Выпрямительные устройства

Выпрямителем называют электронное устройство, обеспечи­вающее преобразование электроэнергии переменного тока в электроэнергию пульсирующего (однонаправленного) тока с той или иной степенью приближения к постоянному.

В общем случае выпрямитель может быть представлен в виде блок-схемы, представленной на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Блок-схема выпрями­теля:

/ — трансформатор; 2 — вентиль­ный блок; 3 — фильтр; 4 — нагруз­ка; 5 и 6 — блоки управления, за­щиты и сигнализации

Трансформатор 1 предназначен для согласования величин входного и выходного напряжений выпрямителя, а также галь­ванического разделения питающей сети и нагрузки. В некото­рых случаях на трансформатор возлагаются также функции ре­гулирования выходного напряжения за счет изменения его ко­эффициента трансформации. Вентильный блок 2 через фильтр 3 осуществляет выпрямление переменного тока в цепи нагрузки 4. Если вентильный комплект выпрямителя выполнен на управляемых вентилях, то в структуру выпрямителя входит блок 5, включающий в себя устройство управления вентилями, обеспечивающее подачу на вентили управляющих сигналов в соответствии с заданным алгоритмом регулирования режимов работы выпрямителя. Для обеспечения нормальной эксплуата­ции выпрямителя и защиты его от повреждений в аварийных режимах в его структуру входит еще блок 6 защиты и сигнализа­ции, а также встроенной диагностики.

В некоторых случаях отдельные элементы в выпрямителе мо­гут отсутствовать, например, бестрансформаторные выпрямите­ли или выпрямители без выходных фильтров (как правило, мно­гофазные).

^ Выпрямители могут быть классифицированы последующим основным признакам:

- по числу фаз источника питания различают однофазные и многофазные выпрямители;

- по возможности регулирования величины выходного напряже­ния - неуправляемые и управляемые выпрямители;

- по структуре вентильного комплекта — мостовые и со сред­ней точкой;

- по типу вентиля вентильного комплекта — диодные, транзи­сторные, тиристорные, комбинированнные (диодно-тиристорные).

Иногда выпрямители классифицируют по мощности и величи­не выходного напряжения, но эта классификация весьма условна. Обычно по мощности выделяют выпрямители малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой (свыше ста киловатт) мощности, а по напряжению — низкого (до 250 В), сред­него (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжения.

Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора структуры вентильного комплекта, типа применяемых приборов и методов расчета параметров и характеристик выпря­мителя и его элементов.

^ Характер нагрузки также может быть классификационным признаком, и в зависимости от этого различают выпрямители, работающие на активную, активно-индуктивную нагрузку и на­грузку, содержащую ЭДС.

При проектировании и разработке выпрямителей необходимо знать условия работы их элементов и определить их параметры.

Для точного определения характеристик и параметров вы­прямителя и его элементов проводят детальный анализ элек­тромагнитных процессов, происходящих в выпрямителе, вы­полнить который с учетом реальных параметров элементов вы­прямителя крайне сложно. В то же время при принятии неко­торых допущений, не искажающих физику происходящих про­цессов, но в определенной степени идеализирующих характе­ристики элементов выпрямителя, можно получить достаточно простые и наглядные расчетные соотношения, которые при необходимости можно уточнять, Такими уточнениями являют­ся: трансформатор без потерь, вентили — идеальные ключи, направление источника — синусоидальное.

Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока на примере простейшего однофазного однополупериодного идеализированного выпрямителя с принципиальной схемой, изображенной на рис. 9.2, а и состоящей из трансформатора Тр, диода VD и нагрузочного резистора .

К первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение пита­ющей сети. Тогда в случае идеального трансформатора на его вторичной обмотке также будет синусоидальное напря­жение.

При полярности напряжения на вторичной обмотке транс­форматора, указанной на рис. 8.5, а (интервал времени от 0 до л на рис. 9.2, б), к диоду приложено напряжение вторичной об­мотки трансформатора в прямом направлении и он находится в проводящем состоянии, а падение напряжения на нем практи­чески равно нулю. При этом все напряжение вторичной обмот­ки трансформатора прикладывается к нагрузке и по ней, вто­ричной обмотке трансформатора, и диоду протекает ток .

Рис. 9.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель: а — схема; б — диаграмма тока и напряжения на элементах схемы

На интервале времени от до напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет противоположную полярность, диод VD находится в непроводящем состоянии и к нему в обрат­ном направлении прикладывается напряжение вторичной об­мотки трансформатора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю, а ток в ней, во вторичной обмотке трансформатора и в диоде отсутствует. Далее процессы в выпрямителе повторяются.

Таким образом, к нагрузочному резистору прикладывается напряжение только одной полярности (выпрямленное напряже­ние) и по нему будет протекать ток только одного направления.

Среднее значение выпрямленного напряжения за указанный период

(9.1)

где — действующее напряжение на вторичной обмотке транс­форматора; .

Поскольку при активной нагрузке ток в ней повторяет форму приложенного к нагрузке напряжения, то среднее значение вы­прямленного тока

(9.2)

В настоящее время наиболее распространенным способом из­менения величины выпрямленного напряжения является непо­средственное воздействие на ключевые элементы вентильного комплекта, которые в этом случае должны быть управляемыми (например, тиристоры). Тогда, изменяя момент включения ти­ристора на интервале его проводящего состояния (изменяя угол регулирования ), можно изменять величину выпрямленного на­пряжения. Часто такой способ, называемый фазовым регулирова­нием, сочетают с изменением коэффициента трансформатора (зонно-фазовое регулирование). В этом случае получают более высокие значения коэффициента мощности выпрямителя.