Выпрямительные устройства

Выпрямительными называются устройства преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Основным элементом выпрямительного устройства является диод, который представляет собой нелинейный прибор с односторонней проводимостью.

При расчетах выпрямителей необходимы следующие основные параметры диодов:

- I_ПрСрmax, I_Имmax – максимально допустимый прямой средний ток и прямой импульсный ток (заданной скважности);

- U_Пр – прямое падение напряжения на диоде;

- U_Обmax – максимально допустимое обратное напряжение;

- I_Обmax – максимальный обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении;

- r_Диф – дифференциальное внутреннее сопротивление диода;

- f_max – максимальная частота входного напряжения.

Режимы работы выпрямителей в значительной мере зависят от характера нагрузки, включенной на выходе выпрямителя и схемы сглаживающего фильтра. В источниках питания электронной аппаратуры наиболее широко распространены выпрямители с емкостной (активно-емкостной) нагрузкой и, следовательно, емкостной реакцией. В таких выпрямителях (наиболее дешевых и компактных) для сглаживания пульсаций параллельно нагрузке установлен конденсатор. Трансформаторы таких выпрямителей имеют несколько большую габаритную мощность по сравнению с выпрямителями с индуктивными фильтрами. К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относится большая амплитуда тока через диод.

Рис. 3.1. Схемы однофазных выпрямителей с емкостным фильтром:

а) однополупериодная; б) двухполупериодная схема со средним выводом вторичной обмотки; в) однофазная мостовая; г) симметричная схема удвоения напряжения;

д) несимметричная схема умножения

Выпрямители с индуктивной нагрузкой содержат фильтр, включающий достаточно большую по величине индуктивность. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра позволяет ограничить импульсы тока через диод, но приводит к перенапряжениям, возникающим на выходной емкости и на дросселе фильтра при включении, выключении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя (диодов) и его нагрузки.

Основные параметры выпрямителей:

U_C – входное переменное напряжение и пределы его отклонения от нормы α _min и α _max;

f_С – частота входного (переменного) напряжения;

m – число фазности (пульсности) схемы выпрямления: m = pq, где р – число тактов, т.е. полупериодов в течение которых энергия поступает из первичной сети в нагрузку, q – число фаз сетевого напряжения (однополупериодная схема и удвоения m=1, двухполупериодная схема и мостовая m=2, трехфазная схема m=3);

U_о – выпрямленное напряжение;

I_о – номинальное значение выпрямленного тока и его минимальное значение I_оmin;

k_ПК=U_omk/U_o – коэффициент пульсаций или отношение амплитуды U_omk k-ой гармоники выпрямленного напряжения к его среднему значению U_o;

η – коэффициент полезного действия выпрямителя;

Δ U_Пр – падение напряжения в выпрямителе;

Ψ – коэффициент мощности выпрямителя.

На основе заданных значений напряжения U_o и тока I_o определяем приближенные значения параметров, необходимых для выбора выпрямительных диодов: U_Обрm, I_ПрСр, I_ПрVD (приложение 3).

Выбор диода выпрямителя производится на основании выполнения следующих условий:

- максимальное обратное напряжение диода U_ОбрmVD> U_Обрm;

- максимальный прямой средний ток I_ПрСрVD> I_ПрСр;

- максимальный импульсный ток I_ПрИVD> I_Прm.

После выбора диода находится его сопротивление в открытом состоянии:

Находим полное сопротивление фазы, т.е. обмоток трансформатора и диодов:

где n – число последовательно включенных диодов (для мостовой схемы n=2).

Параметры схемы выпрямления с активно-емкостной нагрузкой:

где U₂, I₂ – действующие значения напряжения и тока фазы вторичной обмотки; U_Обрm – максимальное амплитудное значение обратного напряжения диода, В; I_Прm, I_ПрСр – соответственно максимальное и среднее значение тока диода, А; I_ПрVD – действующее значение тока диода, А; - соотношение произведения первичного тока на число витков первичной обмотки и выпрямленного тока на число витков вторичной обмотки; S_Тр, S₁, S₂ – мощность соответственно габаритная (расчетная), первичной и вторичной обмоток трансформатора, ВА; k_П1, f_П1 – соответственно коэффициент и частота пульсаций; r – прямое сопротивление выпрямителя, Ом.

Определяем основной расчетный параметр:

Находим приближенное значение угла φ, характеризующего сопротивление фазы выпрямителя:

где L_S – индуктивность рассеяния трансформатора, Гн.

где k_L – коэффициент, определяемый схемой выпрямителя (для мостовой схемы равен 5^.10^-3); р – число чередующихся секций обмоток: в случае размещения первичной обмотки между половинами вторичной р =3, в противном случае р =2; В_m – максимальное значение индукции в магнитопроводе, Тл; f_С – частота первичной электросети, Гц; U_o, I_o – напряжение и ток на выходе выпрямителя.

С помощью графиков и параметров А и φ определяем вспомогательные расчетные параметры В, D и F.

Рис. 3.2. Зависимость параметров В (рис. а) и D (рис. б) от расчетного параметра А

Рис. 3.3. Зависимость параметров F (рис. а) и H₀₁ (рис. б) от расчетного параметра А

Рис. 3.4. Зависимость параметра H₀₂ от расчетного параметра А

На основе параметров В, D и F с помощью соответствующих формул рассчитываются U₂, I₂, S₂, I₁, S₁, U_Обр, I_ПрСр, I_Пр, I_ПрVD.

Определение емкости фильтра, обеспечивающего заданный коэффициент пульсаций, производится с помощью параметра Н, значения которого можно найти по графикам рис. 3.3 б, 3.4. Параметр Н₀₂ предназначен для расчетов емкости фильтра двухтактных однофазных выпрямителей (m =2).

Величину емкости фильтра определяем по формуле:

Из приложения 4 выбираем конденсатор соответствующей емкости и на соответствующее напряжение и выписываем эти параметры.