Критериями качества работы выпрямителя являются:
- отношение амплитуды к-ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.
- отношение средневыпрямленного значения напряжения к действующему значению напряжения во вторичной цепи трансформатора.
- отношение частоты пульсации к частоте питающего напряжения.
- отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.
Критериями качества сглаживающего фильтра являются:
, где 
- 
коэффициенты пульсации на входе и вы-ходе соответственно.
К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется :
В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулирования выходного напряжения:
- Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).
- В звене выпрямителя за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).
- В цепи постоянного тока на выходе выпрямительного устройства за счет использования стабилизаторов напряжения ( тока ) непрерывного или импулсьсного действия.
Полупроводниковый диод, как элемент выпрямительного устройства
Рассмотрим вольт- амперную характеристику (ВАХ) полупроводникового диода и его схему замещения.
Основными параметрами полупроводникового диода являются:
,
,
Для увеличения среднего прямого тока (Iпр) используют параллельное включение диодов с выравнивающими элементами.
При параллельной работе диодов из-за несовпадения их ВАХ, токи в них распределяются неравномерно (в одном из них будет преобладать средневыпрямленный ток Iпр2>Iпр1 ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.
Для выравнивания токов используются дополнительные элементы: для средней мощности - резисторы, для большой мощности - уравнительный реак-тор.
Под действием токов (Iпр2,Iпр1), протекающих по обмоткам W1, W2, в них наводится ЭДС. За счет разностного тока образуется поток DФ, который вызывает появление ЭДС самоиндукции. Там, где произошло превышение тока, ЭДС самоиндукции уменьшает скорость его нарастания, а где уменьшение - за-счет ЭДС взаимоиндукции ток увеличивается. Для увеличения Uобр диоды включают последовательно с выравниваю-щими элементами.
Для выравнивания напряжений (Uобр), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, величина сопро-тивлений которых в несколько раз меньше обратного сопротивления диода. Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напря-жений не пригоден из- за больших потерь в резисторах. Поэтому для мощных выпрямительных устройств применяют реактивные делители напряжения.
Тепловая модель полупроводника
Во время работы полупроводника происходит его перегрев, для охлаждения используют радиатор. Расчет площади радиатора ведется с помощью тепловой модели. Тепло, выделяемое в кремниевой пластине диода (П) переда-ется на корпус (К) и далее в окружающую среду (С) через ряд конструктивных элементов.
Величины тепловых сопротивлений в соответствии с типом элемента и радиатора приводятся в справочной литературе. Тепло, распространяющееся от пластины П в окружающую среду, создает на элементах температурный пере-пад Dt
Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму темпе-ратуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах:
Для обеспечения нормального функционировния диода необходимо вы-полнения условия tп< tдоп.
Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока (Pпр), потерь на преодоления противо-ЭДС (Pпор) и коммутационных потерь (Pком):
,
В низкочастотных выпрямительных устройствах коммутационные потери составляют небольшую долю по отношению к остальным потерям, поэтому принимаем
.
Критерий качества выпрямительных устройств
Полупроводниковые диоды предназначены для коммутации нагрузки к источнику с целью формирования однополярного напряжения в нагрузке при разнополярном напряжении источника.
Существуют понятия анодной и катодной группы диодов (при соеди-нении элементов в узел катодами или анодами ).
Принцип коммутации:
К нагрузке должны быть скоммутированы одна или две разноименные группы. Свободные концы элементов, не соединенные в узел должны быть раз-ведены по источникам. При наличии одной группы другой конец нагрузки должен быть подключен к нулевому выводу или земле. Однополупериодные схемы выпрямления имеют одну группу, двухполупериодные - две.
Рассмотрим принцип коммутации на примере однофазной двухполупери-одной и трехфазной однополупериодной схем выпрямления.
Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
Трехфазная однополупериодная схема выпрямления
Для анализа выпрямительных устройств используют графоаналитический метод, который включает:
1) построение временных диаграмм для I и U при анализе электромагнит-ных процессов в цепях,
2) разложение в ряд Фурье и получение выражений для коэффициентов вы-прямления К0 и пульсаций Кп.
Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме постоянной состав-ляющей U0 целый ряд гармонических составляющих:
В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье ее среднее значение определяется площадью, ограниченной рассматриваемой функцией за период повтроямости, отнесенной к величине периода. Так как площадь определяется вольт- секундным интегралом, то для напряжения, пред-ставленного на рисунке получим выражение для U0.
