Основные расчетные параметры схем выпрямления

Исходными данными для расчета выпрямителя являются постоянные составляющие выпрямленного напряжения U_d и тока I_d, а также действующее значение напряжения питающей сети U₁.

В процессе расчета подлежат определению:

• среднее, действующее и максимальное значения тока через вентиль I_aср, I_a, I_amax;

• максимальное значение обратного напряжения на вентиле U_вmax.

По этим величинам определяют диод или тиристор. Для выбора (или расчета) трансформатора определяют:

• действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора I₂,U₂;

• действующее значение тока первичной обмотки трансформатора I₁;

• расчетные мощности обмоток трансформатора

, ;

• типовую (габаритную) мощность

,

которая определяет вес и габариты трансформатора.

Далее, если не оговорено, рассматривается работа идеализированных выпрямителей, состоящих из идеальных вентилей и идеального трансформатора. В идеальном трансформаторе полагаются равными нулю активные сопротивления обмоток, потери в сердечнике, индуктивности рассеяния и намагничивающий ток.

1.2. Неуправляемые выпрямители

Однотактные выпрямители

Схема однополупериодного однотактного выпрямителяприведена на рис. 1.2а, временные диаграммы - на рис. 1.2б.

Диод VDоткрыт на интервалах, гдеu₂0. Выпрямленное напряжениеu_dпредставляет собой однополупериодную пульсирующую кривую. Токi_dпри активной нагрузке повторяет по форме напряжениеu_d.

Из уравнения магнитного равновесия трансформатора, пренебрегая током холостого хода (намагничивания) и учитывая, что постоянная составляющая тока i₂в первичную обмотку не трансформируется, получим для тока в первичной обмотке

Постоянная составляющая тока вторичной обмотки создает дополнительный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. При этом намагничивающий ток возрастает в несколько раз по сравнению с током, имеющим место в нормальном режиме. Возрастание намагничивающего тока связано в свою очередьcувеличением сечения провода первичной обмотки и габаритов трансформатора. Другой недостаток этой схемы – большая величина пульсаций выпрямленного напряжения.

а)

б)

Рис. 1.2

Схемаоднофазного однотактного двухполупериодного выпрямителяприведена на рис. 1.3а, временные диаграммы – на рис. 1.3б. Вторичные обмотки трансформатора имеют общую (нулевую) точку, нагрузка включена между нулевой точкой трансформатора и катодной группой диодов.

Напряженияu₂₁,u₂₂вторичных обмоток трансформатора находятся в противофазе. На интервале 0ωtπ на анодеVD1 действует положительное по отношению к катоду напряжение, диодVD1 открыт, ток протекает по контуруVD1-R_d-Тр. ДиодVD2 заперт, так как к нему приложено отрицательное напряжение, величина которого равна удвоенному напряжению вторичной обмотки трансформатора. На интервале πωt2π открытVD2, и ток замыкается по контуруVD2-R_d-Тр.

а)

б)

Рис. 1.3

Подмагничивание трансформатора отсутствует, так как постоянные составляющие токов вторичных обмоток трансформатора создают магнитные потоки, имеющие противоположные направления. Ток первичной обмотки трансформатора i₁имеет синусоидальную форму.

Схематрехфазного однотактного выпрямителяприведена на рис. 1.4, временные диаграммы – на рис. 1.5.

Поскольку катоды диодов объединены, в любой момент времени проводит тот из них, на аноде которого наибольший положительный потенциал относительно нулевой точки трансформатора. Например, на интервале π/6 ωt5π/6 наибольшее значение имеет напряжениеu_а, соответственно открыт диодVD1. К нагрузке прикладывается напряжениеu_а, ток протекает по контуруVD1-R_d-Тр. В момент времени ωt=5π/6 наибольшее значение принимает напряжениеu_b, открывается диодVD2, через который к выходящему из работы диодуVD1 прикладывается отрицательное напряжениеиVD1 закрывается. Далее процессы повторяются. В итоге выпрямленное напряжение имеет форму огибающей кривой фазных напряжений с тремя пульсациями за период. Токи через диоды имеют вид импульсов длительностью 2π/3.

Основным недостатком схемы является наличие постоянного подмагничивания трансформатора.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Двухтактные выпрямители

Схема однофазного двухтактного выпрямителя(схема Герца) приведена на рис. 1.6, временные диаграммы – на рис. 1.7.

На интервале 0 ≤ωt≤ π под действием положительной полуволны напряженияu₂ открыты диодыVD1 иVD4, ток замыкается по контуруVD1R_dVD4Тр. На интервале π ≤ωt≤ 2π открыты диодыVD2 иVD3, ток замыкается по контуруVD2R_dVD3Тр.

Выходное напряжение u_d имеет вид однополярных полуволн напряжения, т. е. совпадает по форме с выходным напряжением однотактного двухполупериодного выпрямителя. Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, то есть вдвое меньше чем в схеме однотактного двухполупериодного выпрямителя. Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях, поэтому постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует.

Рис. 1.6

Рис. 1.7

Трехфазный двухтактный выпрямитель(рис. 1.8) содержит две группы диодов – анодную группу (VD2,VD4,VD6) и катодную группу (VD1,VD3,VD5).

В любой момент времени ток проводят два диода: один в катодной группе, другой - в анодной. В катодной группе открыт тот вентиль, потенциал которого выше потенциалов анодов других вентилей в группе, а в анодной группе – вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других вентилей группы.

Рис. 1.8

Коммутация тока с одного вентиля на следующий, очередной в данной группе происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.9). Например, на интервале π/6 < ωt<π/2 наибольшее значение имеет напряжениеu_a, а наи­мень­шееu_b. Соответственно открыты диодыVD1 иVD4, ток замыкается по контуру ТрVD1R_dVD4Тр, к нагрузке приложено напряжение. На интервале π/2 < ωt< 5π/6 открытыVD1,VD6, к нагрузке прикладывается напряжениеu_aси т. д. В результате к нагрузке в любой момент времени приложено линейное напряжение.

Токи через диоды анодной и катодной группы (VD1 иVD3,VD3 иVD5,VD2 иVD4,VD4 иVD6) сдвинуты относительно друг друга во времени на треть периода; токи через диоды анодной и катодной группы одной и той же фазы находятся в противофазе.

Кривая обратного напряжения на закрытом диоде состоит из «кусков» синусоид соответствующих линейных напряжений.

Схема работает в шесть тактов за период, в связи с чем ее часто называют шестипульсной.

Рис. 1.9