Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

отношение амплитуды к ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-05

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 22.5.2024

Раздел 4  Неуправляемые выпрямители

Критериями качества работы  выпрямителя являются:

  •  коэффициент пульсации:     

      -отношение амплитуды к- ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

  •  коэффициент выпрямления по напряжению:

  -отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения  во  вторичной цепи трансформатора.

  •  Пульсность (число фаз выпрямления):

 -отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения.

m – фазность схемы выпрямления – число вторичных обмоток (1, 2 или 3),

– число периодов выпрямления (1 или 2).

  •  КПД:

 - отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Критериями  качества сглаживающего фильтра являются:

- коэффициент сглаживания:

, где - коэффициенты пульсации на входе и выходе  соответственно.

  •  КПД:

.

К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется :

  •  нестабильностью выходного напряжения

  •  это отношение отклонения напряжения от номинального значения к номинальному значению.

В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулирования выходного напряжения:

  1.  Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).
  2.  В звене выпрямления за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).
  3.  В цепи постоянного тока на выходе выпрямительного устройства за счет использования стабилизаторов напряжения ( тока ) непрерывного или импулсьсного действия.

Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного

устройства

Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.


Основными параметрами полупроводникового диода являются:

  •  динамическое сопротивление диода ,
  •   обратное (статическое) сопротивление –,

Iпр - предельно допустимый средний прямой ток при включении п/п диода в однополупериодную схему выпрямителя с активной нагрузкой , частотой питающего напряжения 50 Гц с естественным охлаждением элемента и нормальной температурой окружающей среды,

Uпр- среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

Uпор- пороговое напряжение, т.е противоЭДС, которая характеризует начальное смещение ВАХ диода и препятствует нарастанию прямого тока,

Uобрмаксимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод длительно в закрытом состоянии, не подвергаясь опасности пробоя.

Для увеличения среднего прямого тока (Iпр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.

При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности – резисторы, для большой мощности  - уравнительный реактор.

Величина резисторов RВ  должна быть больше дифференциального сопротивления любого из диодов, чтобы ток в ветви определял именно резистор, а не диод.

Уравнительные реакторы работают так. Под действием токов (), протекающих по обмоткам W1, W2, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток Ф, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение –  ток увеличивается.

Для увеличения Uобр  диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Для выравнивания напряжений (Uобр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами,  сопвротивления которых равны и в несколько раз меньше обратного сопротивления диода (ток резистивного делителя Iдел должен быть больше тока Iобр). Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений не пригоден из- за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные (конденсаторные) делители напряжения. 

Тепловая модель полупроводника

Во время работы полупроводника в нём рассеивается мощность (Р) и происходит его нагрев, для  охлаждения используют радиатор.  Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели. Тепло, выделяемое в полупроводнике (П) передается на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.

Величины тепловых сопротивлений (размерность градус/ватт) в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный перепад t 

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах:

Для обеспечения нормального функционирования диода необходимо выполнение условия  tп< tдоп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (Pпр), потерь на преодоления противо-ЭДС (Pпор) и коммутационных потерь (Pком):

,

В низкочастотных выпрямительных устройствах коммутационные потери составляют небольшую долю по отношению к остальным потерям, поэтому принимаем  

Критерий качества выпрямительных устройств

Полупроводниковые диоды предназначены для подключения нагрузки к источнику с целью формирования однополярного напряжения в нагрузке при разнополярном напряжении источника.

Существуют понятия анодной и катодной группы диодов ( при соединении элементов в узел катодами или анодами ).

Принцип коммутации:

К нагрузке должны быть скоммутированы  одна или две разноименные группы. Свободные концы элементов, не соединенные в узел должны быть разведены  по источникам. При наличии одной группы другой конец нагрузки должен быть подключен к нулевому выводу или земле. Однополупериодные схемы выпрямления имеют одну группу, двухполупериодные – две.

Рассмотрим принцип коммутации на примере однофазной двухполупериодной  и трехфазной однополупериодной схем выпрямления.

Однофазная двухполупериодная  схема выпрямления

Трехфазная однополупериодная  схема выпрямления

Для анализа выпрямительных устройств используют графоаналитический метод, который включает:

  1.  построение временных диаграмм для I и U при анализе электромагнитных процессов в цепях,
  2.  разложение в ряд Фурье и получение выражений для коэффициентов выпрямления К0 и пульсаций Кп.

Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме постоянной составляющей U0  целый ряд гармонических составляющих:

В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье ее среднее значение определяется площадью, ограниченной рассматриваемой функцией за период повторения, отнесенной к величине периода. Так как площадь определяется вольт- секундным интегралом, то для напряжения, представленного на рисунке получим выражение для U0. 

Под средневыпрямленным напряжением (U0)  понимается высота прямоугольника, эквивалентного по площади кривой, описывающей выпрямленное напряжение (Ud) за период повторения данной кривой, который равен 2/р.

Коэффициент выпрямления по напряжению равен

.

Получим выражение для амплитуды к- ой гармоники Umk. Очевидно ,что Ud – четная функция, поэтому учитываем только косинусоидальные составляющие.

Коэффициент пульсаций определяется выражением:

где k – номер гармоники.

Для повышения качества выпрямленного напряжения необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

  •  увеличение фазности  питающих напряжений,
  •  увеличение числа коммутируемых элементов,
  •  расщепление фазных напряжений за счет использования способа  соединения трансформатора «зигзагом».

Предельное значение K0 имеет место  при p: К0, а U0U2m.

Неуправляемые выпрямители

При  рассмотрении схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, а нагрузку - чисто активной.

Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель

Схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

На интервале от 0 до фазное напряжение (U2) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и положительная полуволна напряжения U2 проходит в нагрузку. В момент смены полярности U2 происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).

Достоинства однофазного мостового выпрямителя:

  •  высокое значение коэффициента выпрямления К0, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение Кп) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.
  •  по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп вентилей не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:

- т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.

, где    Рmp – габаритная мощность трансформатора.

Схема с нулевым выводом (двухфазная однотактная)

Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики   токов и напряжений в различных точках схемы.

На интервале времени [0;] потенциал точки а – положительный, а точки б – отрицательный, поэтому диод VD1 – открыт и через него протекает ток. Напряжение, снимаемое  с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом,  через нагрузку ток протекает в одном и том же направлении в течение всего периода.

Достоинства этой схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изоляции.

Недостатки схемы: при запирании диода за счет наведения ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того, на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных показателей (К0п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношения для схемы выпрямителя:

.

Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для Pmр во втором слагаемом  появляется множитель, равный 2. Ток Iа протекает в течение одного полупериода и имеет синусоидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный  (поскольку ). В однофазной мостовой схеме выпрямителя Kтр = 1,23, что используется  в уравнение для Pтр. Тогда, для схемы со средней точкой имеем   

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом

(трехфазный однополупериодный)

Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода (вентиля). Нагрузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом трансформатора.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных точек схемы выпрямления.

На интервале времени [t1;t2] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами  относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей  фазы “a”.

В момент t2 происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы “b” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t2; t3] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “b” и “a” и он находится в закрытом состоянии.

В момент t3 прикладывается линейное напряжения Uca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

К недостатком этой схемы можно отнести:

  •  Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.
  •  Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение Bm), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.
  •  Более низкие качественные показатели (K п , K0) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.
  •  Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения  и возрастают пульсации.
  •  С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из - за  нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

  •   более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).
  •  с точки зрения монтажа – существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе.

 

Основные соотношения:

 

 

Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем выпрямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений в различных точках схемы выпрямления.

На интервале [t1;t3] фаза “a” имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается “+”). В момент времени t3 происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза “b” становится более положительной по отношению к другим фазам.

На  интервале [t2;t4] фаза “c” имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля  и он работает два такта.

К недостаткам схемы можно отнести:

  •  Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.
  •  Наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

  •  Высокое значение коэффициента выпрямления К0 и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.
  •  Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.
  •  Возможность использования  различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи.
  •  Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный).
  •  Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

В связи с вышеперечисленным  рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.

Основные соотношения:

 

;;

;;

Аномальные режимы работы выпрямителей

I    При неправильном подключении диода (обращенный диод) в схеме выпрямителя возникает короткозамкнутый контур, что приводит к выгоранию группы, где установлен обращенный диод.

                где  R2 , R4 – динамические сопротивления диодов.

 II  При сгорании предохранителя, установленного в цепи диода, происходит пропадание одной из полуволн фазного напряжения, что приводит к снижению уровня средневыпрямленного напряжения и появлению низкочастотной пульсации.

Рассмотрим на примере предохранителя F3. При сгорании данного предохранителя не обеспечивается прохождение отрицательной полуволны напряжения фазы “ b ”.

