§ 4.4. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых приборов существует много различных схем. Рассмотрим основные из них, ставшие «классическими»:

1. Однополупериодная схема с активной нагрузкой приведена на рисунке 4-11, где — силовой трансформатор (в отличие от выходных, входных и других типов трансформаторов, применяемых в электронных приборах), обмотка I которого является сетевой, а обмотка II — повышающей, В — вентиль и — нагрузка. Под действием положительных импульсов переменного напряжения, возникающего в обмотке II, через вентиль В и нагрузку протекает пульсирующий и прерывистый ток (рис. 4-12). Сопротивление вентиля В непостоянно: оно определяется крутизной вольт-амперной характеристики в каждой точке. Однако при включении последовательно с диодом нагрузки сопротивление

Рис. 4-11

Рис. 4-12

этой цепи равно и характеристику можно считать линейной (динамическая характеристика).

Пусть — переменное напряжение, подлежащее выпрямлению, синусоидально:

тогда выпрямленный ток имеющий форму половины синусоиды (рис. 4-12), равен

Эффект выпрямления переменного тока в постоянный будет лишь в том случае, когда среднее за период значение выпрямленного тока не равно нулю.

Найдем среднее за период значение выпрямленного тока :

где — амплитуда тока в импульсе.

Из соотношения (4.2) имеем:

откуда постоянное напряжение на нагрузке равно

Без нагрузки напряжение на зажимах выпрямителя равно среднему за период значению положительной полуволны синусоиды, т. е.

где U — действующее значение переменного напряжения.

С увеличением тока нагрузки напряжение линейно падает на величину падения напряжения на вентиле .

Из схемы (см. рис. 4-11) видно, что в отрицательный полупериод, когда вентиль В закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обратное напряжение, действующее на вентиль, равно

т. е. обратное напряжение на вентиле более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

Действующее значение импульсов тока во вторичной обмотке трансформатора равно

С учетом соотношения (4.2) получим:

Разложим выражение для импульсов напряжения на нагрузке в ряд Фурье:

где

Первый член этого ряда — постоянная составляющая, равная второй первая гармоника, имеющая частоту напряжения сети, остальные члены — переменные составляющие более высоких частот с быстроуменьшающейся аплитудой, поэтому при расчетах выпрямителей их можно не учитывать. Величина пульсаций выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций:

где амплитуда первой гармоники.

Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники по соотношению (4.8) равна

Учитывая выражение (4.10), запишем коэффициент пульсаций:

Однополупериодная схема выпрямления используется в современных выпрямительных устройствах очень редко (в основном для получения токов нагрузки до 30 мА), так как

1) малы постоянные составляющие выпрямленных напряжения и тока по сравнению о действующими значениями (лишь частично используется вторичная обмотка, в результате чего мощность трансформатора должна превышать мощность выпрямленного тока приблизительно в 3 раза);

2) слишком большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Рис. 4-13

Рис. 4-14

2. Двухполупериодная схема с нейтральной точкой приведена на рисунке 4-13, где силовой трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, вентили и — нагрузка. Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. Поскольку вентили оказываются открытыми в разные половины периода переменного напряжения, ток через нагрузку протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 4-14).

Считая вентили одинаковыми, можно записать значение тока для каждого вентиля

Напряжение, подлежащее выпрямлению, определяется половиной вторичной обмотки трансформатора:

Каждый вентиль здесь работает как в однополупериодной схеме. Токи вентилей складываются, поэтому постоянные составляющие тока и напряжения равны среднему значению полусинусоидальных импульсов, т. е. с учетом соотношений (4.2) и (4.3) можно записать:

Из выражения (4.15) следует, что в отсутствие нагрузки напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше напряжения однополупериодного (нагрузочная характеристика несколько лучше).

Разложим выражение для импульсов напряжения при двухполупериодном выпрямлении в ряд Фурье:

где k = 2, 4, 6, 8... Как видно, первая гармоника этого ряда с частотой в данном разложении отсутствует, а низшая частота переменных составляющих вдвое больше частоты напряжения сети. Это облегчает условия, необходимые для последующего сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

В рассматриваемой схеме обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, находящийся в закрытом состоянии, равно сумме амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки:

На основании выражений (4.6) и (4.14) для тока, протекающего через каждый вентиль, можно записать:

т. е. в двухполупериодной схеме по сравнению с однополупериодной через каждый вентиль протекает ток вдвое меньший (лучше используются обмотки по току). Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсаций

На практике двухполупериодную схему часто используют. Ее недостатками являются: наличие отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.

