План лекції

1. Загальні відомості та класифікація

2. Експлуатаційні характеристики випрямлячів

3. Робота однофазного двопівперіодного випрямляча з нульовим виводом на активне навантаження

4. Робота однофазного мостового випрямляча на активне навантаження.

5. Трифазні випрямлячі

1 Загальні відомості та класифікація

Випрямлячі - це електротехнічні пристрої, що призначені для пере­творення енергії джерела змінного струму в енергію напруги постійно­го струму.

Склад випрямляча показаний на узагальненій структурній схемі, що наведена на мал. 13.1.

Мал. 13.1 Структурна схема випрямляча: TV- трансформатор напруги

Як правило, випрямляч підмикається до розподільної мережі напру­ги змінного струму.

Трансформатор призначений для перетворення величини напру­ги мережі до величини, необхідної для роботи випрямляча. Він також забезпечує електричну (гальванічну) розв'язку мережі і на­вантаження.

Вентильна схема перетворює змінну напругу у випрямлену - пуль­суючу однополярну. Вона може виконуватись на напівпровідникових ключах.

Згладжуючий фільтр перетворює випрямлену напругу в постійну. Фільтри виконуються на реактивних елементах, які мають властивість

накопичувати електричну енергію: конденсаторах, дроселях. Такі фільтри називаються пасивними.

Для живлення радіоелектронних пристроїв часто використовують активні фільтри, які будуються на транзисторах, операційних підсилю­вачах та реактивних елементах.

Стабілізатор напруги підтримує напругу на навантаженні на незмінно­му рівні при змінах величини напруги мережі або величини наванта­ження у заданих межах.

При необхідності регулювання напруги на навантаженні за необ­хідним законом і у заданих межах використовують регулятори напру­ги. Зазначимо, що стабілізатор також являє собою різновид регулято­ра, у якого забезпечується автоматичне регулювання за ознакою по­стійності величини напруги на навантаженні.

Регулятор (стабілізатор) може бути увімкнено і зі сторони змінної напруги (до трансформатора).

Параметри вузлів випрямляча та їх елементів, режими їх роботи повинні бути узгоджені із заданими умовами роботи навантаження. Навантаження також вважають елементом випрямляча, бо зміни його величини у процесі роботи впливають на режим роботи всього

пристрою.

Згладжуючий фільтр, стабілізатор (регулятор), а іноді й трансфор­матор можуть не входити до складу випрямляча, коли в них немає

необхідності.

Крім вказаних вузлів, випрямляч може мати вузли і елементи захис­ту від короткого замикання, перевантаження, зниження напруги мережі та ін. (запобіжник, автоматичний вимикач, електронний пристрій за­хисту, елементи і вузли індикації наявності і величини напруги і струму, а також вузли діагностики працездатності).

Випрямлячі класифікують за числом фаз - однофазні та багатофазні (останні - найчастіше трифазні). За потужністю випрямлячі бувають ма­лої потужності (до 100 Вт), середньої (до 10 кВт) і великої (понад 10 кВт).

Є некеровані випрямлячі та керовані. Перші будуються на не-кєрованих вентилях - на діодах, другі - на керованих - наприклад, на тиристорах.

За принципом дії випрямлячі поділяються на однотактні та двотактні.

Однотактними називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм протікає один раз за період напруги мережі і лише в одному напрямку.

Важливим параметром випрямляча є кратність пульсацій випрям­леної напруги т - відношення частоти пульсацій випрямленої напруги до частоти мережі. У однотактних випрямлячів він відповідає числу фаз мережі.

Двотактними (двопівперіодними) називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм за період напруги мережі протікає двічі і в різних напрямках. Кратність пульсацій у двотактних випрямлячів дорівнює подвоєному числу фаз.

Робота випрямляча фактично полягає у тому, що навантаження за допомогою ключів так підмикається до джерела енергії напруги змінно­го струму, щоб за час періоду його напруги струм у навантаженні про­тікав в одному напрямку. Виходячи з цього, найважливішим вузлом випрямляча є вентильна схема - схема випрямлення.

Найширшого розповсюдження набули схеми випрямлячів, зображені на мал. 13.2 (виходячи з того, що в якості вентилів тут використано діо­ди - маємо некеровані випрямлячі).

При розрахунку випрямляча відомі параметри навантаження та ме­режі живлення. Невідомими є параметри елементів вузлів, що до нього входять.

Теорія випрямлячів зводиться до розробки аналітичних виразів, що зв'язують відомі параметри напруги мережі живлення і навантаження з невідомими параметрами, які характеризують роботу вентильної схе­ми. На підставі цього робиться вибір типу вентилів для конкретної схе­ми випрямляча та розрахунок його вузлів.

Мал. 13.2 Випрямлячі а-в- однотактні (з нульовим виводом); г,д – двотактні (мостові); а)однофазна однопівперіодна; б) однофазна двопівперіодна з нульовим виводом (схема Міткевича); г)однофазна мостова д) трифазна

мостова (схема Ларіонова)

2. Експлуатаційні характеристики випрямлячів

-Основними експлуатаційними характеристиками є величина се­редньої напруги на навантаженні U_d (див. мал. 13.3) та його середнього струму І_d

-Коефіцієнт пульсацій ви­прямленої напруги

де U_m(n - амплітудне значення основної гармоніки випрямленої мал. 13.3 - Ілюстрація середнього напруги при розвиненні останньої значення випрямленої напруги в ряд Фур'є.

