Однофазный однополупериодный выпрямитель

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 = U_2m 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 I_a, I_a.эф и U_b.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.