3. Мостовая однофазная схема выпрямления приведена на рисунке 4-15. В нее входят силовой трансформатор с двумя обмотками и четыре вентиля . Диагональ моста АВ подключена ко вторичной обмотке II трансформатора диагональ CD — к нагрузке.

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения на концах обмотки II полярность напряжения изменяется через каждый полупериод, в результате при более высоком потенциале точки по сравнению с потенциалом точки ток проходит в течение полупериода по цепи

а в следующий полупериод

Таким образом, через нагрузку выпрямленный ток протекает в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.

Легко видеть, что в мостовой схеме выпрямленный ток и напряжение

Рис. 4-15

имеют такую же форму, как и в схеме с нейтральной точкой, поэтому значение выпрямленного тока по выражению (4.14) равно

а выпрямленного напряжения по формуле (4.15)

В случае отсутствия нагрузки у выпрямителя выпрямленное напряжение на выходе равно

Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по сравнению со схемой с нейтральной точкой в мостовой схеме требуется обмотка с числом витков, вдвое меньшим. Это приводит и к тому, что обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, в два раза меньше, чем в схеме с нейтральной точкой:

Действующее значение тока, протекающего через вентиль, равно

Следует отметить, что в мостовой схеме через каждый вентиль ток проходит только в течение одного полупериода, тогда как во вторичной обмотке трансформатора — в течение всего периода. Действующее значение тока, протекающего через вторичную обмотку, равно

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такая же, как и в схеме с нейтральной точкой, поэтому и коэффициент пульсаций такой же .

Полупроводниковые вентили отличаются малыми габаритами и массой, не требуют питания цепей накала, поэтому мостовая схема выпрямления является основной.

4. Трехфазные схемы выпрямления применяют в трехфазных сетях. Простейшая трехфазная схема с нейтральной точкой изображена на рисунке 4-16. Здесь первичные обмотки трехфазиого трансформатора соединяются

Рис. 4-16

Рис. 4-17

звездой или треугольником, а вторичные — звездой с включением в каждую обмотку по одному вентилю. Выпрямленный ток протекает через каждый вентиль в течение одной трети периода, когда напряжение на обмотке, в которую включен данный вентиль, выше, чем на двух других. Так, через вентиль ток проходит, пока потенциал его анода (рис. 4-17) выше потенциалов Переключение вентилей происходит в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжений. В нагрузке токи, проходящие через три вентиля, суммируются.

Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме равно

а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего через каждый вентиль, —

Обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, равно амплитуде линейного напряжения, действующего в системе вторичных обмоток трансформатора, соединенных звездой, так как один зажим вентиля подключен к одной из фаз, а второй — к другой фазе через открытый вентиль:

Существенным недостатком рассмотренной схемы является то, что проходящие только через вторичные обмотки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный магнитный поток (тоток вынужденного намагничивания»). Чтобы не допускать насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней трансформатора. Трехфазную схему выпрямлення с нейтральной точкой (называемую также схемой выпрямления со вторичной звездой) применяют лишь в маломощных силовых установках (до 25 кВт).

Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока изображена на рисунке 4-18. Здесь первичные и вторичные обмотки

Рис. 4-18

могут быть соединены как звездой, так и треугольником. Шесть вентилей образуют две группы — нечетную и четную . У первой группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода с положительным потенциалом, у второй — аноды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с отрицательным потенциалом. Каждый вентиль работает одну треть периода, причем ток проходит через тот из них, потенциал анода которого выше потенциала анодов двух других (в нечетной группе) или потенциал катода которого ниже потенциалов катодов двух других вентилей (в четной группе). Переключение вентилей происходит в моменты, соответствующие пересечению синусоид (см. рис. 4-17).

Мостовая схема обеспечивает шестикратное повторение пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного напряжения сети, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения может быть определено следующим образом:

что является достоинством мостовой схемы.

Среднее значение тока в вентиле причем этот ток проходит через два последовательно включенных вентиля.

Обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, здесь также является амплитудой линейного напряжения:

Мостовая трехфазная схема является основной в мощных выпрямителях. Она получила широкое применение в так называемых управляемых выпрямителях, в которых, регулируя моменты открывания и закрывания вентилей (например, тиристоров), можно весьма экономично в широких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока. Управляемые выпрямители в настоящее время получили широкое практическое применение.