1.2 Схеми випрямлення

Схеми випрямлення класифікуються за кількістю фазних обмоток у вторинному колі трансформатора (однофазні та багатофазні) та за кількістю імпульсів струму, який протікає крізь вторинну обмотку трансформатора за період струму, що випрямляється (одно- і двотактні або одно- і двопівперіодні).

Властивості будь-якого випрямляча залежать від його схеми, типу згладжувального фільтра та характеру навантаження. Аналіз такого пристрою досить складний, тому розглядають ідеалізований випрямляч, у якого втрати у трансформаторі відсутні (тобто ЕРС вторинної обмотки дорівнює напрузі цієї обмотки), вентилі ідеальні (зворотний струм крізь вентиль ) і навантаження чисто активне.

Якщо навантаження має комплексний характер, тобто містить ємнісну або індуктивну складову опору, то співвідношення між проміжними параметрами випрямляча та вихідними даними ускладнюються. Це пояснюється фазовими зміщеннями між струмом та напругою на окремих ділянках схеми випрямлення. При активному навантаженні фазові зрушення відсутні та розрахунок випрямляча здійснюється за простими формулами.

Перехід до реального випрямляча від ідеалізованого здійснюється шляхом уточнення розрахункових формул при визначенні втрат у ділянках схеми. Така методика розрахунку дозволяє порівняти переваги та недоліки різних схем випрямлення. Основні схеми випрямлення та кількісні співвідношення між параметрами схем наведено в п. 2.2.

Розглянемо параметри, які характеризують роботу кожного з елементів випрямляча, та знання яких необхідно для правильного вибору трансформатора і вентилів.

Вихідними або заданими є параметри навантаження: середні значення випрямленої напруги і струму та необхідний коефіцієнт пульсації . Знаючи ці параметри, а також діючу напругу та частоту мережі , можна визначити такі величини:

а) для трансформатора – діючі значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора; розрахункову (габаритну) потужність трансформатора ;

б) для вентилів – максимальну зворотну напругу на вентилі ; середній , діючий та максимальний струми вентиля.

Розглянемо роботу однофазної однопівперіодної схеми випрямлення та основні співвідношення між її параметрами. Методика встановлення кількісних співвідношень в інших схемах випрямлення практично нічим не відрізняється від тої, що розглядається для найпростішої схеми. Однофазна однопівперіодна схема, що наведена у табл. 1, містить трансформатор, у коло вторинної обмотки якого ввімкнені вентиль (діод) VD та резистор з активним опором навантаження .

При синусоїдальній напрузі на вході трансформатора на зажимах вторинної обмотки напруга також буде синусоїдальною. Для ідеального трансформатора опір вторинної обмотки дорівнює нулю та , а для ідеального вентиля прямий опір , тому в провідний півперіод, коли на аноді вентиля «плюс», а на катоді «мінус», по колу: вторинна обмотка трансформатора – вентиль — опір навантаження, буде протікати струм, миттєве значення якого визначається виразом:

. (1.1)

При зміні знака напруги на зажимах вентиля струм протікати не буде, бо для ідеального вентиля опір . Отже, за період синусоїдальної напруги во вторинній обмотці трансформатора буде спостерігатися лише одна півхвиля струму. У період, коли вентиль буде проводити струм, до навантаження буде прикладена напруга , яка являє собою півхвилю синусоїди напруги вторинної обмотки трансформатора. Форма напруги повторює форму струму .

Таким чином, у процесі роботи до навантаження буде прикладена пульсуюча випрямлена напруга. Магнітоелектричні прилади показують середнє значення напруги , тобто постійну складову випрямленої напруги.

Аналітично напруга визначається інтегруванням півхвилі синусоїди за період . Інакше, напруга визначається висотою прямокутника з основою та площею , що дорівнює площі, яка обмежена кривою півсинусоїди:

. (1.2)

Аналогічно визначається середнє значення струму в навантаженні:

(1.3)

З отриманих виразів бачимо, що при заданих значеннях величини напруги та струму можна визначити амплітудні значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора:

; . (1.4)

Виходить, що максимальні значення напруги і струму вторинної обмотки трансформатора у 3,14 рази більше середніх значень напруги і струму навантаження.

Крізь вентиль протікає струм, як і по вторинній обмотці трансформатора. Отже, максимальний струм вентиля:

. (1.5)

Максимальна зворотна напруга між анодом та катодом вентиля буде дорівнювати максимальному значенню напруги вторинної обмотки трансформатора:

. (1.6)

Максимальна зворотна напруга на вентилі (діоді) у 3,14 рази перебільшує випрямлену напругу на навантаженні.

При розрахунку трансформатора (визначенні його розрахункової потужності) необхідно знати діючі значення напруги та струму вторинної обмотки трансформатора. Оскільки у вторинній обмотці трансформатора спостерігається лише одна півхвиля струму, то діюче значення струму у вторинній обмотці, а отже, і у вентилі визначиться виразом:

. (1.7)

Знаючи, що , можна записати:

, (1.8)

або

.

Це означає, що діюче значення струму вторинної обмотки у 1,57 рази перевищує випрямлений струм. Миттєва напруга на зажимах вторинної обмотки трансформатора – синусоїдальна, а не пульсуюча і спостерігається в інтервалі від 0 до , тому діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора визначиться виразом:

. (1.9)

Оскільки , то або тобто діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора у 2,22 рази більше випрямленої напруги на навантаженні.

Середня потужність, що визначає розміри всього трансформатора, обчислюється за формулою:

, (1.10)

де і – потужності первинної і вторинної обмоток трансформатора відповідно.