Краткие теоретические сведения. Выпрямитель ─ это статическое устройство, которое используется

Выпрямитель ─ это статическое устройство, которое используется

для преобразования переменного тока в постоянный.

Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рисунок 30).

Uвх U₂Uвых

Рисунок 30 ─ Структурная схема выпрямителя

Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение Uвх к значению U₂, которое необходимое для выпрямление; електрически отделяет нагрузку Н от сети; изменеяет число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ превращает переменный ток в пульсирующий однонаправленный.

Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного тока (напряжения) к значению, необходимому для работы нагрузки Н.

Трансформатор и сглаживающий фильтр не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Основными параметрами, которые характеризуют качество работы выпрямителя, являются:

─ среднее значение выпрямленного (выходного) напряжения Vср и тока Iср:

; ,

где Т ─ период изменения выходного напряжения (тока);

─ частота пульсации выходного напряжения (тока):

;

Р ─ коэффициент пульсации, который равняется отношению амплитуды напряжения пульсации к среднему значению выходного напряжения

Работа вентильной группы выпрямителя основывается на свойствах вентилей ─ нелинейных элементов, которые пропускают ток преимущественно в одном направлении.

Полупроводниковые диоды обычно используют как вентили.

Различают однополупериодное () и двухполупериодное () выпрямление переменного однофазного тока.

В этой работе используют однополупериодный и мостовой двухполупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 31, а.

Из диаграмм мгновенных значений (см. рисунок 31, б) видно, что ток в нагрузке имеет пульсирующий характер.

В первый полупериод, если потенциал Uа большее Uв, вентиль открывается и в нагрузке появляется ток. Сопротивление вентиля в открытом состоянии равняется нулю, то есть все напряжение приложено к нагрузочному резистору [ см. кривую на рисунке 31, б ].

Во второй полупериод вентиль закрыт, его сопротивление близко к бесконечности. Это означает, что все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к сопротивлению вентиля.

Более эффективными являются двухполупериодные выпрямители. В них выпрямляются обе полуволны переменного тока.

На рисунке 32 дана схема мостового выпрямителя в качестве примера двухполупериодного выпрямления, там же представлена временная диаграмма токов и напряжений.

Для сглаживания (уменьшения пульсаций) выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры. Для этого с целью обеспечения фильтрации последовательно с нагрузкой включают элементы, которые имеют большое сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока и малое - для постоянной, а параллельно с нагрузкой используют элементы, которые имеют малое сопротивление для переменной и большое - для постоянной составляющей.

За элементы, которые последовательно включают, берут индуктивную катушку с ферромагнитным сердечником (дроссель) или параллельный LC - контур, который настроен в резонанс на частоту пульсаций.

За элементы, которые включают параллельно погрузке, берут конденсатор большой емкости или последовательный резонансный LC- контур. Простой фильтр - это есть один конденсатор или один дроссель.

VD1 VD1

VD2

u₂ R_н u₂

VD4

b VD3

a a

u₂u₂

i_vd1,vd3

i_vd₁i_vd₁wt u_vd_1,_vd₃wt

u_vd₁u_vd₁i_vd_2,_vd₄

u_vd_2,_vd₄wt

i_н

u_н wt

u_н, wt

б б

Рисунок 31 – Схема (а) и временные Рисунок 32 – Схема (а) и диаграммы токов и напряжений (б) временные диаграммы (б) однополупериодного выпрямителя токов и напряжений

двухполупериодного выпрямителя

Рассмотрим работу простых фильтров в постоянном режиме, то есть спустя некоторое время после включения напряжения.

На рисунке 33 приведена схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.

Ток в диоде VД появляется тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора u , больше напряжения на конденсаторе, что соответствует интервалам времени и (рисунок 33,б).

В это время конденсатор С заряжается до момента времени , когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе , диод VД закрывается, а конденсатор разряжается на нагрузочный резистор .

К закрытому вентилю в это время прикладывается напряжение , максимальное значение которого равняется почти двойному значению .

К моменту времени напряжение снова становится большим , диод VД снова становится открытым и ток начинает заряжать конденсатор С і дал так далее.

Таким образом, ток нагрузки , который без фильтра отсутствовал в отрицательных полупериодах напряжения , теперь появляется за счет разряда конденсатора С. Это уменьшает пульсацию. Емкость конденсатора выбирают такой, чтобы выполнялось условие .

Наличие индуктивных элементов в цепи переменного тока приводит к отставанию (во времени) изменения тока от изменения напряжения.

На рисунке 34,а изображена схема однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром.

Во время положительного полупериода по мере возрастания напряжения (рисунок 34, б) ток в цепи возрастает и магнитный поток дросселя увеличивается. При этом в обмотке дросселя возникает ЕДС самоиндукции ,которая по закону Ленца противодействует возрастанию тока, то есть направлена противоположно приложенному напряжению.

До тех пор, пока ток возрастает (что соответствует накоплению энергии магнитного поля в сердечнике дросселя), ЕЛС самоиндукции имеет отрицательный знак.

Однако, если ток начинает уменьшаться, ЕДС самоиндукции становится положительной, совпадает по направлению с приложенным напряжением и поддерживает ток в цепи.

За счет энергии магнитного поля, которая накоплена в сердечнике дросселя, ток в цепи будет протекать и на протяжении отрицательного полупериода.

Форма кривой выпрямленного напряжения повторяет форму кривой тока.

VD VD L