Неуправляемые выпрямительные устройства (выпрямители)

Для преобразования переменного тока в постоянный наибольшее распространение получили неуправляемые выпрямители — устройства, включающие трансформатор (как правило, понижающий), набор полупроводниковых диодов (обеспечивающих выпрямление тока), реактивных L, С — элементов, стабилитронов, транзисторов, микросхем (обеспечивающих сглаживание пульсаций и стабилизацию выходного напряжения выпрямителя). На выходе неуправляемого выпрямителя напряжение будет постоянным (неизменным), если не изменяется напряжение сети.

Существует несколько основных схем выпрямительных устройств, каждая из которых имеет некоторые преимущества по сравнению с другой. Принципиально возможно два вида выпрямления: однополупериодный и двухполупериодный. В первом случае выпрямлению подлежит один полупериод, а во втором — два полупериода переменного (как правило, синусоидального) тока.

Схема однополупериодного выпрямителя и выбор её параметров

Принцип действия однотактных (когда через вторичную обмотку трансформатора проходит ток в одном направлении в течение одного полупериода) однополупериодных выпрямителей покажем на примере выпрямительного устройства, схема которого представлена на рис. 7.3. Схема включает однофазный трансформатор TV, во вторичную обмотку которого включены последовательно диод VD и нагрузочное сопротивление R_H. Первичная обмотка трансформатора присоединена к сети переменного тока. Работа рассматриваемой схемы протекает следующим образом. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора напряжение на зажимах его вторичной обмотки также будет.

Рис. 7.3. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя переменного тока: u_t, м* /,. h-.

мгновениыс значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно переменным. Если напряжение на первичной обмотке является синусоидальным, то мгновенное напряжение на вторичной обмотке трансформатора при этом будет меняться во времени по синусоидальному закону (и^и^тьм). Электрический вентиль (диод), как известно, проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода будет иметь положительный потенциал. Поэтому ток в цепи — вторичная обмотка трансформатора TV, диод VD, нагрузка R_H — будет протекать только в одном направлении, т. е. в течение положительного полупериода переменного напряжения на первичной обмотке.

В результате этого ток, протекающий в цепи нагрузки, оказывается пульсирующим, неизменным по направлению, но изменяющимся по величине во времени. Временные диаграммы изменения напряжений и токов, соответствующих однополупериодному выпрямителю, представлены на рис. 7.4.

Из рис. 7.4 видно, что рассматриваемое выпрямительное устройство характеризуется значительными пульсациями выпрямленного тока и напряжения «яВлияние пульсаций.

Рис. 7.4. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя на кривую выпрямленного напряжения и тока оценивается коэффициентом пульсаций К_п

Максимальное значение тока, проходящего через вентиль (диод):

где U_2m Uг — максимальное и действующее значения напряжений.

Выпрямленный ток можно разложить в бесконечный гармонический ряд Фурье. Мгновенное значение тока:

Первое слагаемое этого ряда.

представляет собой среднее значение тока за период Т и называется постоянной составляющей выпрямленного тока. Амплитуда первой гармоники гармонического ряда Фурье.

называют переменной составляющей выпрямленного тока (iосновной гармоникой). Остальные слагаемые ряда называют составляющими высших гармоник. Амплитуда высших гармоник относительно невелика. Поэтому при расчёте выпрямителей высшие гармоники выпрямленного тока можно не учитывать. Выпрямленное напряжение:

Это соотношение является основным в теории однополупериодного выпрямителя, оно связывает выпрямленное напряжение и_Ср со вторичным действующим значением напряжения трансформатора U2.

Действующее значение тока h во вторичной обмотке трансформатора TV находят как среднеквадратичное значение тока за период Т:

Из уравнения (7.1) •/" = к? 1_ср, поэтому (7.5) перепишется в виде:

Мощность, расходуемая во вторичной цепи трансформатора:

называется расчётной мощностью вторичной обмотки трансформатора. Эта мощность в 3,5 раза больше мощности выпрямленного тока Po=U_cpI_Cp, так как кроме постоянной составляющей выпрямленного тока 1_ср, (создающей постоянное подмагничивание сердечника трансформатора) и переменной составляющей // тока основной частоты через вторичную цепь трансформатора проходят составляющие высших гармоник выпрямленного тока.

Мгновенное значение тока в первичной обмотке трансформатора можно рассматривать как разность приведённого.

h

мгновенного значения вторичного тока /₂ = — и приведен;

п

ной постоянной составляющей тока Г = —:

п

где п = Ui / U2 — коэффициент трансформации трансформатора.

Действующее значение тока // в первичной обмотке трансформатора с учётом (7.7):

Мощность, расходуемая в первичной обмотке цепи трансформатора с учётом (7.3).

Мощность в первичной цепи трансформатора оказалась меньше мощности во вторичной цепи, так как постоянная составляющая выпрямленного тока не трансформируется в первичную цепь.

Расчётная мощность трансформатора Р_т:

Для однотактного однополупериодного выпрямителя мощность трансформатора с учётом (7.5) и (7.8):

Максимальное обратное напряжение U₀6_P.m выпрямителя равно амплитудному значению вторичного напряжения трансформатора, так как в отрицательный полупериод ток равен нулю и падения напряжения на R_H нет. Следовательно, с учётом (7.2).

Качество выпрямления оценивается коэффициентом пульсации.

Для рассматриваемой однополупериодной схемы выпрямления:

Это означает, что амплитуда А / переменной составляющей выпрямленного тока в 1,57 раза больше постоянной составляющей 1ср-

Реальный вентиль (диод) должен выдерживать максимальное обратное напряжение выпрямителя, т. е. при выборе вентиля для выпрямителя следует выбирать.