26. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Диаграммы и принцип работы. Основные параметры схемы. Управляемый однополупериодный выпрямитель

Однофазные управляемые выпрямители

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополу­периодная схема. Выпрямители, позволяющие регулировать величину выпрямлен­ного напряжения в заданных пределах, называются управляемыми. Ре­гулировать величину выпрямленного напряжения можно двумя прин­ципиально различными способами:

1. Изменять каким-либо способом величину подводимого к вы­прямителю напряжения (например, с помощью автотрансформатора, ступенчато регулируемых трансформаторов, дросселей насыщения и др.).

2. Использовать в выпрямителях свойства управляемых вентилей (с полной или частичной управляемостью).

Наибольшее распространение в технике получили управляемые выпрямители, относящиеся ко второй группе. Их рассмотрению и будет посвящен данный раздел.

 

2.1. Однополупериодный управляемый выпрямитель

Простейшая схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис. 4.1а. Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя напряжения U2, соответствующего заданной величине выпрямленного напряжения Ud и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети.

В качестве силового вентиля в этой схеме выпрямления используется тиристор (вентиль с частичной управляемостью). Принципиально здесь можно использовать полностью управляемый вентиль (транзистор или двухоперационный тиристор), свойства последних позволяют их использовать только в вентильных преобразователях сравнительно небольшой мощности. Преобразователи средней и большой мощности обычно строятся на тиристорах.

а) б)

Рис. 4.1. Схемы однофазных управляемых выпрямителей

Как известно, для перевода тиристора в проводящее состояние необходимо выполнение одновременно двух условий: наличие положительного потенциала на аноде относительно катода Uак; наличие в цепи управления тока iу, достаточного для включе­ния тиристора при данной величине Uак. Формирование тока управления осуществляется специальным устройством (системой управления) (СУ). В дальнейшем во всех схемах управления вентильных преобразователей система управления будет подразумеваться, но на рисунках изображаться не будет.

Благодаря односторонней проводимости тиристора ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что определяет и название этой схемы. Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

1. Активным и индуктивным сопротивлениями обмоток трансформатора пренебрегаем.

2. Нагрузка имеет чисто активный характер.

3. Тиристор VS идеальный.

4. Током намагничивания трансформатора пренебрегаем.

5. Напряжение обмотки трансформатора синусоидально:

u2 = .

Пусть в положительный полупериод напряжения u2система управления СУ формирует сигнал на включение тиристора со сдвигом по фазе на угол α относительно точки 0. Тогда при допущениях, принятых ранее, ток в нагрузке будет протекать на интервале (α...π) под действием выпрямленного напряжения Ud(рис. 4.2б).

В точке π тиристор закроется, так как полярность напряжение u2 изменится на противоположную, и снова тиристор сможет открыться только в точке (2π+α) (рис. 4.2б), когда система управления снова подаст сигнал на его включение.

 

 

Рис. 4.2. Временные диаграммы

Постоянная составляющая выпрямленного н при этом

.

Угол α, на который запаздывает включение тиристора VS относительно точки естественной коммутации, называется углом управления или углом включения тиристора.

Из рис. 4.2вследует, что в управляемом выпрямителе к тиристору, кроме обратного (запирающего) напряжения, прикладывается еще и прямое напряжение на участке [0...(2π + α)]:

Uа max= .

В частном случае, при α = 0 все электромагнитные процессы управляемых выпрямителей и основные расчетные соотношения аналогичны для соответствующих схем неуправляемых выпрямителей.

 

2.2. Двухполупериодный управляемый выпрямитель со средней точкой

Простейшая схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевым выводом (со средней точкой) представлена на рис. 4.1б.

На рис. 4.3 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу однофазного управляемого выпрямителя со средней точкой при чисто активной нагрузке и угле управления a=450.