 На интервале [t1;t3] наиболее высокий потенциал имеет фаза “a” по сравнению с другими фазами, низкий - у фазы “c”, т.к. фаза “b” отсутствует. В момент времени t2 не будет происходить перекоммутация. Поэтому второй и пятый вентили работают два такта.

В момент t7 происходит перекоммутация двух вентилей т.к. отрицательная полуволна фазы “b” отсутствует, а фазы “a” и “c” в точке пересечения изменяют свой знак.

III  При сгорании предохранителя, установленного во вторичной цепи трансформатора в одной из фаз (смотрите выше приведенный рисунок для Fb), происходит обрыв этой фазы, что приводит к уменьшению уровня средневыпрямленного напряжения и появлению низкочастотной пульсации, равной 2f сети.

Форма выпрямленного напряжения идентична форме на выходе однофазного мостового выпрямителя с той разницей, что вместо фазного напряжения на вход подается линейное напряжения двух фаз.

В моменты времени t2 и t3 нет коммутации из-за обрыва фазы “b”. В моменты времени t1 и t4 происходит перекоммутация двух вентилей. На интервале [t1;t4]  наибольший потенциал имеет фаза “a” , поэтому положительный потенциал прикладывается к диоду VD2 и через него протекает ток, а наибольший отрицательный потенциал фазы “c” прикладывается к катоду VD5.

IV  При перекосе фазных напряжений происходит снижение уровня выпрямленного напряжения и появление низкочастотной пульсации. Диаграммы аналогичны пропаданию фазы.

Способы повышения пульсности выпрямителей

I  Для повышения мощности выпрямительных устройств используют последовательное или параллельное их включение. При сочетании двух способов соединения обмоток трансформатора (“треугольник” и “звезда”) в первичной либо во вторичной цепях схем выпрямителей, включенных параллельно или последовательно пульсность  устройства возрастает в два раза.

Если каждый из выпрямителей построен по трехфазной мостовой схеме  (p = 6), то получаем схему 12- пульсного  выпрямителя. При питании каждого из мостов напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол 2/6 (30), пульсации выходных напряжений мостов В1  и В2 оказываются сдвинутыми также на  30.

При расчете трансформатора для 12- пульсного выпрямителя следует учесть, что  из первичной цепи трансформатора во вторичную передаются фазные напряжения. В трехфазном мостовом выпрямителе в нагрузку передается линейное напряжение трансформатора. Поэтому для согласования выпрямителей во вторичной цепи трансформатора, включенного в “треугольник” необходимо увеличивать число витков фазных обмоток вторичной цепи в  раз (т. к. в “звезде”: ; “треугольнике”: ).

На рисунке приводятся временные зависимости выпрямленного напряжения в 12- пульсном выпрямителе.

II  За счет использования включения трансформаторов во вторичной цепи в “зигзаг” можно осуществлять многократное расщепление фазных напряжений. При каждом расщеплении будет в два раза увеличиваться пульсность выпрямителя.

Соотношение витков полуобмоток вторичной цепи трансформаторов, включенных в “зигзаг” подбирается таким образом, чтобы получить фазовый сдвиг напряжений на входах выпрямителей 15 по отношению к друг другу. При этом пульсность на выходе выпрямительного устройства (для Ud) увеличивается в 2 раза.

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость средневыпрямленного напряжения от тока  нагрузки. Схема замещения выпрямителя на стороне  постоянного тока имеет вид:

На этом рисунке  обозначено:     U0хх – максимальный уровень напряжения на “холостом ходу” неуправляемого выпрямителя без учета противо - ЭДС диода (Uпор),   т.е. ,        где ;

 Nд – число вентилей (диодов) одновременно проводящих ток  (в однополупериодной схеме Nд=1, в двухполупериодной - Nд=2);

Rкз – потери в обмотках трансформатора, определяемые из опыта “короткого замыкания”;

Rд – динамическое сопротивление диода;

Rф – активные потери в дросселе сглаживающего фильтра.

Уравнение для определения среднего напряжения на выходе нагруженного выпрямителя имеет вид:

, где .

На рисунке представлена внешняя характеристика выпрямителя.

Напряжение в точке “а” характеристики определяется из выражения , где

Nс – нестабильность входного напряжения (относительные единицы),

U2ном – номинальное значение напряжения во вторичной цепи трансформатора.

Напряжение в точке “б” характеристики равно

Под семейством внешних характеристик понимается построение U0=f(I0) с учетом отклонения напряжения сети и в диапазоне тока (I0maxI0min).

При построении регулировочной характеристики в управляемом выпрямителе учитываются значения напряжения в точках “а” и “б” и диапазон отклонения напряжения от номинального (NС).

