Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов). Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствие нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинальной величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.[3]

Неуправляемые выпрямители

Рис.4. Структурная схема и кривые напряжений выпрямителя

Основным элементом схем выпрямления является диод (вентиль). Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением при протекании тока в прямом направлении по сравнению с сопротивлением при протекании тока в обратном направлении.

Рис.5. Режим работы диода

Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Как и в случае некоторых других полупроводниковых приборов, величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать. [4]

Для режима работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер нагрузки, включённой на выходе, т.е. схема сглаживающего фильтра. Питание выпрямителей производится от переменного напряжения синусоидальной или прямоугольной формы.

В устройствах малой (до 300 Вт) и средней до 1 кВт мощности широко используются выпрямители, работающие на фильтрах, начинающихся с ёмкости.

Такие фильтры позволяют получить хорошее сглаживание выпрямленного напряжения при малых размерах фильтра. Выпрямители, работающие на ёмкости, используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений (от единиц вольт до десятков кВт).

При выборе вентилей необходимо знать их следующие параметры:

· максимально допустимое среднее значение выпрямленного тока I_овд;

· максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения U_обр. д;

· максимально допустимое амплитудное значение тока через вентиль I_макс. д;

· прямое падение напряжения на вентиле D_Ев, измеренное на постоянном токе, или внутренне сопротивление вентиля R_i, определяемое из статических вольт-амперных характеристик вентиля;

· максимальное значение обратного тока при максимально допустимом обратном напряжении на вентиле I_обр. макс.;

· максимально допустимое значение частоты выпрямляемого переменного напряжения f_макс. д.

Управляемые выпрямители.

Для регулирования выпрямленного напряжения используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, называемых тиристорами. Такие устройства обычно предназначены для питания потребителей средней и большой мощности, в которых при больших токах нагрузки используют индуктивные фильтры.

Тиристором называют управляемый полупроводниковый прибор с p-n-p-n структурой, способный под действием сигнала управления переходить из закрытого состояния в открытое (проводящее). На рис. 2.1 приведено условное обозначение тиристора и схема его включения. Электроды прибора называются: А – анод; К –катод; УЭ – управляющий электрод. В цепь управляющего электрода включается источник управляющих импульсов u_y.

При указанной полярности напряжения U и отсутствии управляющего импульса тиристор, в отличие от обычного диода, будет находиться в непроводящем состоянии (I_a=0). Если теперь на управляющий электрод подать отпирающий импульс U_y, тиристор включается и через нагрузку начинает протекать ток

Важнейшим свойством тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате смены полярности прикладываемого к нему напряжения или спада тока до нуля. Управляющая цепь служит только для включения тиристора.

Основные статические параметры тиристора:

· Iпр.max – максимально допустимый прямой ток тиристора;

· Uпр.ср – среднее значение прямого напряжения на открытом тиристоре;

· Uобр.max – максимально допустимое постоянное обратное напряжение тиристора;

· Uпр.зак.max - максимально допустимое постоянное прямое напряжение закрытого тиристора.

Рис.7. Управляемый однополупериодный выпрямитель

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωtз. tз - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).

Рис. 8 - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью фазовращателя.[5]

Однофазные выпрямители

Однофазные выпрямители применяют на малые и средние мощности. В них первичная обмотка трансформатора состоит из одной фазы и питаются от однофазной сети. Однофазные выпрямители применяются в электроэнергетике для испытания изоляции электрооборудования, в блоках питания и других устройствах.

Рис.9. Схема однополупериодного выпрямления

Состоит из трансформатора T , к вторичной обмотке которого подключен диод VD, нагрузочный резистор R_H, и при необходимости, сглаживающий фильтр С.

Трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, которые гальванически не связаны друг с другом. После трансформатора переменное напряжение преобразуется в пульсирующее напряжение с помощью диода. При выборе диода учитывается максимально допустимый средний прямой ток и амплитудное значение обратного напряжения.

В выпрямленном напряжении присутствует постоянная и переменная составляющая. Для снижения пульсаций используется сглаживающий фильтр. Если необходимо получить неизменное значение выпрямленного напряжения на сопротивлении R_H, то применяется стабилизатор напряжения.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать.

В первый полупериод, когда U₂>0 диод открыт и на R_H падает напряжение U_R. Во второй полупериод, при U₂<0 диод закрыт. Среднее значение напряжения U_d, выпрямленный ток (среднее значение) в нагрузке I_d и обратное напряжение U_обр.

Достоинством однополупериодного выпрямителя является его простота, недостатки: большие пульсации и малые выпрямленные значения напряжения и тока.

Кроме того, ток во вторичной обмотке трансформатора протекает только в одном направлении (когда диод открыт) и, следовательно, имеет постоянную составляющую.

Это вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, уменьшается его магнитная проницаемость, снижается индуктивность обмоток трансформатора.

Следствием является рост холостого хода, увеличение потерь в трансформаторе и снижение КПД выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель обычно применяют для питания нагрузок, мощностью не более 15Вт.

Двухполупериодный выпрямитель использует две обмотки трансформатора, включенные согласно. В один из полупериодов открыт диод VD₁, VD₂ закрыт. В другой полупериод VD₁ закрыт, VD₂ открыт.

Следовательно, через нагрузку в оба полупериода ток протекает в одном направлении. Среднее значения напряжения в нагрузке U_d=0.9U₂. Выпрямленный ток в нагрузке I_d=U_d/R_H, U_обр=2U_2m.

Рис.10. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель состоит из двух схем однополупериодных выпрямителей. Поэтому мощность его ограничена вследствие наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки трансформатора.