Здесь u2a, u2b, − напряжения на вторичной стороне трансформатора;

uy1, uy2 − напряжения на управляющих электродах тиристоров VS1 и VS2;

uda − выпрямленное напряжение на нагрузке;

uv1 − напряжение на тиристоре VS1.

При изменении угла a будет изменяться время работы тиристоров и соответственно величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого будет определяться выражением

,

где Ud0 − напряжение холостого хода при a=0.

Зависимость Uda=ƒ(a) называется регулировочной характеристикой. Регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки представлена на рис. 4.4.

При увеличении тока нагрузки Id выходное напряжение Uda выпрямителя будет уменьшаться вследствие падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре.

Зависимость Uda=ƒ(Ida) называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Например, на рис. 4.5 приведены внешние характеристики при разных значениях a, наклон которых остается постоянным, т.к. потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления α.

Рис. 4.3. Временные диаграммы

Рис.4.4. Регулировочная характеристика

Рис. 4.5. Внешние характеристики

Похожие статьи:

poznayka.org

Управляемый выпрямитель. Однополупериодный и двухполупериодный тиристорный управляемый выпрямитель

13.8. УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Как было показано в § 13.1, функции согласования уровня и частоты, а также стабилизации среднего за период значения выходного напряжения могут быть выполнены в одном устройстве. Примером такого устройства являются управляемые (регулируемые) выпрямители с применением тиристоров, транзисторов или других управляющих приборов.

Однополупериодный тиристорный управляемый выпрямитель. Сущность работы тиристорного управляемого выпрямителя рассмотрим на примере простейшей однополупериодной схемы (рис. 13.24, а). Схема управления тиристором VD формирует на его управляющем выводе импульс напряжения, сдвинутый относительно момента Uвх=0 на некоторый угол а, называемый углом включения. Этот импульс при условии Uвх больше 0 включает тиристор.

При активной нагрузке Rn тиристор VD автоматически выключается в тот момент времени, когда его напряжение приближается к нулю. Таким образом, при наличии сигнала управления длительность включенного состояния тиристора определяется выражением

(13.42)

где Т- период колебания входного напряжения Uвх.

С учетом сказанного, для среднего значения напряжения на нагрузке можно записать

(13.43)

Например, при a=0 время tи1=Т/2 и тиристор VD полностью открыт в течение положительных полуволн питающего напряжения.

Рис. 13.24. Схема управляемого однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре (а) и временные диаграммы поясняющие ее работу при различных значениях угла включения a (б, в, г)

Рис. 13.25. Схема управления тирнстором (a) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

При а=л/4 tи2=(Т/2)(3/4)=3T/8, что соответствует уменьшению времени tи1 включения тиристора на 1/4, т. е. на 25% и т.д.

Работа управляемого выпрямителя поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 13.24,б-г. При наименьшем угле включения тиристора а=0 (рис. 13.24,б) среднее напряжение на нагрузке Uн,ср имеет максимальное для однополупериодной схемы значение, равное Uн,сро=Um/л. При а=л/2 (рис. 13.24, г) напряжение (Uн,ср)л/2=0,5(Uн,ср)о=Um/2л, Если в режиме минимальной нагрузки обеспечить, например, угол а=л (рис, 13.24, г), а затем по мере повышения нагрузки уменьшить угол а (рис. 13.24,в), то за счет увеличения tи можно компенсировать падение напряжения на выходном сопротивлении выпрямителя и получить неизменное значение Uн,ср. Такой принцип управления тиристорным выпрямителем называют фазоимпульсным (вертикальным) и широко используют в тиристорных преобразователях различного назначения.

Схемы управления тиристором должны формировать управляющие импульсы в заданные моменты времени, соответствующие требуемым значениям угла а. При этом для надежной работы тиристора необходимы кратковременные импульсы с большой крутизной фронта. Наиболее просто эта задача решается, например, с использованием пик-генераторов на динисторе.

