1.4 Структурная схема выпрямителя

В большинстве современных устройств силовой электроники одной из составных частей является выпрямитель. Типовая структурная схема выпрямителя показана на рис. 1.6.

Основными узлами выпрямителя является вентильный комплект ВК, согласующий трансформатор СТ и сглаживающий фильтр Ф.

Питание выпрямителя осуществляется от сети переменного тока (как правило, промышленной частоты – 50 или 60 Гц) со следующими параметрами:

• - число фаз питающей сети;

• - действующее значение фазного напряжения;

• - действующее значение входного тока выпрямителя.

На вторичной стороне трансформатора, соответственно, параметры могут быть следующими:

• - число вторичных фаз трансформатора;

• - действующее значение фазной эдс трансформатора;

• - действующее значение фазного тока вторичной обмотки.

Соответственно, на выходе вентильного комплекта имеется выпрямленное напряжение со следующими параметрами:

• - среднее значение выпрямленной эдс;

• - среднее значение выпрямленного тока;

• - коэффициент пульсаций выпрямленной эдс. Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленной эдс. Более подробно этот параметр рассмотрен в разделе 5.

И, наконец, на выходе выпрямителя должны быть обеспечены параметры, задаваемые исходя из требований, предъявляемых нагрузкой:

• - среднее значение выходного напряжения;

• - среднее значение выходного тока;

• - коэффициент пульсаций выходного напряжения.

Удобным примером, иллюстрирующим функции отдельных элементов структурной схемы выпрямителя, может служить выпрямитель для зарядки автомобильного аккумулятора. Такой выпрямитель обычно имеет выходное напряжение порядка 14 В, при токе около 5А (вопросы регулирования выходного тока на данном этапе не имеют принципиального значения, хотя при проектировании реального устройства их решение необходимо).

Такой выпрямитель обычно питается от однофазной сети переменного тока и содержит диодную однофазную мостовую схему выпрямления, на выходе которой формируется напряжение в виде однополярных полуволн синусоидальной формы. Поскольку, как будет показано ниже, коэффициент преобразования такой схемы величина постоянная, равная 0,9, то для получения заданного выходного напряжения необходим понижающий трансформатор, с соответствующим коэффициентом трансформации.

Так как выходное напряжение однофазной мостовой схемы выпрямления содержит значительные пульсации, то для снижения потерь в аккумуляторе желательно использовать сглаживающий реактор, позволяющий уменьшить переменную составляющую в токе нагрузки.

Таким образом, можно сформулировать основные функции элементов структурной схемы:

• вентильный комплект (диодный мост) преобразует переменное напряжение, поступающее с трансформатора, в однополярное, пульсирующее напряжение, имеющее постоянную и переменную составляющие;

• фильтр подавляет (в той или иной степени) переменную составляющую преобразованного напряжения и пропускает (почти без потерь) постоянную составляющую в нагрузку;

• трансформатор преобразует напряжение питающей сети до величины, необходимой на входе вентильного комплекта для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

Кроме того, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку выходной цепи от питающей сети, что весьма желательно с точки зрения техники безопасности, и принципиально необходимо при создании, так называемых "плавающих" источников: например, источников питания драйверов для мощных полупроводниковых приборов, катоды которых имеют разные потенциалы.

При расчете устройства в качестве исходных данных должны быть заданы параметры нагрузки - , и параметры питающей сети - . Если частота питающей сети не стандартная, (что возможно, например в бортовых системах) то, соответственно, должна быть задана и частота питающей сети.

Целью расчета является определение основных параметров полупроводниковых приборов, необходимых для их выбора:

• - среднее значение анодного тока одного прибора, А;

• - амплитуда анодного тока одного прибора, А;

• - амплитуда обратного напряжения, В.

Следует отметить, что при выборе полупроводниковых приборов обычно делаются значительные запасы: номинальный ток прибора, как правило, должен быть в 3-4 раза больше расчетного, а величина допустимого повторяющегося напряжения – приблизительно, в 2 раза больше расчетной амплитуды обратного напряжения.

Для выбора стандартного трансформатора (или проектирования специального) нужно определить действующее значение эдс вторичной обмотки , что необходимо для расчета требуемого коэффициента трансформации и, соответственно, числа витков обмоток трансформатора. Кроме того, нужно определить действующее значение тока вторичной и тока первичной обмоток трансформатора, что требуется для расчета сечения меди обмоток. Поскольку ток вторичной обмотки может содержать постоянную составляющую, которая не трансформируется в первичную обмотку, то расчетные мощности вторичной и первичной обмотки могут быть не равны. Поэтому при расчете параметров трансформатор отдельно определяются расчетные мощности вторичных обмоток , первичных обмоток , а затем вычисляется типовая мощность трансформатора :

. (1.17)

Величина типовой мощности используется для оценки габаритов трансформатора и для выбора сечения магнитопровода.