Под средневыпрямленным напряжением (U0) понимается высота прямо-угольника, эквивалентного по площади кривой, описывающей выпрямленное напряжение (Ud) за период повторения данной кривой, который равен 2p/р.
Коэффициент выпрямления по напряжению равен
.
Получим выражение для амплитуды к- ой гармоники Umk. Очевидно ,что Ud - четная функция, поэтому учитываем только косинусоидальные состав-ляющие.
Коэффициент пульсаций определяется выражением:
где k - номер гармоники.
Для повышения качества выпрямленного напряжения необходимо увели-чивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:
Для вычисления предельного значения K0 по правилу Лопиталя при p®?: К0® , а U0®U2m.
При анализе схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансфор-маторе равными нулю, и будем анализировать работу схемы на активную на-грузку.
Однофазный мостовой (двухполупериодный) выпрямитель
Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, обра-зуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимо-стей для токов и напряжений цепей.
На интервале от 0 до p фазное напряжение (U2) имеет положительное значение. При этом диоды VD1 и VD4 находятся в открытом состоянии, и по-ложительная полуволна напряжения U2 проходит в нагрузку. В момент смены полярности U2 происходит перекоммутация вентилей (коммутируются VD3, VD2).
Достоинства однофазного мостового выпрямителя:
Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приво-дит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп в схеме не позволяет размещать их на одном радиа-торе без изоляции.
Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления:
- т.к. ток через диод протекает в течение полупериода.
, где
Однофазная схема с нулевым выводом (двухполупериодная)
Схема выпрямителя представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку.
На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.
На интервале времени [0;p] потенциал точки а - положительный, а точки б - отрицательный, поэтому диод VD1 - открыт и через него протекает ток. На-пряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент p происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. отрица-тельный потенциал прикладывается к катоду VD2. Таким образом через на-грузку ток протекает в одном и том же направлении в течение одного периода.
Достоинства схемы выпрямления: за счет малого числа коммутируемых элементов уменьшаются потери в выпрямительном звене, что позволяет ис-пользовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность разме-щения полупроводников на одном радиаторе без изолятора.
Недостатки схемы выпрямления: при отключении диода за счет наведе-ния ЭДС с работающей полуобмотки в неработающую происходит удвоение напряжения, прикладываемого к диоду в закрытом состоянии. Это не позволяет использовать схему при высоких уровнях выпрямленного напряжения. Кроме того на каждом такте участвует в работе только одна из полуобмоток, что ухудшает использование трансформатора. С точки зрения качественных пока-зателей (К0 ,Кп ) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы вы-прямления.
Основные соотношения для схемы выпрямителя:
.
Под габаритной мощностью трансформатора понимаем полусумму мощностей всех обмоток трансформатора, поэтому с учетом 2-х полуобмоток трансформатора в уравнение для Pmр во втором слагаемом появляется множитель, равный 2. Ток Iа протекает в течение одного полупериода и имеет сину-соидальную форму, поэтому дополнительно появляется множитель, равный 1/ (поскольку 
). В однофазной мостовой схеме выпрямителя Kтр = 1,23,что используется в уравнение для Pтр. Тогда, для двухполу-периодной схемы имеем Kmp=1,47.
Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (трехфазный однополупериодный)
Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода. На-грузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом.
На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных цепей схемы выпрямления.
На интервале времени [t1;t2] фаза "a" имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора , поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы "a". В момент t2 происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы "b" становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке при-кладывается фазное напряжение.
На интервале времени [t2; t3] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами "b" и "a" и он находится в закрытом состоянии. В момент t3 прикладывается линейное напряжения Uca, так как происходит пе-реключение вентилей (с VD2 на VD3).
К недостатком этой схемы можно отнести:
Достоинствами схемы выпрямления являются:
Основные соотношения:
Kmp=1,35
Трех фазная мостовая схема выпрямителя
Данная схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем вы-прямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и, работающих на общую нагрузку.
На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей схемы выпрямления.
На интервале [t1;t3] фаза "a" имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду приклады-вается "+"). В момент времени t3 происходит перекоммутация в катодной груп-пе со второго на четвертый диод, т.к. фаза "b" становится более положительной по отношению к другим фазам.
На интервале [t2;t4] фаза "c" имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к като-ду пятого вентиля, и он работает два такта.
К недостаткам схемы можно отнести:
Достоинствами схемы выпрямления являются:
В связи с вышеперечисленным рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.
