что такое пульсность в выпрямителях

Выпрямитель переменного тока

Выпрямитель переменного электрического тока — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он обычно реализуется на полупроводниковых диодах. Простейший выпрямитель переменного тока содержит трансформатор, выпрямительный диод и нагрузку. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема простейшего выпрямителя переменного тока

Приведенная на рисунке 1 схема реализует однотактную схему выпрямления однофазного источника переменного напряжения. В нашей стране используется переменное напряжение

220В. В этой схеме трансформатор понижает переменное синусоидальное напряжение до необходимого на выходе значения. Полупроводниковый диод пропускает ток через нагрузку только в одном направлении.

Выпрямленное напряжение U_d содержит полезную составляющую (постоянное напряжение U₀) и ряд гармоник частоты входного тока f_сети, в том числе и основную гармонику с частотой входного напряжения. Амплитуды гармоник тока на выходе однотактного выпрямителя напряжения можно определить по коэффициентам Берга для угла отсечки, равного 90°. В идеальном случае гармонический спектр продолжается до бесконечности. В реальных устройствах он ограничивается фильтрующим действием паразитных элементов схемы.

Как уже обсуждалось в статье «Преобразование переменного тока в постоянный», в однотактных схемах постоянный ток нагрузки протекает через трансформатор, поэтому его сердечник подмагничивается. Понять процессы, происходящие в однотактном выпрямителе, помогут временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.

Рисунок 2. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя переменного тока

Как уже определялось при обсуждении схемы замещения трансформатора, ток в первичной обмотке трансформатора равен сумме тока его холостого хода (i_xx) и переменной составляющей тока нагрузки, пересчитанной в первичную цепь (i₂’). Форма тока в первичной обмотке (i₁) трансформатора, входящего в состав однополупериодного выпрямителя, сильно отличается от синусоидальной. По этой причине подобная схема применяется достаточно редко.

С точки зрения выражения (1) однопериодный выпрямитель тока, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1, обладает пульсностью

В качестве примера выпрямителя тока с количеством фаз напряжения на выходе больше, чем на входе, можно привести двухфазный однотактный выпрямитель тока. Его принципиальная схема приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема двухфазного однотактного выпрямителя тока

В данном случае используются две вторичных обмотки, включенных противофазно (обмотка с отводом посередине). В течение одного периода сети через каждую из них протекает один импульс тока i₂’ и i₂«. Благодаря диодам эти токи протекают через нагрузку в одном направлении, а через вторичные обмотки из-за противофазного включения — в разных направлениях. В результате форма тока в первичной обмотке не искажается и в сердечнике трансформатора не происходит подмагничивание постоянным током.

Рисунок 4. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя тока

При расчете сглаживающего фильтра очень важно знать частоту первой гармоники пульсаций. В схеме двухфазного однотактного выпрямителя она вдвое выше частоты сети () и может быть определена через пульсность

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного тока

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде. В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная схема трехфазного однотактного выпрямителя переменного тока

Трехфазный однотактный выпрямитель напряжения состоит из трёхфазного трансформатора и трёх выпрямительных диодов VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения катодов диодов и общей точкой вторичных обмоток трансформатора. Для пояснения принципов работы данного устройства на рисунке 7 приведены временные диаграммы токов и напряжений на вторичных обмотках трансформатора, на выходе схемы и на одном из выпрямительных диодов.

Рисунок 7. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однотактного выпрямителя тока

Трехфазный однотактный выпрямитель переменного тока применяется в относительно низковольтных устройствах. На его выходе удается получить пульсацию напряжения около 13%. Это соответствует требованиям к качеству питания большинства устройств. по крайней мере при сварке постоянным током электрическая дуга не будет гаснуть, что позволит получить качественный шов сварки металла.

Если для питания устройства требуется большее напряжение по сравнению с предыдущим случаем, то можно применить трехфазную двухтактную схему выпрямления тока. Она позволяет снизить требования к сглаживающему фильтру. Принципиальная схема трехфазного двухтактного выпрямителя тока приведена на рисунке 8. Это устройство известно также под названием трехфазного выпрямительного моста или схемы Ларионова.

