Дата последнего обновления файла 02.05.2015

Схемы выпрямления

Выпрямитель электрического тока это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он обычно реализуется на полупроводниковых диодах. Простейший выпрямитель содержит трансформатор, выпрямительный диод и нагрузку. Его схема приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема простейшего выпрямителя тока

Приведенная на рисунке 1 схема построена по однотактной схеме выпрямления однофазного источника переменного напряжения.

Выпрямленное напряжение Ud содержит полезную составляющую (постоянное напряжение U0) и ряд гармоник частоты входного тока fсети, в том числе и основную гармонику с частотой входного напряжения. В идеальном случае гармонический спектр продолжается до бесконечности. В реальных устройствах это не так. Как уже обсуждалось в статье "Преобразование переменного тока в постоянный", в однотактных схемах постоянный ток нагрузки протекает через трансформатор, поэтому его сердечник подмагничивается. Понять процессы, происходящие в однотактном выпрямителе помогут временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.


Рисунок 2. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя

Как уже определялось при обсуждении схемы замещения трансформатора, ток в первичной обмотке равен сумме тока холостого хода трансформатора (ixx) и переменной составляющей тока нагрузки, пересчитанной в первичную цепь (i2’). Форма тока в первичной обмотке (i1) трансформатора, входящего в состав однополупериодного выпрямителя, сильно отличается от синусоидальной.

В общем случае у трансформатора есть m1 первичных обмоток, подключенных к различным фазам сети, и р фаз во вторичной цепи, которое называют пульсностью. Обычно m1p. Пульсность схемы определяется произведением

p = k · q            (1)
     где k – число вторичных обмоток трансформатора
         q – число импульсов  тока за период в одной обмотке.

С точки зрения выражения (1) устройство, рассмотренное на рисунке 1 обладает пульсностью p = 1 · 1 = 1

В качестве примера выпрямителя с количеством фаз на выходе больше чем на входе можно привести двухфазный однотактный выпрямитель. Его принципиальная схема приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Принципиальная схема двухфазного однотактного выпрямителя

В данном случае используются две вторичных обмотки, включенных противофазно. В течение одного периода сети через каждую из них протекает один импульс тока i2’ и i2". Благодаря диодам эти токи протекают через нагрузку в одном направлении, а через вторичные обмотки из-за противофазного включения – в разных направлениях. В результате форма тока в первичной обмотке не искажается и в сердечнике трансформатора не производится подмагничивание постоянным током. Иными словами в данной схеме p= k · q = 2 · 1 = 2. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя приведены на рисунке 4.


Рисунок 4. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя

При расчете сглаживающего фильтра очень важно знать частоту первой гармоники пульсаций. В схеме двухфазного однотактного выпрямителя она вдвое выше частоты сети (ТП = Т/2) и может быть определена через пульсность

fП = p · fс            (2)

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Его схема приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя, приведенными на рисунке 4. В двухтактном выпрямителе присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, двухтактный однофазный выпрямитель. Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих блоков несколько отличаются. Для низковольтных выпрямителей лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде. В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однотактный выпрямитель подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше подходит трехфазный выпрямитель. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя. Она показана на рисунке 6.


Рисунок 6. Принципиальная схема трехфазного однотактного выпрямителя

Трехфазный однотактный выпрямитель состоит из трёхфазного трансформатора и трёх выпрямительных диодов VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения катодов диодов и общей точкой вторичных обмоток трансформатора. Для пояснения принципов работы данного устройства на рисунке 7 приведены временные диаграммы токов и напряжений на вторичных обмотках трансформатора, на выходе схемы и на одном из выпрямительных диодов.


Рисунок 7. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однотактного выпрямителя

Если для питания устройства требуется большее напряжение по сравнению с предыдущим случаем, то можно применить трехфазную двухтактную схему выпрямления. Она позволяет снизить требования к сглаживающему фильтру. Принципиальная схема трехфазного двухтактного выпрямителя приведена на рисунке 8. Это устройство известно также под названием трехфазного выпрямительного моста или схемы Ларионова.


Рисунок 8. Принципиальная схема трехфазного выпрямительного моста

Напряжение на выходе схемы, приведенной на рисунке 8, можно представить как сумму двух однотактных выпрямителей, работающих в противофазе. Его можно записать как Ud = Ud1 + Ud2. Это позволяет увеличить количество фаз на выходе схемы и тем самым увеличить основную частоту пульсаций. Это позволяет уменьшить требования к сглаживающему фильтру, а в ряде случаев вообще отказаться от него. В данной схеме на входе выпрямителя присутствуют три фазы обмотки, поэтому k = 1 и ее пульсность p= k · q = 3 · 2 = 6. Отсюда можно определить основную частоту спектра пульсаций fП = 6 · fс. Временные диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы трехфазного выпрямительного моста приведены на рисунке 9.


Рисунок 9. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного двухтактного выпрямителя

Как видно из данных временных диаграмм уровень пульсаций на выходе рассмотренного трехфазного выпрямителя значительно меньше предыдущих вариантов выпрямителей. Однако с помощью трехфазного трансформатора можно получить на выходе количество фаз больше чем шесть. Возможна реализация девяти, двенадцати, восемнадцати и более фазных выпрямителей. Повышение количества фаз позволяет уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя. В качестве примера рассмотрим схему двенадцатипульсного выпрямителя. Его схема приведена на рисунке 10.


Рисунок 10. Схема двенадцатифазного выпрямителя

В данной схеме применяется трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками для каждой фазы. При этом одна группа вторичных обмоток включается по схеме "звезда", а другая — "треугольник". В результате напряжения на выходе каждой из групп вторичных обмоток оказывается сдвинутыми на 30° Для того, чтобы напряжения были равны, количество витков в каждой из групп вторичных обмоток отличаются в 1.73 раза. Благодаря последовательному включению постоянные напряжения на выходе диодных мостов суммируются Ud = Ud1 + Ud2 и на нагрузке действует напряжение с частотой пульсаций в 12 раз выше частоты сети и значительно меньшим по сравнению с предыдущими схемами уровнем пульсаций.

Литература:

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Вместе со статьей "Схемы выпрямления" читают:

Преобразование переменного тока в постоянный
http://digteh.ru/BP/Preobraz/

Неуправляемый вентиль и его характеристики
http://digteh.ru/BP/Ventil/

Выпрямитель с индуктивной нагрузкой
http://digteh.ru/BP/IndHarNagr/

Выпрямитель с емкостной нагрузкой
http://digteh.ru/BP/EmkostHarNagr/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика
Rambler's Top100