Простейшая схема пик-генераторного управления тиристором приведена на рис. 13.25, а. Она состоит из динисторного автогенератора релаксационных колебаний (параллельно включенные конденсатор Су и динистор VD2), служащего одновременно и формирователем кратковременных импульсов управления тиристором VD1.

В момент положительных полуволн питающего напряжения Uвх под действием тока управления iyпp начинается заряд конденсатора Су. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение Uс на конденсаторе не достигнет значения Uvd2,вкл, достаточного для переключения динистора VD2. С этого момента t=t1 (рис. 13.25,б) динистор .переходит в проводящее состояние, характеризующееся чрезвычайно низким выходным сопротивлением. В результате этого конденсатор Су разряжается через динистор VD2 на резистор Rу и управляющий переход тиристора VD1 (рис. 13.25,6). Окончание времени разряда обусловливается снижением тока динистора до величины Iвыкл. В этот момент происходит обратное переключение диистора в состояние отсечки. Конденса тор Су вновь получает возможность заряжаться током iyпp.

При изменении тока iупр (рис. 13.25,б) изменяется время заряда конденсатора Су до напряжения Uvd2,вкл и потому наблюдается сдвиг импульсов управления по времени (рис, 13.25 б). Это позволяет менять угол включения а тиристора, обеспечивая фазоимпульсный способ управления выходным напряжением.

Рассмотренный принцип управления тнристором можно использовать как для однофазных, так и многофазных выпрямительных устройств.

Рис. 13.26. Схема однофазного управляемого двухполупериодного выпрямителя на тиристорах с CLC-фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Двухполупериодный тиристорный управляемый выпрямитель. Схема двухполупериодного тиристорного выпрямителя, построенная на основе двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой, приведена на рис. 13.26, а. Суть регулирования в данной схеме заключается в следующем. Если на управляющие входы тиристоров постоянно подано отпирающее напряжение, то поведение схемы ничем не отличается от работы обычного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и среднее выходное напряжение будет определяться полученным ранее выражением (13.12): Uo=Um/л.

Если же в каждый из полупериодов управляющее напряжение будет подаваться на соответствующие тиристоры с задержкой на угол а, ко входу фильтра будет прикладываться только часть входного напряжения (рис. 13.26,6). Определим для данного случая зависимость Uи,сp=F(a):

(13.44)

Очевидно, что при изменении а от 0 до л среднее значение выходного напряжения такого выпрямителя будет соответственно изменяться от Uср,макс=2Um/л до Uср,мин=0.

В выпрямителях с трансформаторами на входе регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять, как показано на рис. 13.27, тиристорами, включенными в цепь переменного тока. Такие схемы весьма перспективны для выпрямителей, использующих понижающие трансформаторы, поскольку при U1 больше U2 имеем I1 меньше I2, а потому тиристорное управляющее звено VD1, рассчитанное на пониженные токи I1, получается малогабаритным, а неуправляемое диодное звено VD2 легко реализуется на практике с использованием диодов Шотки. Такое решение позволяет упростить схему и повысить КПД ИВП.

Рис. 13.27. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с тиристорным ключом в первичной обмотке трансформатора

vunivere.ru

принцип работы, схемы и т.д.

Однополупериодный выпрямитель — это устройство или контур, проводящее во время одной половины цикла переменного тока. Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода (D1) и сопротивления (RL).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

kipiavp.ru

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель - Club155.ru

 

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)}\) , представлены на рис. 3.4-1б.

