Тема 3. Випрямляючи та перетворювачі пристрої

Випрямлячі. Випрямлячем називають пристрій, призначений для перетворення змінного струму в постійний струм. Звичайно випрямляч складається з трьох основних вузлів: трансформатора, вентильного блоку і згладжуючого фільтру, призначеного для зменшення (згладжування) пульсацій випрямленої напруги (струму).

Залежно від схеми побудови випрямлячів їх розділяють на однотактні двотактні, а також на однофазні і багатофазні. У однотактних схемах струм у вторинній обмотці трансформатора \протікає протягом періоду змінної напруги тільки в одному напрямі, в двотактних - в двох напрямах. Окрім цього, існують регульовані і нерегульовані випрямлячі. До нерегульованих відносяться випрямлячі, виконані на некерованих вентилях або напівпровідникових діодах. Регульовані випрямлячі виконуються на базі керованих вентилів (тиратронів, тиристорів). Міняючи кут включення керованих вентилів, можна регулювати середнє значення вихідної напруги.

На рис. 3.1. показана схема однофазного мостового випрямляча, а на рис.3.2. представлені тимчасові діаграми струмів і напруг цієї схеми.

Рис.3.1.

Протягом позитивного напівперіоду вторинної напруги струм проводять вентилі VD2 і VD3, а в негативний напівперіод – відповідно вентилі VD1 і VD4. В результаті цього струм в навантаженні протікає протягом двох напівперіодів в одному напрямку і має форму, зображену на рис.3.2.

Основні характеристики двопівперіодного випрямляча визначатимуться наступними виразами:

Середнє значення струму, що протікає через вентилі :

,

де Т – тривалість періоду змінної напруги;

I_2m,U_2m - відповідно амплітудне значення струму і напруги на вході випрямляча;

i₂ - поточне значення вхідного струму;

Rн – опір навантаження. .

Рис.3.2..

Середнє значення струму навантаження Id визначається виразом:

Розклавши криву випрямленої напруги в тригонометричний ряд можна одержати вираз середнього значення напруги на навантаженні Ud і коефіцієнта пульсацій Кп:

де m- число пульсацій на періоді вхідної змінної напруги, яке залежить від схеми випрямляча:

для двопівперіодної схеми m = 2;

для трифазної схеми з середньою точкою m =3;

для трифазної мостової схеми m = 6.

Для даної схеми m = 2, тому середнє значення напруги на навантаженні рівне:

,

де - діюче значення вхідної напруги.

Амплітуда к-ої гармоніки випрямленої напруги визначається виразом:

Враховуючи, що період складає, то коефіцієнт пульсацій к-ой гармоніки визначатиметься виразом:

На практиці враховують, в основному, тільки першу гармоніку. Коефіцієнт пульсацій 1-ой гармоніки випрямленої напруги при m =2; 3; 6; відповідно матиме значення: Кп1 = 0,67; 0,25; 0,057.

Максимальне значення зворотної напруги, що прикладається до вентилів :

Потужність постійного струму :

Потужність навантаження :

Коефіцієнт корисної дії:

Фільтри. Для зменшення змінної складової напруги в навантаженні на виході випрямляча встановлюють згладжуючи фільтри. При цьому ефективність фільтру оцінюється по величині його коефіцієнта згладжування. Під коефіцієнтом згладжування фільтру по 1ой гармоніці прийнято рахувати відношення коефіцієнта пульсацій на вході фільтру К1п(1) до коефіцієнта пульсацій на його виході Кп(1):

,

де - коефіцієнт фільтрації, який показує, в скільки разів зменшується амплітуда основної гармоніки на виході фільтру в порівнянні з амплітудою основної гармоніки в разі відсутності фільтру . В результаті одержуємо:

Ємнісний фільтр (рис.3.3.) використовується, переважно, в малопотужних випрямлячах при струмах навантаження не перевищуючих 1.5–2.0 А. Розрахунок ємнісного фільтру ведеться з умови, що змінна складова струму вентиля рівна струму конденсатора, а постійна складова – струму навантаження.

Рис.3.3.

При цьому величина ємності конденсатора, що забезпечує дану умову, визначається виразом:

,

де Rн – опір навантаження;

Для двопівперіодної схеми відповідно одержуємо:

На рис.3.4. зображена схема індуктивного L-фильтра.

Рис.3.4.

Робота L- фільтра заснована на тому, що опір індуктивності постійному струму рівний нулю, а змінному - пропорційно значенню індуктивності і частоті змінної складової. Послідовно сполучені індуктивність фільтру і опір навантаження утворюють дільника напруги. Вся постійна складова випрямленої напруги падає на навантаженні, а велика частина змінної складової - на індуктивності, тому пульсації напруги на навантаженні значно знижуються. Необхідна величина індуктивності визначається відповідно до виразу:

Для схеми, зображеної на рис.2.3. m_п = 2, тому значення L знаходиться з виразу:

Із зменшенням опору навантаження ефективність фільтру місткості зменшується. Тому при струмі навантаження понад 1,5-2.0 А (для зменшення змінної складової вихідної напруги випрямляча) використовуються складніші фільтри, наприклад, LC індуктивно-ємнісні фільтри (рис.3.5.).

Рис.3.5.

Розрахунок LC – фільтру виконують виходячи з умов безперервності струму в дроселі. Вказаний режим досягається в тому випадку, якщо виконується умова:

,

після чого визначається величина ємності з умови:

У П - подібному фільтрі, що використовується у випрямлячах малої потужності, перша ланка починається з ємності, а потім включається Г-подібний LC (рис.3.6.),

Рис.3.6.

або RC фільтр (рис.3.7.).

Рис.3.7.

Коефіцієнт фільтрація багатоланкового фільтру визначається добутком коефіцієнтів фільтрації окремих ланок:

де - коефіцієнт фільтрації З – фільтру;

- коефіцієнт фільтрації другої Г-подібної ланки.

При відомих значеннях коефіцієнтів пульсацій на вході і на виході фільтру спочатку розраховують коефіцієнт фільтрації всього фільтру. Потім розраховується величина першої ємності С1 виходячи з того, коефіцієнт пульсацій на вході другої ланки повинен орієнтовно знаходитися в межах: . Після цього розраховують величину L дроселя або активний опір R_ф другої ланки. Причому L визначають з умови безперервності струму в дроселі, а величину R_ф вибирають з умови :

У багатоланкових фільтрах питання про вибір числа ланок треба вирішувати з економічної точки зору, щоб вартість фільтру була якнайменшою. Виходячи з цього, при Кф50 доцільно застосовувати 2-ланкові фільтри, а при Кф220 – три ланкові фільтри.