Классификация и основные параметры выпрямителей
Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители
Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и диоды, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. С помощью трансформатора в выпрямителях производится преобразование величины напряжения, электрическое разделение отдельных цепей, преобразование числа фаз.
В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления.
Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:
- средние значения выпрямленного напряжения U d (U ср) и тока I d (I ср);
- коэффициент полезного действия h;
- коэффициент мощности c;
- внешняя характеристика - зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки U d = f (I d);
|
|
- коэффициент пульсаций К п - отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянной составляющей).
В зависимости от характера нагрузки изменяется режим работы трансформатора и диодов. Различают режимы работы выпрямителя на чисто активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную нагрузки.
Рассмотрим работу различных схем однофазных выпрямителей на активную нагрузку.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель
На схеме приняты следующие обозначения напряжений и токов:
- U 1, U 2 – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора;
- I 1, I 2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора;
- I a – средний ток диода VD;
- U d – среднее значение выпрямленного напряжения;
- I d – среднее значение выпрямленного тока.
Анализ работы схемы проведём по упрощённой методике, без учёта потерь напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и динамическом сопротивлении открытого диода.
Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Временная диаграмма работы однофазного однополупериодного выпрямителя
Под действием переменного напряжения u2 = U2m sinwt вторичной обмотки ток в цепи нагрузки может проходить только в течение нечётных полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В чётные полупериоды, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю.
Мгновенное значение выпрямленного тока:
|
|
, при 0<wt<p;
, при p<wt<2p,
где - максимальное значение выпрямленного тока.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
. (3.1)
Среднее значение выпрямленного тока (а также тока диода):
. (3.2)
Действующее (эффективное) значение тока диода:
. (3.3)
Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки:
. (3.4)
По найденным величинам Ia, Ia.эф и Ub.max выбирается диод для работы в схеме. Согласно полученным результатам диод должен допускать максимальное обратное напряжение в 3,14 раза превышающее напряжение в нагрузке, или в Ö2 раз больше напряжения вторичной обмотки трансформатора. Переменная составляющая выпрямленного напряжения и тока для данной схемы, как следует из временных диаграмм для u и i, велика, причем основная гармоника пульсаций имеет частоту, равную частоте питающей сети.
Рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки:
.
Отношение действующего значения фазного тока I 2 к его среднему значению I 2cp называется коэффициентом формы тока D (или К ф):
. (3.5)
Постоянная составляющая фазного тока:
, (3.6)
где m 2 – число фаз вторичной обмотки трансформатора. В рассматриваемой схеме m 2 = 1.
Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока:
. (3.7)
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:
.
Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:
, (3.8)
где P d = U d× I d – мощность постоянного тока в нагрузке.
Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора можно определить из уравнения магнитного равновесия трансформатора, если пренебречь током намагничивания и учесть, что постоянная составляющая тока в первичную обмотку не трансформируется. Уравнение магнитного равновесия трансформатора по переменному току
.
Мгновенное значение тока первичной обмотки
,
где n – коэффициент трансформации.
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:
. (3.9)
Расчетная мощность первичной обмотки:
. (3.10)
Расчетная (типовая) мощность трансформатора:
. (3.11)
Коэффициент использования трансформатора по мощности:
.
Коэффициент мощности выпрямителя в общем виде определяется как:
,
где - активная мощность первичной обмотки, представляющая собой среднее значение мощности переменного тока за период и определяющаяся как сумма активных мощностей отдельных гармонических составляющих тока;
- полная мощность первичной обмотки.
Если полагать, что напряжение питающей сети синусоидально, то . Следовательно, коэффициент мощности
, (3.12)
где - коэффициент искажений;
j1 – угол сдвига фаз между напряжением питающей сети и первой гармоникой тока первичной обмотки.
В рассматриваемом случае j1 = 0, но коэффициент мощности меньше единицы, так как n = 0,9 < 1. Это является одной из причин, вызывающих увеличение габаритных размеров трансформатора.
Активная мощность выпрямленного тока вычисляется как среднее значение мощности пульсирующего тока за период:
, (3.13)
то есть мощность Р а больше мощности постоянного тока в нагрузке примерно в 2,5 раза, что также является причиной увеличения размеров трансформатора.
В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. Это явление принято называть вынужденным намагничиванием (подмагничиванием) трансформатора.
В результате подмагничивания намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током при нормальном режиме работы (без подмагничивания). Возрастание намагничивающего тока требует увеличивать сечение провода первичной обмотки и размер трансформатора в целом. Однополупериодный выпрямитель из-за перечисленных недостатков применяется достаточно редко.
|
|