Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие

Отдельные узлы могут отсутствовать, это зависит от назначения выпрямителя.

Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 58, а, временная диаграмма выпрямленного напряжения и тока – на рис. 58, б.

Выпрямитель состоит из трансформатора (Т), к вторичной обмотке которого последовательно подключены диод (VD) и нагрузочный резистор (R_н).

В первый полупериод, т. е. в интервале времени (0 – T/2), диод открыт, так как потенциал точки «а» выше потенциала точки «б», и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток i_н .

Во второй полупериод, т. е. в интервале времени (T/2 – T), диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует и к запертому диоду прикладывается обратное напряжение.

Средние значения выпрямленных тока и напряжения малы, а коэффициент пульсации достаточно высок (К_п = 1,57)^, поэтому они применяются в основном для питания высокоомных нагрузочных устройств небольшой мощности (например, электонно-лучевых трубок).

7.1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Однофазные двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители более мощные, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют в работе оба полупериода напряжения сети. Коэффициент полезного действия (КПД) их значительно больше, чем однополупериодных выпрямителей.

Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей представлены на рис. 59, а и 59, б.

В однофазном выпрямителе с нулевым выводом (рис. 59, а) нагрузка подключается к выводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Предположим, что в верхней половине вторичной обмотки трансформатора имеется положительная полуволна синусоиды переменного тока, т. е. потенциал точки «а» – положительный, а потенциал точки «0» – отрицательный; тогда диод VD₁ будет открыт, через него и нагрузочный резистор R_н проходит ток i₁.

В этот же момент времени диод VD₂ будет закрыт, так как потенциал точки «б» – отрицательный, а потенциал нулевой точки «0»– положительный и ток через диод не проходит. Когда знаки входного напряжения синусоидального переменного тока поменяются и положительная полуволна будет в нижней половине вторичной обмотки трансформатора, т. е. потенциал точки «б» станет положительным, а потенциал точки «0» – отрицательным, диод VD₂ откроется, через него и нагрузку пройдет ток i₂; диод VD₁ закроется и ток через него не пройдет. В результате в нагрузочном резисторе за оба полупериода синусоиды появляется ток: i_н = i₁+i₂.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель (рис. 59, б) состоит из трансформатора Т и четырех диодов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. Нагрузочный резистор подключен к одной диагонали моста, а вторичная обмотка трансформатора – к другой.

Каждая пара диодов (VD₁ и VD₃; VD₂ и VD₄) работает поочередно. Диоды VD₁ – VD₃ открыты в первый полупериод синусоиды (интервал времени 0 – T/2), так как потенциал точки «а» выше потенциала точки «б» (_а > _б).

При этом в нагрузочном резисторе R_н появляется ток i _н = i ₁. В этом же интервале времени диоды VD₂ – VD₄ закрыты.

В следующий полупериод приходящей синусоиды (T/2 – T) потенциал точки «б» становится больше потенциала точки «а» ( _б >  _а), диоды VD₂ – VD₄ открываются, а диоды VD₁ – VD₃ закрываются и через нагрузочный резистор проходит ток i_н = i₂. В оба полупериода ток через нагрузку R_н имеет одно и то же направление.

Выпрямленный ток нагрузки: i_н = i₁ + i₂ .

Временные диаграммы тока и напряжения для обеих изображенных на рис. 59 схем – одинаковы (рис. 60).

Коэффициент пульсации у однофазных двухполупериодных выпрямителей значительно меньше, чем у однополупериодных (К_п  0,67).^ При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки: .

Тем не менее, главным преимуществом мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя перед схемой с нулевым выводом средней точки трансформатора является более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать диоды, поскольку оно

прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам, включенным последовательно, на интервале проводимости двух других диодов. Эти преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем количестве диодов.

Поэтому наибольшее применение нашла схема двухполупериодного мостового выпрямителя однофазного тока небольшой и средней мощности.

7.1.3. Трехфазные выпрямители

Многофазное, в частности трехфазное, выпрямление дает возможность значительно уменьшить пульсации выпрямленного напряжения. Трехфазные выпрямители применяются как выпрямители средней и большой мощности. Существует два основных типа трехфазных выпрямителей:

– выпрямители с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 61, а),

– выпрямители мостовые (рис. 61, б).

Выпрямитель первого типа состоит из трехфазного трансформатора Т, обмотки которого соединены звездой, трех диодов VD₁, VD₂, VD₃, включенных в каждую фазу трансформатора, и нагрузочного резистора R_Н. Диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фаз обмоток (например, a) более положителен, чем двух других (b и c).

Выпрямленный ток создается токами каждого диода, имеет одно и то же направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз

i_н = i_a + i_b + i_c.

Коэффициент пульсации этих выпрямителей еще ниже (подсчет коэффициента пульсаций дает значение К_П = 0,25), а средняя составляющая выпрямленного тока и напряжения значительно выше.

Выпрямитель второго типа (схема Ларионова) содержит мост из шести диодов.

Диоды VD₁, VD₃, VD₅ образуют одну группу, в которой соединены все катодные выводы, а диоды VD₂, VD₄, VD₆ – другую, в которой соединены все анодные выводы. Общая точка первой группы образует положительный полюс на нагрузочном реостате R_Н, а общая точка второй группы – отрицательный полюс. В каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе R_Н и в двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение.

Таким образом, в каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наибольший положительный потенциал относительно потенциала нулевой точки, а вместе с ним – диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно потенциала этой же нулевой точки.

Пульсации выпрямленного напряжения в этом выпрямителе еще меньше, чем в предыдущем (подсчет дает значение К_П = 0,057), а КПД значительно выше, так как в нем нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

Временные диаграммы, представленные на рис. 62 наглядно иллюстрируют порядок переключения диодов в обеих схемах трехфазных выпрямителей, а также показывают формы кривых выпрямленных значений напряжения и тока.

На рис. 62, а представлены синусоиды трехфазного переменного напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга на одну треть периода (2/3), питающие первичную обмотку трансформатора.

Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток i_a, i_b, i_c представляют собой три последовательности импульсов, длительностью T/3 и амплитудой I_m = U_m / R_н каждая, сдвинутые относительно друг друга на 1/3 периода, ток нагрузки i_н = i_a + i_b + i_c имеет постоянную составляющую I₀, а выпрямленное напряжение, имеющее постоянную составляющую U₀, равно сумме положительных полуволн напряжений вторичных обмоток  u_н = R_н i_н.

Работу мостового выпрямителя иллюстрируют совмещенные по времени кривые токов диодов первой группы i₁, i₃, i₅, (рис. 62, б), токов диодов второй группы i₂, i₄, i₆ и тока нагрузки i_н = i₁+i₃+i₅ = = i₂+i₄+i₆, а также выпрямленного напряжения u_н = R_н i_н.

Максимальное значение выпрямленного напряжения равно амплитуде синусоидального линейного напряжения трехфазного источника , а максимальное значение выпрямленного тока

.

В мостовом выпрямителе на каждых двух фазах, в которых диоды оказываются открытыми, осуществляется двухполупериодное выпрямление, каждый импульс имеет длительность T/6, в отличие от выпрямителя (рис. 62, а), где между каждой фазой с открытым диодом и нулевым выводом осуществляется однополупериодное выпрямление.

Мощность многофазных выпрямителей обычно – от десятков до сотен киловатт и больше при токах до 100 000 А, коэффициент полезного действия достигает 98 %.