Однофазная мостовая схема выпрямления (двухполупериодная)

Обычно выпрямители однофазного тока выполняются по двухполупериодной схеме. К типовым схемам двухполупериодного выпрямления относятся мостовые схемы.

а) б)

Рис.41. Однофазная мостовая схема выпрямления

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рис.41, а) состоит из двух пар вентилей VD1,VD3и VD2,VD4, включенных по схеме четырехплечного моста, трансформатора ТV и нагрузочного резистора R_н. Если не требуется изолировать между собой цепи переменного и постоянного токов, мост может быть включен в сеть переменного тока и без трансформатора при наличии требующегося соответствия в напряжениях.

В схеме каждая пара вентилей пропускает ток поочередно. Если в точке а вторичной обмотки трансформатора имеет место положительная полуволна синусоидального напряжения, то ток проводят вентили VD1 и VD3 (сплошные стрелки), если в точке б - вентили VD2 и VD4 (пунктирные стрелки). Через нагрузочный резистор R_н ток I_н проходит в течение всего периода в одном направлении.

Основные соотношения электрических величин для схемы выпрямления, имеющих m импульсов выпрямления за период, можно подсчитать в пределах 2π/m периода. Огибающие напряжений представляют собой косинусоиды, и среднее значение напряжения определяют по формуле:

U₀ = ,

U₀ = , а тока по формуле I₀= m/π I_amsin π/m.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_п = U_m1/U₀. Так как кривая выпрямленного напряжения является непрерывной кривой, составленной из отрезков синусоид, то существует общая формула, связывающая амплитуду первой гармоники U_m1 постоянную составляющую выпрямленного напряжения U_m1= 2/(m²-1) U₀, откуда

К_п= U_m1/U₀ = 2/(m² - 1) = 0,67,

где m - число импульсов выпрямленного напряжения за период. Частота переменной составляющей f_п основной гармоники (выпрямленного напряжения) больше частоты питающей сети в число импульсов m выпрямленного напряжении. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно амплитудному значению приложенного напряжения:

U_обр.max. = U_2m = ,

т.е. обратное напряжение мостовой схемы в 2 раза меньше схемы с нулевым выводом. Мостовая схема позволяет выпрямлять в 2 раза большие значения напряжения переменного тока.

Рассмотренные схемы двухполупериодных выпрямителей широко применяются в измерительных устройствах, в устройствах промышленной электроники и автоматики не большой мощности.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)

а) б)

Рис.42. Трехфазная мостовая схема выпрямления:

а) схема; б) диаграммы токов и напряжений

Состав и принцип действия

Схема выпрямления питается от трехфазного трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого могут включаться звездой или треугольником. На рис.42, а обмотки включены звездой. Шесть диодов VD1 – VD6 образуют две диодные группы. Нечетные диоды VD1,VD3,VD5 составляют катодную группу, их катоды соединены в одну точку и являются плюсом для нагрузки. Четные диоды VD2,VD4,VD6 и составляют анодную группу, и общая точка их анодов является минусом для нагрузки. Концы фаз вторичной обмотки трансформатора включены между анодами и катодами диодов.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления из трех диодов катодной группы открыт диод, на аноде которого наибольший положительный потенциал. Из трех диодов анодной группы открыт диод, на катоде которого — наибольший отрицательный потенциал. За один период переменного тока сменяются в работе все три диода в каждой группе. Каждый диод работает одну треть периода.

Из шести диодов, подключенных к концам фаз, диоды катодной группы открыты одну треть периода при положительном напряжении, а диоды анодной группы - одну треть периода при отрицательном напряжении. Каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает 2/3 периода: одну треть периода - с диодом катодной группы и одну треть - с диодом анодной группы. Фазы вторичной обмотки трансформатора и диоды, подключенные к ним, переключаются через 60⁰ изменения фазных напряжений, поэтому напряжение и ток за период пульсируют 6 раз. Таким образом, периодичность выпрямленного напряжения и тока m=6, хотя число фаз вторичной обмотки m=3. Во всех фазаx вторичных обмоток протекает переменный ток, т.е. схема выпрямления является двухтактной, работает без подмагничивания трансформатора.

Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения в 6 раз меньше периода изменения тока сети (Т₁=Т_с/6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз больше, чем частота тока питающей сети (f₁=6f_c). Несмотря на то, что схема получает питание от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме. Пульсация напряжения и ее частота равны:

K_п= или 5,7% и f₁ =6f_c.

Так как к нагрузке приложено линейное напряжение вторичной обмотки, то среднее значение выпрямленного напряжения (при соединении обмоток звездой) составит:

U₀= и U_mл= =1,05∙U₀,

откуда

U₂= .

Закрытый вентиль находится под обратным напряжением, равным линейному напряжению вторичной обмотки. Поэтому амплитуда обратного напряжения равна амплитуде линейной э.д.с. вторичной обмотки, т.е.

U_обр = U_mл= 1,05 U₀.

Ток через вентиль протекает в течении 1/3 части периода, и по токовым нагрузкам вентилей эта схема эквивалентна трехфазной однотактной, т.е. среднее значение и действующее значение тока вентиля соответственно равны I_ср=I₀/3; I_a= .

В фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает в течении 1/3 части периода в одном направлении и после паузы (1/6 часть периода) в другом направлении также в течение 1/3 части периода. Поэтому действующее значение тока в фазе вторичной обмотки в раз больше, чем в вентиле (два импульса тока за период), т.е.

I₂=I_a = .

Напряжение и ток в фазе первичной обмотки определяются из выражений

U₁= kU₂ и I₁= .

Мощности обмоток и трансформатора равны и составляют:

Р_т=Р₁=Р₂=m₂ ∙U_{2 ∙}I₂ = 3∙0,43∙U_{0 .}

Достоинствами схемы Ларионова являются малое обратное напряжение на вентиле (1,05U₀), хорошее использование трансформатора (Р_т=1,05Р₀), небольшая амплитуда пульсации (5,7%) при относительно высокой ее частоте (6f_c), возможность применения трансформатора с любыми схемами соединения обмоток. К недостаткам схемы следует отнести большое число вентилей (шесть).