Достоинством является низкие пульсации и высокое значение выпрямленного напряжения. Разница амплитуд напряжений вторичной обмотки трансформатора и нагрузки отличается на величину падения напряжения только в одном диоде.

Поэтому схема применяется для измерения значений переменных напряжений и токов (два раза за период) в релейной защите и автоматике.

Трехфазные выпрямители

Многофазные выпрямители применяются как правило только в промышленной и специальной аппаратуре.

Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.

Рис.11. Трехфазный выпрямитель

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку.

Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз(т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Достоинства: Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки: Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

Рис.12. Схема Ларионова

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку. Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Недостатки: Увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Выпрямители для безтрансформаторного питания аппаратуры.

Безтрансформаторные выпрямители являются простейшими неавтономными источниками постоянного тока. Они применяются при напряжениях близких к напряжению сети или превышающих его в 1,5 – 2,5 раза и токах до нескольких десятков миллиампер.

Ограниченное применение безтрансформаторных выпрямителей объясняется в первую очередь требованиями техники безопасности, так как оба полюса выпрямленного напряжения гальванически связаны с сетью. Второй недостаток таких выпрямителей – отсутствие гибкости при выборе выпрямленного напряжения. Для радиоаппаратуры можно использовать в качестве безтрансформаторных выпрямители: Однополупериодный, мостовой, удвоения напряжения. Основные характеристики такие же как и в случае с трансформаторным питанием. Сетевое напряжение подключают к точкам подключения вторичных обмоток трансформаторов(вместо трансформатора). [6]

Область применения

Выпрямители применяются в достаточно большом количестве преобразовательных устройств и систем,. К ним, прежде всего, можно отнести системы для электрических приводов, телекоммуникационные устройства, электролизные и электротермические установки, сварочные и зарядные аппа­раты, системы бесперебойного электропитания и т. д. По сути перечисленное оборудование является нелинейной нагрузкой, применение которой приводит к возникновению искажений тока и напряжения в питающей сети, вследствие чего возникают проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью источника питания и нагрузки. Поэтому необходимо нормировать отрицательное воздействие нелинейных нагрузок на питающую сеть. В России разработаны системы стандартов и сертификации по электромагнитной совместимости.

В настоящее время предложено большое разнообразие выпрямительных схем, позволяющих улучшить гармонический состав входного тока. В зару­бежных публикациях уже предлагаются некоторые классификации выпрямительных схем, позволяющие выделить отдельные группы схем выпрямителей по тем или иным общим признакам. Руководствуясь классификацией, можно выделить две основные группы выпрямителей - "Unidirectional" и "Bidirectional", каждая из которых включает в себя следующие виды выпрямителей: Boost rectifier, Buck rectifier, Buck-Boost rectifier, Multilevel rectifier, Multipulse rectifier. В России исследовательские работы в отношении перечисленных схем выпрямителей ведутся достаточно активно.

В последнее время усилился интерес к многоуровневым выпрямителям (Multilevel rectifier), позволяющим формировать входной ток, близкий к синусоиде. Несмотря на достаточно большое количество работ, посвящённых исследованию многоуровневых выпрямительных схем, остаются вопросы, которые по тем или иным причинам освещены в меньшей степени.

Заключение

Постоянный ток имеет очень широкое применение во многих отраслях. Прежде всего это электроприводы. Двигатели на постоянном токе позволяют формировать самые разнообразные электротехнические характеристики, которые недоступны при использовании переменного тока. Их использование имеет главное преимущество в том, что обеспечивает достаточно широкий диапазон регулирования при относительной простоте его осуществления. Например, можно обеспечить необходимую скорость вращения ротора практически под любой нагрузкой. Именно поэтому электродвигатели постоянного тока используются в качестве главных силовых агрегатов таких транспортных средств, как поезда метро, троллейбусы и трамваи. Наиболее эффективными способами управления приводами на постоянном токе являются системы, предусматривающие тиристорно-импульсное регулирование. Также есть определенная техника и технологии, которые предусматривают использование только постоянного тока. Это, прежде всего, электрохимические установки, использующие электролиз, специальные плавильные печи, а также различные автономные системы, использующие в качестве источника электроэнергии постоянный ток. В последнем случае диапазон применения достаточно велик: от освещения шахт до обеспечения жизнедеятельности космических станций на орбите.

В некоторых случаях использование постоянного тока является даже предпочтительным. В качестве примера можно привести следующие области его применения:

- доставка электроэнергии между источником и потребителем, которые находятся на достаточно удаленном друг от друга месте без использования промежуточного оборудования;

- возможность увеличения мощности уже имеющейся сети в тех случаях, когда прокладка дополнительных линий затруднена или не является экономически оправданной;

- передача электроэнергии между системами, которые не синхронизированы между собой;

- стабилизация стандартных электросетей переменного тока;

- снижение потерь от коронных разрядов.

Весьма характерным примером использования постоянного тока являются подводные кабели, так как их большая длина при использовании переменного тока имеет слишком высокую емкостную составляющую. Это вызывает дополнительные потери при транспортировке

Список литературы:

1) Энциклопедия нефти и газа

2) https://ru.wikipedia.org/wiki/

3) Научно-технический энциклопедический словарь

4) http://technologys.info/

5) Большая советская энциклопедия

[1] Большая советская энциклопедия

[2] http://technologys.info/

[3] https://ru.wikipedia.org /

[4] Научно-технический энциклопедический словарь

[5] Большая советская энциклопедия

[6] Научно-технический энциклопедический словарь