Рисунок 8. Принципиальная схема трехфазного выпрямительного моста

Рисунок 9. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного выпрямительного моста

Как видно из приведенных временных диаграмм уровень пульсаций на выходе рассмотренного трехфазного выпрямителя тока значительно меньше предыдущих вариантов выпрямителей и составляет 3,5%. Однако с помощью трехфазного трансформатора можно получить на выходе количество фаз больше шести. Это позволяет дополнительно уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе трёхфазного выпрямителя тока. Возможна реализация девяти, двенадцати, восемнадцати и более фазных выпрямителей. Повышение количества фаз позволяет уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя. В качестве примера рассмотрим схему двенадцатипульсного выпрямителя тока. Его схема приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема двенадцатифазного выпрямителя тока

В данной схеме применяется трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками для каждой фазы. При этом одна группа вторичных обмоток включается по схеме «звезда», а другая — «треугольник». В результате напряжения на выходе каждой из групп вторичных обмоток оказывается сдвинутыми на 30° Для того, чтобы напряжения были равны, количество витков в каждой из групп вторичных обмоток отличаются в 1.73 раза. Благодаря последовательному включению постоянные напряжения на выходе диодных мостов суммируются и на нагрузке действует напряжение с частотой пульсаций в 12 раз выше частоты сети и значительно меньшим по сравнению с предыдущими схемами уровнем пульсаций, равным 0.9%.

Дата последнего обновления файла 16.02.2018

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Выпрямитель переменного тока» читают:

Источник

Что такое пульсность в выпрямителях

Раздел № 3. Неуправляемые выпрямители

-Критериями качества работы выпрямителя являются:

— коэффициент выпрямления по напряжению :

m – фазность схемы выпрямителя (1 или 3),

– число периодов выпрямления (1 или 2).

Критериями качества сглаживающего фильтра являются :

К выпрямительному устройству предъявляются требования по качеству выходного напряжения, которое характеризуется :

— нестабильностью выходного напряжения

— это отношение оклонения напряжения от номинального значения к номинальному значению.

В выпрямительном устройстве с трансформаторным входом существуют следующие способы регулирования выходного напряжения:

1. Регулирование в цепи переменного тока (непрерывного и импульсного действия).

2. В звене выпрямителя за счет использования полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, симисторов, динисторов).

3. 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 :

U_пр— среднее прямое напряжения (падение на диоде) в открытом состоянии диода,

Для увеличения среднего прямого тока ( I _пр ) 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 ). Это может привести к выходу из строя одного из диодов.

Для увеличения U _обр диоды включают последовательно с выравнивающими элементами.

Для выравнивания напряжений ( U _обр ), в маломощным выпрямителях, последовательно включенные диоды шунтируются резисторами, величина сопротивлений которых в несколько раз меньше обратного сопротивления диода. Для выпрямителей большой мощности этот способ выравнивания обратных напряжений 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) передается 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 перепад D t

Температуру кремниевой пластины можно определить как сумму температуры окружающей среды и перепадов температуры на отдельных элементах :

Для обеспечения нормального функционировния диода необходимо выполнения условия t _п t _доп.

Потери мощности на диоде суммируются из потерь от прямого тока ( P _пр ), потерь на преодоления противо-ЭДС ( Pпор) и коммутационных потерь (P _ком ) :

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.

К нагрузке должны быть скоммутированы одна или две разноименные группы. Свободные концы элементов, не соединенные в узел должны быть разведены 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 двухполупериодной 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 электромагнитных процессов в цепях,

2) разложение в ряд Фурье и получение выражений для коэффициентов выпрямления К₀ и пульсаций К_п.

Напряжение на выходе выпрямителя содержит кроме постоянной составляющей 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, представленного на рисунке получим выражение для U _0.

Под средневыпрямленным напряжением ( U ₀ ) понимается высота прямоугольника, эквивалентного по площади кривой, описывающей выпрямленное напряжение ( U_d ) за период повторения данной кривой, который равен 2 p /р.

Коэффициент выпрямления по напряжению равен

Коэффициент пульсаций определяется выражением :

где k – номер гармоники.

Для повышения качества выпрямленного напряжения необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

— увеличение фазности питающих напряжений,

— увеличение числа коммутируемых элементов,

— расщепление фазных напряжений за счет использования способа соединения трансформатора «зигзагом».

Неуправляемые выпрямители

При анализе схем выпрямления принимаем потери в диодах и трансформаторе равными нулю, и будем анализировать работу схемы на активную нагрузку.

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, образуют общий плюс выпрямителя. На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей.

Достоинства однофазного мостового выпрямителя :

— высокое значение коэффициента выпрямления К₀, малый уровень пульсации напряжения (низкое значение К_п) по сравнению с однополупериодной схемой выпрямителя.

— по сравнению со схемой «со средней точкой трансформатора» (двухполупериодной, однофазной) в схеме обеспечивается лучшее использование трансформатора и уровень обратного напряжения имеет меньшее значение.

Недостатки: коммутация двух вентилей в каждый момент времени приводит к увеличению потерь в звене выпрямителя, что нежелательно при больших токах. Наличие двух групп в схеме не позволяет размещать их на одном радиаторе без изоляции.

