2. Классификация схем выпрямления

Для пояснения принципа действия различных схем выпрямления, а также сопоставления и оценки их свойств, используют определенную систему классификации. При этом все схемы выпрямления характеризуются числом фаз питающей сети, числом плеч и числом групп вентилей.

Питающая сеть может быть однофазной или трехфазной.

Плечом называют цепь, в которую включена обмотка трансформатора и вентиль или группа вентилей (рис. 1, а). Подключение вентилей к двум концам обмотки рассматривается как два плеча (рис. 1, б).

Рис. 1. Одноплечая и двухплечая схемы выпрямления

Если к концам обмоток трансформатора подключены по одному вентилю или группа вентилей одного направления, то схема выпрямления называется одногруппной (рис. 2, а).

Если к концам обмоток подключены два вентиля или две группы вентилей разных направлений, то схема выпрямления называется двухгруппной (рис. 2, б).

Рис. 2. Одногруппная и двухгруппная схемы выпрямления

В настоящее время в схемах выпрямления входные трансформаторы могут отсутствовать, но для изучения принципа работы выпрямителей данная классификация полезна.

3. Работа схем выпрямления

Принцип работы схем выпрямления удобно рассматривать при активной нагрузке, полагая, что используются трансформаторы без потерь и идеальные вентили. В этом случае фазовые сдвиги между токами и напряжениями, будут отсутствовать, формы кривой тока и напряжения будут совпадать и можно ограничиться рассмотрением только характера изменения напряжения.

Отсутствие потерь в трансформаторе и вентилях позволяет считать, что мгновенные значения напряжения на нагрузке равны соответствующим напряжениям на вторичной обмотке трансформатора.

1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления приведена на рис. 2, а, и в виде более удобном для классификации – на рис. 2, б. На рис. 2, в изображены временные диаграммы напряжений на вторичной обмотке трансформатора U_II и на нагрузке U_н, которое состоит из постоянной U₀ и переменной составлявших.

В течение полупериода, когда существует положительный потенциал на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора, диод VD1 будет открыт, в нагрузке протекает ток. В течение другого полупериода диод VD1 закрыт, ток в нагрузке отсутствует. Следовательно, схема обеспечивает однополупериодное выпрямление.

Основные параметры однополупериодной схемы выпрямления m = 1, ƒ = 50 Гц. Приведенная ранее формула расчета коэффициента пульсации недостаточно точна для данной схемы, точный расчет и измерение дает величину n_n = 1,57 (эти данные следует занести в табл. 1).

Особенностью схемы являются: проста по исполнению; очень большая величина переменной составляющей U = 1,57U₀; низкая частота первой гармоники, что усложняет конструкцию сглаживающего фильтра для ее подавления; низкий коэффициент использования обмоток трансформатора, которые работают в течение одного полупериода; наличие вынужденного подмагничивания сердечника трансформатора, что ведет к увеличению его габаритов. Схема применяется в основном в маломощных выпрямителях.

2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления приведена на рис. 3, а, б, на рис. 3, в показаны временные диаграммы напряжений.

В течение полупериода, когда существует положительный потенциал на конце верхней полуобмотки относительно средней точки, открывается диод VD1, через сопротивление нагрузки протекает ток. Диод VD2 при этом закрыт. В течение другого полупериода открывается диод VD2 (VD1 закрыт) и через сопротивление нагрузки протекает ток того же направления. Таким образом, в течение каждого полупериода работает одна полуобмотка и один диод. Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов. Схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Электрические характеристики однофазной двухполупериодной схемы выпрямления (m, ƒ₁, n_п) следует рассчитать и занести в табл.1.

Особенности схемы: проста по исполнению; хотя требует выполнения двух полуобмоток трансформатора; вторичная обмотка при этом используется неэффективно (каждая половина обмотки работает в течение полупериода); велико обратное напряжение на закрытом диоде (U_обр=2U_II).

Схема выпрямления используется в выпрямителях на низкие напряжения и значительные токи нагрузки.

3. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) приведена на рис. 4, а, б. На рис. 4, в показаны временные диаграммы напряжений.

При возникновении разности потенциалов на концах вторичной обмотки открываются соответствующие два диода (VD2, VD4) и через сопротивление нагрузки протекает ток. При изменении полярности напряжения во вторичной обмотке открываются

другие два диода (VD3, VD1). Ток в нагрузке будет протекать в течение обоих полупериодов. В схеме осуществляется двухполупериодное выпрямление.

По электрическим параметрам схема идентична однофазной двухполупериодной, если напряжение во вторичной обмотке равно напряжению на полуобмотках трансформатора двухполупериодной cхемы. Особенности схемы: проста по исполнению; эффективно используется вторичная обмотка; обратное напряжение на закрытом диоде равно половине напряжения вторичной обмотки трансформатора так как оно приложено к двум последовательно соединенным диодам.

Мостовая схема выпрямления находит широкое применение в выпрямительных устройствах малой мощности.

4. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления (схема Миткевича) приведена на рис. 5, а. На рис. 5, б показаны временные диаграммы напряжений.

При появлении наибольшего положительного потенциала на конце фазовой обмотки относительно общей точки 0 открывается соответствующий диод и ток будет протекать через нагрузку. Каждый диод открыт в течение 1/3 периода. Схема обеспечивает одонополупериодное выпрямление.

По аналогии с предыдущими схемами следует рассчитать электрические параметры (m, ƒ₁, n_п) схемы и занести их в табл. 1.

Особенностями трехфазной однополупериодной схемы выпрямления являются: большое обратное напряжение на диодах; низкий коэффициент использования обмоток трансформатора; вынужденное подмагничивание сердечника; при неодинаковой загрузке фаз возможно появление пульсаций с частотой питающей сети.

Схема может использоваться в выпрямителях средней мощности, однако из-за указанных недостатков не находит широкого применения.

5. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) приведена на рис. 6, а. На рис. 6, б показаны временные диаграммы напряжений.

При возникновении наибольшей разности потенциалов между концами двух фазовых обмоток (например, между I и II) открываются два диода (VD2, VD3) и через нагрузку протекает ток. Затем, когда наибольшая разность потенциалов будет между концами I и III обмоток, открываются диоды VD2, VD5 и т. д. При этом каждый диод пропускает ток в течение 1/3 полупериода, работая попеременно с двумя другими диодами. Каждая фазовая обмотка создаёт ток в нагрузке при обоих полупериодах напряжения. Следовательно, схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление. На нагрузке при этом также возникает пульсирующее напряжение вследствие изменения величины мгновенных значений напряжения между концами фазовых обмоток. Аналогично предыдущим следует рассчитать электрические параметры схемы и занести их в табл. 1.

Особенностью трехфазной мостовой схемы выпрямления являются: хорошее использование обмоток трансформатора; высокая частота первой гармоники, что обеспечивает возможность хорошей фильтрации переменной составляющей.

Трехфазная мостовая схема находит наиболее широкое применение в выпрямителях средней и большой мощности.