Основные соотношения:
; 
;
; 
; Kmp=1,05
Аномальные режимы работы выпрямителей
1 При неправильном подключении диода (обращенный диод) в схеме вы-прямителя возникает короткозамкнутый контур, что приводит к выгоранию группы, где установлен обращенный диод.
Где R2, R4 - динамические сопротивления диодов, II При сгорании предохранителя, установленного в цепи диода, происходит пропадание одной из полуволн фазного напряжения, что приводит к снижению уровня средневыпрямленного напряжения и появлению низкочастотной пуль-сации.
Рассмотрим на примере предохранителя F3. При сгорании данного пре-дохранителя не обеспечивается прохождение отрицательной полуволны напря-жения фазы " b ".
На интервале [t1;t3] наиболее высокий потенциал имеет фаза "a" по срав-нению с другими фазами, низкий - у фазы "c", т.к. фаза "b" отсутствует. В мо-мент времени t2 не будет происходить перекоммутация. Поэтому второй и пятый вентили работают два такта.
В момент t7 происходит перекоммутация двух вентилей т.к. отрицательная полуволна фазы "b" отсутствует, а фазы "a" и "c" в точки пересечения из-меняют свой знак.
III При сгорании предохранителя, установленного во вторичной цепи транс-форматора в одной из фаз (смотрите выше приведенный рисунок для Fb) проис-ходит обрыв этой фазы, что приводит к уменьшению уровня средневыпрямлен-ного напряжения и появлению низкочастотной пульсации, равной 2?fсети.
Форма выпрямленного напряжения идентична форме на выходе однофазного мостового выпрямителя с той разницей, что вместо фазного напряжения на вход подается линейное напряжения двух фаз.
В моменты времени t2 и t3 нет коммутации из-за препятствия прохожде-ния фазы "b". В моменты времени t1 и t4 происходит перекоммутация двух вен-тилей. На интервале [t1;t4] наибольший потенциал имеет фаза "a" , поэтому по-ложительный потенциал прикладывается к диоду VD2 и через него протекает ток, а наибольший отрицательный потенциал фазы "c" прикладывается к катоду VD5.
IV При перекосе фазных напряжений происходит снижение уровня выпрям-ленного напряжения и появление низкочастотной пульсации. Диаграммы ана-логичны пропаданию фазы.
Способы повышения пульсности выпрямителей I Для повышения мощности выпрямительных устройств используют по-следовательное или параллельное включение выпрямителей. При сочетании двух способов соединения обмоток трансформатора ("треугольник" и "звезда") в первичной либо во вторичной цепях схем выпрямителей, включенных парал-лельно или последовательно пульсность устройства возрастает в два раза.
Если каждый из выпрямителей построен по трехфазной мостовой схеме (p=6), то получаем схему 12- пульсного выпрямителя. При питании каждого из мостов напряжениями, сдвинутыми по фазе на угол 2p/6 (30°), пульсации выходных напряжений мостов В1 и В2 оказываются сдвинутыми также на 30°.
При расчете трансформатора для 12- пульсного выпрямителя следует учесть, что из первичной цепи трансформатора во вторичную передаются фазные напряжения. В трехфазном мостовом выпрямителе в нагрузку передается линейное напряжение трансформатора. Поэтому для согласования выпрямите-лей во вторичной цепи трансформатора, включенного в "треугольник" необхо-димо увеличивать число витков фазных обмоток вторичной цепи в На рисунке приводятся временные зависимости выпрямленного напряже-ния в 12- пульсном выпрямители.
II За счет использования включения трансформаторов во вторичной цепи в "зигзаг" можно осуществлять многократное расщепление фазных напряжений. При каждом расщеплении будет в два раза увеличиваться пульсность выпрями-теля.
Соотношение витков полу обмоток вторичной цепи трансформаторов, включенных в "зигзаг" подбирается таким образом, чтобы получить фазовый сдвиг напряжений на входах выпрямителей 15° по отношению к друг другу. При этом пульсность на выходе выпрямительного устройства (для Ud ) увели-чивается в 2 раза.
Внешняя характеристика выпрямителя Внешняя характеристика выпрямителя - зависимость средневыпрямлен-ного напряжения от изменения тока нагрузки. Схема замещения выпрямителя в цепи постоянного тока имеет вид:
U0хх - максимальный уровень напряжения на "холостом ходу" неуправляемого выпрямителя без учета противо- ЭДС (Uпор ), т.е. Nд - число одновременно коммутируемых элементов (в однополупериодной схеме Nд =1, в двухполупериодной Nд =2);
Rкз - потери в обмотке трансформатора, определяемые из опыта "короткого за-мыкания";
Rд - динамическое сопротивление диода;
Rфp - активные потери в дросселе сглаживающего фильтра.