 

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

На интервале времени \(\left[ {0;} T/2 \right]\) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале \(\left[ T/2 {;} T \right]\) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

\(U_{н ср} = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T} U_н \operatorname{d}t = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d}t = \)

\(= - \cfrac{U_{вх max}}{T \omega} \cos{\left( \omega t \right)}{\huge \vert \normalsize}_{0}^{T/2} \approx \cfrac{U_{вх max}}{\pi} = \sqrt{2} \cfrac{U_{вх д}}{\pi}\),

где \(U_{вх д}\) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

 

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

\(I_{н ср} = \cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi} I_{max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d} t \approx \cfrac{I_{max}}{\pi} = {0,318} \cdot I_{max} \),

где \(I_{max}\) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

 

Действующее значение тока нагрузки \(I_{н д}\) (через диод протекает такой же ток):

\(I_{н д} = \sqrt{\cfrac{I_{max}^2}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi^{ }} \sin{\left( \omega t \right)}^2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \) 

 

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

\(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} - \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left( 2 \omega t \right)} - \)

\( - \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left( 4 \omega t \right)} - {…} \)

 

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

\(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\). 

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

 

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

 

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

 

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

 

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

 

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

 

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

 

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

\( I_д = \cfrac{U_{вх} - U_н}{r} \) , 

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

 

Учитывая, что \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \):

\(I_д = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{\left( \omega t \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(\sin{\left(\varphi \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right)\)   (3.4.1)

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left[\pi/2 – \beta ; \pi/2 + \beta \right]\):

\(I_{д ср} =\cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{\frac{\pi}{2} - \beta}^{\frac{\pi}{2} + \beta} \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{ \left( \varphi \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right) \operatorname{d} \varphi =\)

\(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left( \sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)} \right) \)  

 

Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left( \beta \right)}} \):

\(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left( \beta \right) \),

где \( A \left( \beta \right) = \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}} = \operatorname{tg} \left( \beta \right) - \beta \)    (3.4.2)

 

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

 

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

\( I_{д max} = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_н}{r} \cdot \cfrac{\pi \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\cos{\left( \beta \right)}} \)

 

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

\( I_{д max} = \cfrac{I_{д ср} \cdot \pi}{A \left( \beta \right)} \cdot \cfrac{1- \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}}\), где \(F \left( \beta \right) = \cfrac{\pi \cdot \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}\)

 

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

 

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

 

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

\( С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

 

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

 

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

 

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

\( U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} = L \cfrac{\operatorname{d} I_н}{\operatorname{d} t} + I_н R_н \)

Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

\(I_н(t) = \cfrac{U_{вх max}}{\sqrt{R_н^2 + {\left( \omega L \right)}^2}} \left( \sin{\left( \omega t - \theta \right)} + e^{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{( \theta )} \right) \),

где \( \theta = \operatorname{arctg} \left( \cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

 

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

 

 

< Предыдущая Следующая >

www.club155.ru

26. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Диаграммы и принцип работы. Основные параметры схемы.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю. Среднее значение переменного тока по отношению к подведенному действующему составит:

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом. Важно отметить, что среднеквадратичное (устар. эффективное, действующее) значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя будет в корень из 2 меньше подведенного действующего, а потребляемая нагрузкой мощность в 2 раза меньше (для синусоидальной формы сигнала)

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения Uн ср к действующему значению входного переменного напряжения Uвх д называется коэффициентом выпрямления (Kвып). Для рассматриваемой схемы Kвып=0,45.

Максимальное обратное напряжение на диоде Uобр max=Uвх max=πUн ср , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

Kп=Uпульс max01Uн ср=π2=1,57.

27. Двуполупериодный выпрямитель со средней точкой. Диаграммы работы. Принцип действия. Основные параметры.

На интервале времени [0;T/2] под действием напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом направлении (диод VD2 при этом смещен в обратном направлении) и поэтому ток в нагрузочном резисторе определяется только напряжением Uвх1. На интервале [T/2;T] диод VD1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки протекает через прямосмещенный диод VD2 и определяется напряжением Uвх2. Таким образом, средние значения тока и напряжения на нагрузочном резисторе в случае двухполупериодного выпрямления будут в два раза превышать аналогичные показатели для однополупериодной схемы:

Uвх max и Iвх max — максимальные амплитудные значения входного напряжения и тока выпрямителя (по одному из напряжений питания),

Uвх д и Iвх д — действующие значения входного напряжения и тока выпрямителя .