Влияние индуктивности рассеяния трансформатора на форму выпрямленного напряжения в 3-х фазной схеме выпрямления

с нулевым выводом

На интервале [t1;t2] по первому закону коммутации ток VD1 не может скачком измениться до нуля, происходит снижение тока по экспоненциальному закону. Ток в цепи диода VD2 также нарастает по экспоненте. К нагрузке прикладывается напряжение 2-х фаз (“a” и “c”), что оказывает влияние на форму выпрямленного напряжения. Это уменьшает уровень выпрямленного напряжения и увеличивает уровень пульсаций напряжения на нагрузке.

При работе на индуктивную нагрузку происходит аналогичное влияние на  форму выпрямленного напряжения угла коммутации, связанного с индуктивными элементами нагрузки. Угол  коммутации зависит от величины Iнагр, поэтому данная схема имеет ограничение по величине тока  из-за влияния индуктивности рассеяния трансформатора. Схема замещения на интервале коммутации имеет вид:

 На рисунке изображены временные зависимости токов и напряжений в цепях, поясняющие процессы в схеме выпрямителя на интервале коммутации .

Используя метод узловых потенциалов, получим выражение для среднего значения выходного  напряжения выпрямителя с учетом влияния индуктивности нагрузки:

.

 

При получении выражения для U0 с учетом влияния индуктивных элементов цепей пренебрегают не заштрихованной площадью S1, а заштрихованную площадь описывают синусоидальным законом изменения напряжения при 0.5U2m.

, где   

Для анализа внешней характеристики выпрямителя вводят параметр , учитывающий влияние Ls. С увеличением тока спад внешней характеристики будет больше.

  

      Влияние  магнитной  асимметрии на работу  выпрямителя

 

На входе выпрямителя, как правило, установлен трёхфазный трансформатор с объединенной магнитной системой, у которого обмотки расположены на трех стержнях.

В таком трансформаторе, вследствие различия магнитных сопротивлений для разных фаз намагничивающие токи  фазных обмоток не равны между собой:  токи крайних фаз (IОА и IОС) больше тока средней фазы (IОВ). Это приводит к нарушению фазовой симметрии (углы сдвига отличаются от 120 градусов). Для уменьшения магнитной асимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение верхнего и нижнего  ярма делают на 10…15% больше, чем стержня. Однако, асимметрия всё  равно  остаётся и  влечёт  асимметрию  фазных напряжений.

Напряжение в фазе В больше напряжения других фаз из - за снижения потерь в магнитопроводе, а векторы фазных напряжений А и С имеют отклонения относительно симметричной магнитной системы на угол α.

 

Асимметрия фазных напряжений приводит к искажению формы выпрямленного напряжения, изменению уровня среднего напряжения на выходе выпрямителя и появлению  низкочастотных составляющих пульсаций, что снижает качественные показателя выходного напряжения.

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Активно-индуктивная нагрузка  

Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:

На рисунке изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.

На интервале [t1;t2] положительный потенциал фазы U1 проводит диод VD1, при этом в дросселе Lн накапливается реактивная энергия .

На интервале [t2;t3] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U1 (такой режим называется инверторным). Происходит затягивание тока вентиля.  Задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод VD2, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U1 ток протекает по контуру:

“+” U1VD1LнRнVD4”-“ U1.

Предположим, что при прохождении  напряжения U1 через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через  VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

 На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U1.

На интервале зар U1>UС и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале раз, когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из- за уменьшения постоянной цепи разряда раз =RНС. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева – метод номограмм. Он основан на расчете  вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль. Вводят коэффициент А=f(), где  - угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей.  Расчет  параметров Uобр, Iаср, Iад, U2, I2 выполняют через  вспомогательные коэффициенты: В, С,  D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале . При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности  (С ), а пороговое напряжение диода равным нулю. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока:      (1)

,   (2).

Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для Ud.

На интервале 2 ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cos, получим: .

Схема удвоения напряжения

   Классическая  (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

             

Напряжение на нагрузке  складывается  из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U01 U2m , а напряжение на нагрузке U0 ≈ 2U2m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком  симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки  нагрузки и трансформатора.

        Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является  то, что нагрузка  имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.

В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так: 

                       

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.

     Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение - напряжение на нагрузке  U0 ≈ 6Um2 . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.

        Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия  вследствие большого числа перезарядов.

       Более высоким КПД обладают бестрансформаторные  высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом   n штук накопительных конденсаторов С1.