Уравнение для определения среднего напряжения на выходе нагруженно-го выпрямителя имеет вид:
На рисунке представлена внешняя характеристика выпрямителя.
Напряжение в точке "а" характеристики определяется из выражения Nс - нестабильность входного напряжения (относительные единицы),
U2ном - номинальное значение напряжения во вторичной цепи трансформатора.
Напряжение в точке "б" характеристики равно
Под семейством внешних характеристик понимается построение U0=f(I0 ) с учетом отклонения напряжения сети и в диапазоне тока (I0max…I0min ).
При построении регулировочной характеристики в управляемом выпрямителе учитываются значения напряжения в точках "а" и "б" и диапазон отклонения напряжения от номинального (Nc ).
На интервале [t1 ;t2 ] по первому закону коммутации ток VD1 не может скачком измениться до нуля, происходит снижение тока по экспоненциальному закону. Ток в цепи диода VD2 также нарастает по экспоненте. К нагрузке при-кладывается напряжение 2-х фаз ("a" и "c"), что оказывает влияние на форму выпрямленного напряжения. Это уменьшает уровень выпрямленного напряже-ния и увеличивает уровень пульсаций напряжения на нагрузке.
При работе на индуктивную нагрузку происходит аналогичное влияние на форму выпрямленного напряжения коммутационных задержек, связанных с индуктивными элементами нагрузки. Интервал "коммутационной задержки" зависит от величины Iнагр , поэтому данная схема имеет ограничение по величи-не тока из-за влияния индуктивности рассеяния. Схема замещения на интерва-ле задержки имеет вид:
На рисунке изображены временные зависимости токов и напряжений в цепях, поясняющие процессы в схеме выпрямителя на интервале "коммутаци-онной задержки" g.
Используя метод узловых потенциалов, получим выражение для среднего значения выходного напряжения выпрямителя с учетом влияния индуктивно-сти нагрузки:
При получении выражения для U0 с учетом влияния индуктивных эле-ментов цепей пренебрегают не заштрихованной площадью S1, а заштрихован-ную площадь описывают синусоидальным законом изменения напряжения при 0.5U2m.
Для анализа внешней характеристики выпрямителя вводят параметр
Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей
Активно-индуктивная нагрузка
Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:
На рисунке изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.
На интервале [t1 ;t2 ] положительный потенциал фазы U1 коммутирует диод VD1, при этом в дросселе Lн накапливается реактивная энергия Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямлен-ного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым ис-ключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.
В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.
При положительной полуволне напряжения U1 ток протекает по контуру:
"+" U1 ®VD1®Lн ®Rн ®VD4®"-" U1.
Предположим, что при прохождении напряжения U1 через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энер-гии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном на-пряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.
Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы од-нофазного мостового выпрямителя.
На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямите-ля к источнику U1.
На интервале tзар U1 >Uc и при этом происходит заряд емкости C сглажи-вающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для огра-ничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтиро-ванные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника пи-тания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.
На интервале tраз , когда напряжение на емкости уравнивается с напряже-нием источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока на-грузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из-за уменьшения постоянной цепи разряда tраз =RН С. При этом ухудшаются сглажи-вающие действия фильтра.
При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева - метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль.Вводят коэффи-циент А=f(Q), где Q - угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Для расчета параметров Uобр , Iаср , Iад , U2 , I2 вводят вспомогательные коэффициенты: В, С, D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интег-рирование на интервале Q. При выводе соотношения примем емкость конденса-тора, близкую к бесконечности
(СЮҐ ), а пороговое напряжение равным нулю на ВАХ диода. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока: Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для Ud .
На интервале 2Q ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cosQ, получим:
назад
|
оглавление
|
вперёд
раз (т. к. в "звезде":
; "треугольнике":Uk=Uф).
, где 
;
, где 
.
, где 
.
, где
, учитывающий влияние Ls . С увеличением тока спад внешней характеристики будет больше.
.
На интервале [t2 ;t3 ] VD1 остается открытым из-за положительного тока дроссе-ля и энергия дросселя отдается в источник U1 (такой режим называется инвер-торным). Коммутационная задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.
(1)
(2).
.