содержит постоянную составляющую /₀ (рис. 2.3.1,6), составляющую частоты переменного тока /, и ее четные гармоники, амплитуды которых существенно уменьшаются с ростом п. Качество выпрямления, т. е. близость выпрямленного тока к постоянному, характеризуют коэффициентом пульсации, который определяют как отношение амплитуды наибольшей гармоники тока (или напряжения) к постоянной составляющей тока (или напряжения), протекающего через нагрузку:

Для однополупериодного выпрямителя без фильтра имеем.

/"= —, /,=— и соответственно д= ~~ = 1,57. л 2 2.

Из (2.3.5) легко получить нагрузочную характеристику выпрямителя, описывающую связь между постоянной составляющей тока и постоянной составляющей напряжения на нагрузке:

Таким образом, постоянная составляющая напряжения на нагрузке линейно падает при увеличении тока через нагрузку. Максимальное напряжение на зажимах выпрямителя в отсутствие нагрузки (/?"—" о", /₀ = 0) примерно в 3 раза меньше амплитуды переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора и почти в 2 раза меньше его действующего значения U

При этом лишь часть мощности Р = UI, на которую рассчитана вторичная обмотка трансформатора, преобразуется в мощность постоянного тока Р₀ = UJ₀. Для установления связи между Р и Р₀ определим действующее значение выпрямленного тока I. По определению действующего значения получим.

Таким образом,.

Итак, примерно только 30% мощности, снимаемой со вторичной обмотки трансформатора, преобразуется в мощность постоянного тока в нагрузке. Большой коэффициент пульсаций (р= 1,57) и большое отношение мощности трансформатора к мощности постоянного тока в нагрузке (Р/Р₀= 3,5) являются существенными недостатками, ограничивающими применение однополупериодной схемы выпрямителя без фильтра.

Более широкое применение получила двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой (рис. 2.3.2,а).

Рис. 2.3.2.

Выпрямитель включает в себя трансформатор Тр со средней точкой во вторичной обмотке, два диода D, и D₂ и сопротивление нагрузки R". Принцип выпрямления поясняется на рисунке 2.32,6. Диоды D, и D₂ пропускают ток поочередно в разные половины периода переменного напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, и через нагрузку протекает ток постоянного направления, величина которого пульсирует с частотой 100 Гц. Постоянные составляющие токов через каждый из идентичных диодов ?>, и D, складываются на нагрузке, и в результате постоянная составляющая тока при двухполупериодном выпрямлении в 2 раза больше, чем при однополупериодном с таким же переменным напряжением и и нагрузкой R":

Основная (наинизшая) частота гармоники в спектре выпрямленного тока в 2 раза больше частоты питающего напряжения, так что период пульсаций в 2 раза меньше периода колебаний этого напряжения, а амплитуда этой гармонической составляющей.

Соответственно коэффициент пульсаций для двухполупериодной схемы выпрямления без фильтра.

Таким образом, применение этой схемы вместо однополупериодной позволяет более чем в 2 раза снизить пульсацию выпрямленного тока. Действующеее значение тока в нагрузке.

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке.

Постоянная составляющая напряжения на зажимах выпрямителя в отсутствии нагрузки (Л"—" /₀ = 0),

Используя (2.3.14), (2.3.16) и (2.3.18), получаем соотношение между мощностью постоянного тока в нагрузке и полной мощностью, снимаемой со вторичной обмотки трансформатора:

Таким образом, применение двухполупериодной схемы вместо однополупериодной существенно улучшает отношение Р/Р₀ (1,2 вместо 3,5). Рассмотренная двухполупериодная схема выпрямителя используется, в частности, в низковольтном школьном селеновом выпрямителе ВС-6. Однако двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой обладает существенным недостатком, связанным с тем, что в 2 раза возрастают по сравнению с однополупериодной схемой отрицательное напряжение, которое ложится на запертый диод, т. е. и^ = и + и_п~2и, соответственно максимальное обратное напряжение7/,_6рт" = 2 U_m.

Еще одним недостатком рассмотренной двухполупериодной схемы является необходимость использования трансформатора с удвоенным числом витков во вторичной обмотке и выводом от средней точки, причем вторичная обмотка используется плохо, так как ток по каждой половине обмотки проходит только в течение половины периода.

Указанных недостатков лишена двухполупериодная мостовая схема (рис. 2.3.3).

Рис. 2.3.3.

В те полупериоды, когда потенциал точки 1 выше потенциала точки 2, открыты диоды D_t и D, и ток протекает через эти диоды и нагрузку в направлении, указанном сплошной стрелкой. В полупериоды, когда потенциал точки 2 выше потенциала точки /, открыты диоды Д и Д, и ток протекает по этим диодам и нагрузке в направлении, указанном пунктирной стрелкой, причем по нагрузке в том же направлении, что и в первые полупериоды. Таким образом, как и в случае двухполупериодной схемы со средней точкой, ток в нагрузке — постоянный по направлению и пульсирующий по величине с частотой 100 Гц. Причем отпадает необходимость в трансформаторе со средней точкой, а максимальное обратное напряжение, которое ложится на каждый из закрытых диодов, как видно из схемы на рисунке 2.3.3, не превышает амплитуды переменного напряжения на вторичной обмотке (Д*_pnMX = U_m). Мостовая схема широко используется в таких школьных выпрямителях, как ВС-4−12, ВС-24М, ВУП-1, ВУП-2, а также в выпрямителе на 5 кВ школьного преобразователя «Разряд-1». При необходимости увеличить постоянную составляющую напряжения на выходе выпрямителя без повышения питающего напряжения используют выпрямительные схемы с умножением напряжения (одна из схем показана на рисунке 2.3.4).

Рис. 2.3.4.

В течение одного полупериода заряжается конденсатор С, через диод Д до максимального значения питающего напряжения, во вторую половину периода заряжается конденсатор С₂ через диод Д. При этом напряжение на выходе выпрямителя постоянной полярности и равно сумме напряжений на обоих конденсаторах. Если постоянная разряда конденсаторов ЛС, ₂ «Т (Т — период переменного напряжения), то напряжение на конденсаторах и соответственно результирующее напряжение на нагрузке не успевают существенно измениться за счет разряда конденсаторов через нагрузку и остаются приблизительно равными 2U_m. По схеме с удвоением напряжения собран, например, выпрямитель на 25 кВ в высоковольтном школьном преобразователе «Разряд-1».