Управляемые зарядный и разрядные ключи  Кз и  Кр работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С1 параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи  Кр. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.

Контрольные вопросы

  1.  Принципы построения выпрямителей. Критерии качества выпрямленного напряжения.
  2.  Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного).
  3.  Поясните принцип действия однофазного выпрямителя со средней точкой трансформатора.
  4.  Поясните принцип действия трехфазного мостового выпрямителя.
  5.  Поясните принцип действия трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.
  6.  Поясните принцип действия многопульсного выпрямителя.
  7.  Влияние различных видов нагрузок на работу выпрямителей: активно – индуктивная и емкостная нагрузки.
  8.  Поясните  внешнюю характеристику выпрямителя. 
  9.  В каких схемах выпрямления через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая выпрямленного тока  и как это влияет на работу трансформатора?
  10.  Проведите сравнительный анализ двух схем: трехфазной схемы с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы.
  11.  Проведите сравнение внешних характеристик для трехфазной мостовой и трехфазной схемы с нулевым выводом.
  12.   Покажите, что с увеличением пульсности  выпрямителя величина выходного напряжения возрастает. Чему равен предел lim U0 ?

                                                  p 

Вопросы тестового контроля

  1.  Схема какого выпрямителя изображена на рисунке?

а) однофазный однотактный;

б) однофазный двухтактный;

в) трехфазный однотактный;

г) трехфазный двухтактный;

д) 12 – пульсный.

Ответ: г

  1.  Пульсность  выпрямителя, изображенного на рисунке, равна

Ответ: 6

  1.  Коэффициент пульсаций  выпрямителя, изображенного на рисунке равен

Ответ: 0,057

  1.  При подключении осциллографа к выходу неуправляемого, трёхфазного, двухтактного выпрямителя

  наблюдаем  форму напряжения …

Ответ: в

  1.  При подключении осциллографа к выходу неуправляемого, трёхфазного, однотактного выпрямителя

  наблюдаем  форму напряжения…

Ответ: б

  1.  При подключении осциллографа к диоду в неуправляемом, трёхфазном, однотактном  выпрямител

е наблюдаем  форму напряжения …

Ответ: г

  1.  При работе на активно–индуктивную нагрузку вместо активной в однофазном, однотактном, неуправляемом выпрямителе происходят следующие изменения

а) частота пульсаций  увеличится в 2 раза;

б) нет правильного ответа;

в) увеличится интервал времени отдачи энергии в первичную сеть.

г) исчезнет отрицательный (положительный) выброс;

д) появится положительный выброс напряжения.

Ответ: б

  1.   На выходе неуправляемого выпрямителя имеет место следующая форма напряжения U2

Постоянная составляющая напряжения в вольтах равна

а)

б)

в)

г)

д)

100

50

25

12.5

0

Ответ: г

  1.  

На вход идеального однофазного, мостового, неуправляемого выпрямителя подается напряжение U2

Постоянная составляющая напряжения на выходе в вольтах равна

а)

б)

в)

г)

д)

100

50

25

12.5

0

Ответ: в

10.  Мгновенное значение напряжения на выходе трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя в момент времени t = t1 равно

а) 0;           б) 0,5;          в) 1,0;          г) 1,5;           д) 2,0.

Ответ: в




1. Покарання за злочин
2. ОБУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ОДЕЖДЫ ПРИ СОТВОРЧЕСТВЕ ПЕДАГОГА И УЧЕНИКА Проблема сот
3. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук Луганськ ~
4. Политические и экономические реформы 19851991 гг
5. коммуникационных технологий 403 Карабельская Ирина Владимиро
6. Они неразрывно связаны с важнейшими событиями в истории края с жизнью и деятельностью выдающихся людей.
7. Варіант ’2 Шифр 1.html
8. Информационные технологии Рабочая учебная программа по дисциплине Системы искусст
9. Тема 7 1. а б г д.
10. Несколько способов поднять собственный энтузиазм
11. Число жизни Код судьбы
12. Процедуры и техники консультирования консультативного взаимодействия
13. В мире существуют два наиболее распространенных направления в регулировании экономики- нео.html
14. по теме- ldquo;Методика обследования органов пищеварения
15. Свадьба Вашей мечты 2014
16. Это общественное отношение возникающие на основе реализации норм налогового права
17. Троицкого собора Саратова
18. Охорона праці Суть завдання та організація охорони праці
19. Майнове страхування
20. Общая характеристика преступлений против конституционных прав и свобод