Неуправляемые выпрямители

В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис, 10.33) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Трансформа­тор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до не­обходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилиза­тор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изме­нении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

В дальнейшем вместо термина " выпрямительное устройство" будем пользоваться сокращенным — " выпрямитель". По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническо­му решению - с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения - не­управляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для вы­прямления синусоидального напряжения включаются диоды, т. е. не­управляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения — обычно емкостные фильтры.

Для упрощения расчетов примем, что приемник представляет собой резистивный двухполюсник с сопротивлением нагрузки, а диоды — идеальные ключи, т. в. реализуют короткое замыкание цепи для тока в прямом направлении и ее разрыв для тока в обратном направлении.

А. Однофазные выпрямители. В однофазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора приемник подключается к выводу от середи­ны вторичной обмотки трансформатора (рис. 10.34). Рассмотрим снача­ла работу выпрямителя вез сглаживающего фильтра (ключ К разомк­нут). бели в каждой половине вторичной обмотки с числом витков wb считать положительным то направление тока, при котором соответ­ствующий диод открыт, то ток в каждой половине обмотки и в каждом диоде будет синусоидальным в течение положительного (для этой полови­ны) полупериода и равным нулю в течение отрицательного полупериода (рис. 10.35, д). В приемнике положи­тельные направления обоих токов со­впадают, т.е. i_н = i₁ + i₂, (рис. 10.35, 6).

При идеальном трансформаторе по­стоянная составляющая тока нагрузки

и его действующее значение

(10.13)

равны значениям соответствующих величин синусоидального тока с той же амплитудой.

Ток в первичной обмотке трансформатора с числом витков w₁, синусоидальный

и совпадает по фазе с синусоидальным напряжением сети (рис. 10.35, в)

Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра (ключ К замкнут). По первому закону Кирх­гофа для узла 1 цепи прямой ток диода VD₁

или

где

и

— напряжение на конденсаторе фильтра и ток в нем.

Подставив в это уравнение значение тока i₁ = 0, определим момент времени t ₁ закрывания диода:

откуда

Начиная с момента времени t₁, напряжение на приемнике будет из­меняться по экспоненциальному закону [1, § 5.5]:

как показано на рис. 10.36, а штриховой линией.

В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе и_c и на входе вы­прямителя u₂ = -U_msinwt будут равны и откроется диод VD₂. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться. Происходит периоди­ческая зарядка конденсатора фильтра током i_c от источника энергии и его последующая разрядка на цепь приемника (рис. 10.36, б).

Включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную состав­ляющую Uo и уменьшает процентное содержание гармонических со­ставляющих в кривой выпрямленного напряжения.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Uо от среднего значения выпрямленного тока I_о называется внешней харак­теристикой выпрямителя. На рис. 10.37 приведены внешние характери­стики однофазного выпрямителя без сглаживающего фильтра (кри­вая 1) и со сглаживающим фильтром (кривая 2). Уменьшение напря­жения u₀ при уменьшении сопротивления цепи нагрузки и увеличении выпрямленного тока объясняется увеличением падения напряжения на реальном диоде с нелинейной ВАХ, а во втором случае - также бо­лее быстрой разрядкой конденсатора.

В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 10.38) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину периода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i₁, а другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i₂, а первые два диода заперты (рис. 10.39, а). Для мосто­вой схемы справедливы все полученные выше соотношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрям­ленный i_н = i₁ + i₂ (рис. 10.39, б), а ток источника i = i₁ - i₂ синусои­дальный (рис. 10.39, а).

Б. Многофазные выпрямители. Многофазное выпрямление дает возможность значительно уменьшить пульсации выпрямленного на­пряжения. На рис 10.40 показана схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. В каждый данный момент времени ток проводит только тот диод, анод которого соединен с выводом той вторичной обмотки трехфазного трансформатора (a, b или с), напряже­ние на которой (u_a, u_b или u_с) положительное и наибольшее (рис. 10.41, а).

Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток i_a, i_b и i_c представляют собой три последовательности импульсов с периодом повторения Т = 2p/w_e, длительностью Т/3 и амплитудой I_m = U_m /r_н каждая, сдвинутые относительно друг друга на 1/3 периода (рис. 10.41, б), токи первичных обмоток равны

ток нагрузки i_н = i_a + i_b + i_c имеет постоянную составляющую Iо, а выпрямленное напряжение совпадает с огибающей положительных полуволн напряжений вторичных обмоток и_н = r_нi_н (рис. 10.41, в). Заметим, что токи во вторичных и первичных обмотках трансформа­тора имеют постоянные составляющие Iо /З и w₁Io /(3 w₂).

В трехфазной мостовой схеме выпрямителя нулевой вывод вторич­ной обмотки трехфазного трансформатора не нужен, поэтому его вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольни­ком или, если позволяют условия работы трехфазный трансформатор может вообще отсутствовать. При отсутствии трехфазного трансфор­матора выпрямитель подключается к трехфазному источнику, напри­мер, как показано на рис. 10.42. Половина диодов выпрямителя (VD₁, VD₃ и VD₅) образует группу, в которой соединены все катод­ные выводы, а у второй половины диодов (VD₂,, VD₄ и VD₆) соедине­ны все анодные выводы.

Примем значение потенциала нейтральной точки N трехфазного ис­точника j_н = 0. При этом потенциалы его выводов соответственно равны

что показано на рис. 10.43, а. В каждый данный момент времени рабо­тает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наи­больший положительный потенциал j_Аmax > 0 относительно потенциа­ла нейтральной точки N, а вместе с ним - диод второй группы, у кото­рого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал | j_Кат |_max относительно потенциала этой же точки.

Чтобы проследить порядок переключения диодов, разделим один период Т работы цепи на шесть равных интервалов времени, как показано на рис. 10.43, а. В табл. 10.2 для каждого интервала времени приведены величины с наибольшим положительным потенциалом ано­дов j_Аmax диодов первой группы и с наибольшим по абсолютному значению отрицательным потенциалом катодов | j_Кат |_max диодов второй группы, а также номера открытых диодов каждой группы. В течение одного периода происходит шесть переключений, т. е. в 2 ра­за больше числа фаз т = 3.

Работу выпрямителя иллюстрируют совмещенные по времени кри­вые токов диодов первой группы i₁, i₃ и i₅ (рис. 10.43, б), токов дио­дов второй группы i₂, i₄ и i₆ (рис. 10.43, в), тока нагрузки i_н =i₁ + i₃ + i₅ = i₂ + i₄ + i₆ и выпрямленного напряжения u_н = r_нi_н (рис. 10.43, г) и переменные фазные токи трехфазного источника i_a = i₁ - i₂, i_b = i₃ – i₄ и i_c = i₅ – i₆ (рис. 10.43, д). Заметим, что макси­мальное значение выпрямленного напряжения равно амплитуде сину­соидального линейного напряжения трехфазного источника Ö 3U_m, а максимальное значение выпрямленного тока I_m = Ö 3U_m /r_н.

Мощность многофазных неуправляемых выпрямителей обычно сред­няя или большая (от десятков до сотен киловатт и больше при токах до 100000 А). Мощность однофазных неуправляемых выпрямителей малая или средняя (от единиц до десятков киловатт). Коэффициент полезного действия неуправляемых выпрямителей достигает 98%.