Отрицательным свойством двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой является то, что во время прохождения тока через один из диодов обратное напряжение на другом (закрытом) диоде в пике достигает удвоенного максимального входного напряжения: Uобр max=2Umax. Этого нельзя забывать при выборе диодов для выпрямителя.

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в данной схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций рассчитанный по методике, аналогичной описанной для схемы однофазного однополупериодного выпрямителя (разложение в ряд Фурье и выделение первой составляющей пульсаций) будет равен: Kп=0,67.

параметры смотреть в предыдущем пункте.

28. Однофазный мостовой выпрямитель. Диаграммы работы и принцип действия. Основные параметры выпрямителя.

Схема:

Диаграммы работы:

Принцип работы:

В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

где U2 ─ действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Параметры:

• Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

• Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2ω

следовательно,

29. Назначение сглаживающих фильтров. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. Особенности работы. Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами

Сглаживающий фильтр - устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, при которой обеспечивается нормальная работа питаемой аппаратуры или её каскадов.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.

Особенности работы.

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя. В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя Uвх больше напряжения на нагрузке Uн и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через Rн, предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (1/ωC ≪Rн). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (Uн ≈const).

30. Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметрические стабилизаторы.

Основные параметры стабилизатора: 1. Коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и выходного напряжений. Коэффициент стабилизации характеризует качество работы стабилизатора.

2. Выходное сопротивление стабилизатора Rвых = Rдиф Для нахождения Кст и Rвых рассматривается схема замещения стабилизатора для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току Rдиф является параметром стабилизатора.

Дифференциальное сопротивление Rдиф определяется из уравнения:

Для схемы замещения получаем коэффициент стабилизации с учетом, что Rн >> Rдиф и Rбал >> Rдиф,:

Параметрический стабилизатор:

В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки - напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения

Кст = 5 ÷ 30 Для получения повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов. Параллельное включение стабилитронов не допускается. С целью увеличения коэффициента стабилизации возможно каскадное включение нескольких параметрических стабилизаторов напряжения.

31. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов. Принципиальная схема непрерывного стабилизатора напряжения. Получить выражение для выходного напряжения. Недостатки таких стабилизаторов.

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Непрерывный

Принципиальная схема стабилизатора напряжения непрерывного действия приведена на рис. б. Здесь роль ИЭ выполняет делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Балластный резистор Rб и стабилитрон VD представляют собой маломощный параметрический стабилизатор, выполняющий роль ИОН. Операционный усилитель (ОУ) DA, включенный по схеме дифференциального усилителя, выполняет роль УС. ТранзисторVT является РЭ стабилизатора.

Выходное напряжение стабилизатора можно регулировать, меняя соотношение сопротивлений делителя R1 и R2:

studfiles.net

Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

Электроника Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

просмотров - 80

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

ЛЕКЦИЯ 21

На практике выпрямительные установки часто должны обеспечивать плавное регулирование выпрямленного напряжения U0. В неуправляемых выпрямителях с диодами регулировку осуществить трудно.

В управляемых выпрямителях в качестве вентильного элемента используется тринистор.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя:

Управление выпрямленным напряжением сводится к задержке во времени момента включения тиристора VS по отношению к моменту естественного включения за счет напряжения, приложенного между его анодом и катодом. Это осуществляется регулированием угла сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора.

Такой сдвиг фаз называют углом управления a. Управление величиной угла a производят с помощью фазовращающей цепочки R1, R2, C.

Учитывая зависимость отсопротивления переменного резистора R2 угол a может меняться от 0° до 90°, что позволяет плавно регулировать выпрямленное напряжение от наибольшей величины до его половины.

Среднее выпрямленное напряжение:

.

Недостаток: при . Но при этом увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения, и уменьшается КПД выпрямителя.

Характеристика управления U0(a) (с активной нагрузкой Rн):

Умножители напряжения

Обеспечивают выпрямление с умножением выходного напряжения в любое число раз.

