Основные расчетные параметры схем выпрямления

Исходными данными для расчета выпрямителя являются постоянные составляющие выпрямленного напряжения U_d и тока I_d, а также действующее значение напряжения питающей сети U₁.

В процессе расчета подлежат определению:

• среднее, действующее и максимальное значения тока через вентиль I_aср, I_a, I_amax;

• максимальное значение обратного напряжения на вентиле U_вmax.

По этим величинам определяют диод или тиристор. Для выбора (или расчета) трансформатора определяют:

• действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора I₂, U₂;

• действующее значение тока первичной обмотки трансформатора I₁;

• расчетные мощности обмоток трансформатора

, ;

• типовую (габаритную) мощность

,

которая определяет вес и габариты трансформатора.

Далее, если не оговорено, рассматривается работа идеализированных выпрямителей, состоящих из идеальных вентилей и идеального трансформатора. В идеальном трансформаторе полагаются равными нулю активные сопротивления обмоток, потери в сердечнике, индуктивности рассеяния и намагничивающий ток.

1.2. Неуправляемые выпрямители

Однотактные выпрямители

Схема однополупериодного однотактного выпрямителя приведена на рис. 1.2а, временные диаграммы - на рис. 1.2б.

Диод VD открыт на интервалах, где u₂  0. Выпрямленное напряжение u_d представляет собой однополупериодную пульсирующую кривую. Ток i_d при активной нагрузке повторяет по форме напряжение u_d.

Из уравнения магнитного равновесия трансформатора, пренебрегая током холостого хода (намагничивания) и учитывая, что постоянная составляющая тока i₂ в первичную обмотку не трансформируется, получим для тока в первичной обмотке

Постоянная составляющая тока вторичной обмотки создает дополнительный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. При этом намагничивающий ток возрастает в несколько раз по сравнению с током, имеющим место в нормальном режиме. Возрастание намагничивающего тока связано в свою очередь c увеличением сечения провода первичной обмотки и габаритов трансформатора. Другой недостаток этой схемы – большая величина пульсаций выпрямленного напряжения.

а)

б)

Рис. 1.2

Схема однофазного однотактного двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 1.3а, временные диаграммы – на рис. 1.3б. Вторичные обмотки трансформатора имеют общую (нулевую) точку, нагрузка включена между нулевой точкой трансформатора и катодной группой диодов.

Напряжения u₂₁, u₂₂ вторичных обмоток трансформатора находятся в противофазе. На интервале 0  ωt  π на аноде VD1 действует положительное по отношению к катоду напряжение, диод VD1 открыт, ток протекает по контуру VD1-R_d-Тр. Диод VD2 заперт, так как к нему приложено отрицательное напряжение, величина которого равна удвоенному напряжению вторичной обмотки трансформатора. На интервале π  ωt  2π открыт VD2, и ток замыкается по контуру VD2-R_d-Тр.

а)

б)

Рис. 1.3

Подмагничивание трансформатора отсутствует, так как постоянные составляющие токов вторичных обмоток трансформатора создают магнитные потоки, имеющие противоположные направления. Ток первичной обмотки трансформатора i₁ имеет синусоидальную форму.

Схема трехфазного однотактного выпрямителя приведена на рис. 1.4, временные диаграммы – на рис. 1.5.

Поскольку катоды диодов объединены, в любой момент времени проводит тот из них, на аноде которого наибольший положительный потенциал относительно нулевой точки трансформатора. Например, на интервале π/6  ωt  5π/6 наибольшее значение имеет напряжение u_а, соответственно открыт диод VD1. К нагрузке прикладывается напряжение u_а, ток протекает по контуру VD1-R_d-Тр. В момент времени ωt=5π/6 наибольшее значение принимает напряжение u_b, открывается диод VD2, через который к выходящему из работы диоду VD1 прикладывается отрицательное напряжение и VD1 закрывается. Далее процессы повторяются. В итоге выпрямленное напряжение имеет форму огибающей кривой фазных напряжений с тремя пульсациями за период. Токи через диоды имеют вид импульсов длительностью 2π/3.

Основным недостатком схемы является наличие постоянного подмагничивания трансформатора.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Двухтактные выпрямители

Схема однофазного двухтактного выпрямителя (схема Герца) приведена на рис. 1.6, временные диаграммы – на рис. 1.7.

На интервале 0 ≤ ωt ≤ π под действием положительной полуволны напряжения u₂ открыты диоды VD1 и VD4, ток замыкается по контуру VD1R_dVD4Тр. На интервале π ≤ ωt ≤ 2π открыты диоды VD2 и VD3, ток замыкается по контуру VD2R_dVD3Тр.

Выходное напряжение u_d имеет вид однополярных полуволн напряжения, т. е. совпадает по форме с выходным напряжением однотактного двухполупериодного выпрямителя. Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, то есть вдвое меньше чем в схеме однотактного двухполупериодного выпрямителя. Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях, поэтому постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует.

Рис. 1.6

Рис. 1.7

Трехфазный двухтактный выпрямитель (рис. 1.8) содержит две группы диодов – анодную группу (VD2,VD4,VD6) и катодную группу (VD1,VD3,VD5).

В любой момент времени ток проводят два диода: один в катодной группе, другой - в анодной. В катодной группе открыт тот вентиль, потенциал которого выше потенциалов анодов других вентилей в группе, а в анодной группе – вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других вентилей группы.

Рис. 1.8

Коммутация тока с одного вентиля на следующий, очередной в данной группе происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.9). Например, на интервале π/6 < ωt < π/2 наибольшее значение имеет напряжение u_a, а наи­мень­шее  u_b. Соответственно открыты диоды VD1 и VD4, ток замыкается по контуру ТрVD1R_dVD4Тр, к нагрузке приложено напряжение . На интервале π/2 < ωt < 5π/6 открыты VD1, VD6, к нагрузке прикладывается напряжение u_aс и т. д. В результате к нагрузке в любой момент времени приложено линейное напряжение.

Токи через диоды анодной и катодной группы (VD1 и VD3, VD3 и VD5, VD2 и VD4, VD4 и VD6) сдвинуты относительно друг друга во времени на треть периода; токи через диоды анодной и катодной группы одной и той же фазы находятся в противофазе.

Кривая обратного напряжения на закрытом диоде состоит из «кусков» синусоид соответствующих линейных напряжений.

Схема работает в шесть тактов за период, в связи с чем ее часто называют шестипульсной.

Рис. 1.9