Получим основные соотношения для данной схемы выпрямления :

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. Напряжение, снимаемое с верхней обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. В момент p происходит перекоммутация с VD 1 на VD 2, т.к. отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD 2. Таким образом через нагрузку 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 использовать схему при высоком токе нагрузки. Существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе без изолятора.

Недостатки схемы выпрямления: при отключении диода за счет наведения 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 показателей (К₀,К_п) данная схема не отличается от однофазной мостовой схемы выпрямления.

Основные соотношения для схемы выпрямителя:

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом

Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода. Нагрузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных цепей схемы выпрямления.

В момент t ₂ происходит перекоммутация с VD 1 на VD 2, т.к. потенциал фазы “ b ” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t ₂ ; t ₃ ] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “ b ” и “ a ” и он находится в закрытом состоянии.

К недостатком этой схемы можно отнести :

· Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

· Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m ), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

· Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения, и возрастают пульсации.

· С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются :

· более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

· с точки зрения монтажа – существует возможность размещения полупроводников на одном радиаторе.

Трех фазная мостовая схема выпрямителя

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений цепей схемы выпрямления.

На интервале [t ₁ ;t ₃ ] фаза “ a ” имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD 2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается “+”). В момент времени t ₃ происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза “ b ” становится более положительной по отношению к другим фазам.

На интервале [t ₂ ;t ₄ ] фаза “ c ” имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля, и он работает два такта.

К недостаткам схемы можно отнести :

· Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.

· Наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп.

Достоинствами схемы выпрямления являются :

· Высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.

· Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.

· Возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи.

· Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный).

· Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

В связи с вышеперечисленным рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.

; ;

; ;

Аномальные режимы работы выпрямителей

1 При неправильном подключении диода (обращенный диод) в схеме выпрямителя 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 пульсации.

В момент t ₇ происходит перекоммутация двух вентилей т.к. отрицательная полуволна фазы “ b ” отсутствует, а фазы “ a ” и “ c ” в точки пересечения изменяют свой знак.

Форма выпрямленного напряжения идентична форме на выходе однофазного мостового выпрямителя с той разницей, что вместо фазного напряжения на вход подается линейное напряжения двух фаз.

IV При перекосе фазных напряжений происходит снижение уровня выпрямленного напряжения и появление низкочастотной пульсации. Диаграммы аналогичны пропаданию фазы.

Способы повышения пульсности выпрямителей

I Для повышения мощности выпрямительных устройств используют последовательное или параллельное включение выпрямителей. При сочетании двух способов соединения обмоток трансформатора ( “ треугольник ” и “ звезда ” ) в первичной либо во вторичной цепях схем выпрямителей, включенных параллельно или последовательно пульсность устройства возрастает в два раза.

На рисунке приводятся временные зависимости выпрямленного напряжения 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 выпрямителя.

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) увеличивается в 2 раза.

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость средневыпрямленного напряжения от изменения тока нагрузки. Схема замещения выпрямителя в цепи постоянного тока имеет вид:

;

N _д – число одновременно коммутируемых элементов (в однополупериодной схеме N _д =1, в двухполупериодной N _д =2);

R _кз – потери в обмотке трансформатора, определяемые из опыта “ короткого замыкания ” ;

R _д – динамическое сопротивление диода;

R _ф – активные потери в дросселе сглаживающего фильтра.

Уравнение для определения среднего напряжения на выходе нагруженного выпрямителя имеет вид :

На рисунке представлена внешняя характеристика выпрямителя.

N _с – нестабильность входного напряжения (относительные единицы),

U_{2 ном} – номинальное значение напряжения во вторичной цепи трансформатора.

Напряжение в точке “ б ” характеристики равно

При построении регулировочной характеристики в управляемом выпрямителе учитываются значения напряжения в точках “ а ” и “ б ” и диапазон отклонения напряжения от номинального ( N _С ).

Влияние индуктивности рассеяния трансформатора на форму выпрямленного напряжения в 3-х фазной схеме выпрямителя с нулевым выводом

На интервале [t ₁ ;t ₂ ] по первому закону коммутации ток VD 1 не может скачком измениться до нуля, происходит снижение тока по экспоненциальному закону. Ток в цепи диода VD 2 также нарастает по экспоненте. К нагрузке прикладывается напряжение 2-х фаз ( “a” и “c” ), что оказывает влияние на форму выпрямленного напряжения. Это уменьшает уровень выпрямленного напряжения и увеличивает уровень пульсаций напряжения на нагрузке.

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

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 [t ₂ ;t ₃ ] VD 1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U ₁ (такой режим называется инверторным). Коммутационная задержка на выключение VD 1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U ₁ ток протекает по контуру:

Предположим, что при прохождении напряжения U₁ через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD 2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD 4 и включенный VD 2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

(С Þ ¥ ), 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: (1)

Источник