Выпрямительные устройства

Выпрямительные устройства — это устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. В общем случае они состоят из трех основных узлов: силового трансформатора, вентильного узла (выпрямителя) и сглаживающего фильтра. В качестве вентилей могут использоваться диоды, тиристоры и мощные транзисторы.

Выпрямительные устройства характеризуются: выходными параметрами, параметрами, характеризующими режим  работы вентилей, и параметрами трансформатора. Наиболее распространенный вентиль  в маломощных устройствах — полупроводниковый  диод. Если в качестве вентилей используются тиристоры или транзисторы, то возможна реализация, т.н. управляемого режима выпрямления (на диодах строятся только неуправляемые  выпрямители).

К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее выпрямленное напряжение (U н ср   ); номинальный средний выпрямленный ток (I н ср   ); коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (K п   ); частота пульсаций выпрямленного напряжения; внутреннее сопротивление выпрямителя.

Коэффициентом пульсаций (K п   ) называется отношение амплитуды первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Внешняя характеристика выпрямителя — это графически выраженная зависимость среднего значения выходного напряжения от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). Для неуправляемых выпрямителей характерно плавное понижение выходного напряжения при повышении тока нагрузки.

Для классификации выпрямителей используются различные признаки и  особенности их конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой  сети, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и т.п.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуется три питающих напряжения, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120°, то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрямители состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме включения  вентилей различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением вентилей.

Выпрямительные устройства относятся  ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые  диоды. Принцип выпрямления переменного  напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом  диоде.

 

 

Рис. 1 - Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы

Схема однополупериодного выпрямителя  до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения: 
 
Действующее значение входного напряжения 
 
Среднее значение выпрямленного тока: 
 
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора: 
 
Коэффициент пульсаций 

К достоинствам схемы можно отнести  простоту конструкции. Недостатки - большие  пульсации, малые значения выпрямленного  тока и напряжения, низкий КПД. Применяется  такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким  пульсациям.

Двухполупериодные схемы выпрямления

1. Схема выпрямления с выводом  от средней точки трансформатора.

 

 

Рис. 2 - Схема двуполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и графики, поясняющие принцип ее работы

Пунктиром показано напряжение на входе  второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода  первый диод открыт и на нагрузке создается  падение напряжения. Во время второго  полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная  полуволна. На схеме плюсиками и  минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций  двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

U_ср = 0.9U_вх 
U_вх = 1.11U_ср 
I_ср = 0.9U_вх/R_н 
I₂ = 0.78I_ср 
p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения U_ср и I_ср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

2. Мостовая схема

 

Рис. 3 - Мостовая схема выпрямления

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Трехфазные схемы выпрямления

Такие схемы часто применяются  для получения напряжения большой  мощности. Наиболее распространены следующие  схемы:

1. Трехфазная однополупериодная  схема выпрямления с нулевым  выводом (схема Миткевича)

 

 

Рис. 4 - Трехфазный выпрямитель

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды  используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения U_ср = 1.17U_вх, обратное напряжение U_обр.max = 2.1U_ср, коэффициент пульсаций 0.25.

2. Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова)

 

Рис. 5 - Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления.

По принципу действия такая схема  аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно: U_ср = 2.34U_вх, U_обр.max = 1.05U_ср, p = 0.057. Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за нессиметричности фазных питающих напряжений.