Читайте также

- Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ЛЕКЦИЯ 21 На практике выпрямительные установки часто должны обеспечивать плавное регулирование выпрямленного напряжения U0. В неуправляемых выпрямителях с диодами регулировку осуществить трудно. В управляемых выпрямителях в качестве... [читать подробенее]

- Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ЛЕКЦИЯ 21 На практике выпрямительные установки часто должны обеспечивать плавное регулирование выпрямленного напряжения U0. В неуправляемых выпрямителях с диодами регулировку осуществить трудно. В управляемых выпрямителях в качестве... [читать подробенее]

oplib.ru

Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема

Питание электронных схем самого различного назначения требует источника постоянного напряжения. В обычной бытовой сети ток переменный, его частота в большинстве случаев 50 Гц. Форма графика изменения величины напряжения представляет собой синусоиду с периодом в 0,02 секунды, при этом один полупериод оно относительно нейтрали положительное, второй – отрицательное. Для решения задачи его преобразования в постоянную величину применяются выпрямители переменного тока. Они бывают разной конструкции, и их схемы могут отличаться.

Для того чтобы понять, как работает самый простой однополупериодный выпрямитель, нужно сначала разобраться в природе электрической проводимости. Ток есть направленное движение заряженных частиц, которые могут иметь противоположную полярность, условно их делят на электроны и дырки, иначе – доноры и акцепторы, имеющие проводимости «n» и «p» типов соответственно. Если материал с n-проводимостью соединить с другим, p-типа, то на их границе образуется так называемый p-n-переход, ограничивающий движение заряженных частиц одним направлением. Это открытие позволило использовать полупроводниковую технику, заменив ею большинство ламповой электроники.

Однополупериодный выпрямитель в своей основе содержит диод, устройство с одним p-n переходом. Переменное напряжение, поступающее на вход схемы, на выходе содержит лишь его половину, ту, которая соответствует направлению включения выпрямительного диода. Вторая часть периода, имеющая противоположное направление, просто не проходит и «срезается».

На схеме изображен однофазный выпрямитель, применяемый чаще всего в простых домашних устройствах и предназначенный для бытовых целей. В промышленных условиях часто используется трехфазная сеть, поэтому и схемы преобразования переменного тока в постоянный могут быть сложнее. Кроме того, как правило, в цепь включают предохранители и фильтры. На входе схемы может включаться понижающий трансформатор или другой источник переменного напряжения. Выпрямительные диоды различаются по своим параметрам, главным из которых является величина тока, на которую диод рассчитан.

Однополупериодный выпрямитель имеет существенный недостаток по сравнению с двухполупериодным. Напряжение после выпрямления не является в буквальном смысле постоянным, оно пульсирует от максимальной величины до нуля по полусинусовидной форме графика и имеет в промежутке между импульсами нулевое значение. Такую неравномерность подачи обычно компенсируют включением сглаживающего конденсатора довольно большой величины (иногда измеряемой в тысячах микрофарад), рассчитанного на напряжение не меньшее, чем возникает на выходе схемы, как правило, с запасом. Такая мера также не обеспечивает идеальной ровности графика, но величина отклонений от заданного значения значительно снижается, что дает возможность применять однополупериодный выпрямитель для запитывания простых схем, не требующих высокой стабильности напряжения.

В более сложных случаях используются двухполупериодные схемы выпрямления с последующей стабилизацией.

fb.ru

---

• 
  Кэс что значит
• 
  Сечения проводов таблица
• 
  Эскб айская 22
• 
  Ломоносовский район нет света
• 
  Онлайн расчет солнечной электростанции для дома
• 
  Проверка фазировки трехфазного напряжения
• 
  Когда по нормам должны включать отопление
• 
  Сигнализатор уровня жидкости поплавковый
• 
  Автоматизация систем управления
• 
  Выпрямитель ларионова схема
• 
  Как экономить электроэнергию в квартире с счетчиком