-Зовнішня (навантажувальна) характеристика

-егулювальна характеристика , де ос - кут Мал. 13.3 Ілюстрація

-керування тиристорів (лише для керованих середнього значення напруги

випрямлячів).

-Середнє значення струму через вентиль І_а .

-Амплітудне значення струму через вентиль І_ат.

-Амплітудне значення зворотньої напруги, що прикладається до вентиля U .

-оефіцієнт корисної дії η.

-Надійність.

Знаючи експлуатаційні характеристики різних схем випрямлячів і вимоги з боку навантаження, обирають конкретну схему. На основі параметрів 5-7 вибирають вентилі.

Розрізняють такі режими роботи випрямлячів:

- на активне навантаження (R);

- на активно-індуктивне навантаження (RL);

- на активно-ємнісне навантаження (RС);

- на протиелектрорушійну силу - проти-е.р.с. (Е) - наприклад, коли випрямляч використовують для заряду акумуляторної батареї.

Як видно з мал. 13.2, найпростішим є однопівперіодний випрямляч, робота якого полягає в тому, що протягом одного півперіода напруги мережі навантаження підімкнене діодним ключем до вторинної обмотки трансформатора, а протягом другого півперіода відімкнене від неї. Показники якості вихідної напруги та інші у цього випрямляча вкрай низькі. Тому його застосовують дуже рідко.

Більш детально розглянемо схеми інших випрямлячів.

3. Робота однофазного двопівперіодного випрямляча з нульовим

виводом на активне навантаження

Схема однофазного випрямляча з нульовим виводом зображена на мал. 13.4.

Мал. 13.4 - Схема однофазного випрямляча з нульовим виводом

Очевидно, що він являє собою два однопівперіодних випрямлячі, що підімкнені до наванта­ження паралельно.

Вторинна обмотка його трансформатора має вивід від її середини - ну­льовий вивід (0). Тобто вона складається з двох півобмоток, кількості витків яких однакові:

W₂₁= W₂₂= W₂ Тоді напруги, що в них трансформуються, відносно нульової точки також однакові: , але протилежні за фазою.

Коефіцієнт трансформації трансформатора становить п = w₁ и w₂, де w,, w, - кількість витків первинної та половини вторинної обмоток відповідно.

Схема працює так.

За позитивної полярності напруги на обмотці w₂₁ (на мал. 9.4 вказа­на без дужок) у провідному стані знаходиться діод VD1 і через нього

тече струм (прямим спадом напруги на діоді нехтуємо - вважаємо його за ідеальний).

На навантаженні з'являється позитивна півхвиля напруги. Діод VD2 при цьому закритий зворотною напругою - зі схеми видно, що при цьому анодом він підімкнений до точки (2), а катодом через діод VD1 (замкнений ключ) до точки (1).

За негативної півхвилі напруги (на мал. 13.4 - у дужках) у провідному

стані знаходиться діод VD2. Через нього тече струм , діод VD1 закритий подвійною зворотньою напругою U₂.

Таким чином, за час періоду напруги мережі струм через наванта­ження протікає в одному напрямку і безперервно. Досягається це в два прийоми (такти), в один з яких навантаження першим діодним клю­чем підмикається до першої півобмотки трансформатора, а в другий -другим діодним ключем до другої півобмотки.

Роботу цього випрямляча ілю­струють часові діаграми, зобра­жені на мал. 13.5. Зверніть увагу: тут і надалі показані залежності напруг і струмів не власне від часу t, а від кутової величини Як побачимо далі, математичні залежності, що описують процеси у випрям­лячах, також за аргумент мають . Це зроблено для того, щоб співвідношення величин були однаковими за будь-якої часто­ти мережі f_m Мал.13.5-Часовідіаграми

Мал. 13.5 Часові діаграми роботи однофазного випрямляча напруги з нульовим виводом

4 Робота однофазного мостового випрямляча на активне навантаження.

Мостовий однофазний випрям­ляч складається з трансформато­ра, що має одну вторинну обмот­ку, та чотирьох випрямних діодів, з'єднаних у мостову схему. Схема випрямляча зображена на мал. 13.6.

Мал. 13.6 - Однофазний мостовий випрямляч

Діоди VD1, VD3 складають ка­тодну групу, VD2, VD4- анодну (по назві з'єднаних між собою елект­родів). При цьому в одну діагональ моста (діагональ постійного стру­му) увімкнене навантаження, а до другої діагоналі (діагоналі змінно­го струму) підімкнена вторинна обмотка трансформатора.

У провідному стані завжди зна­ходяться два діоди - один із анод­ної і один із катодної груп.

За полярності, вказаної без ду­жок, це діоди VD1, VD4, а діоди VD2, VD3 при цьому закриті. За полярності, вказаної у дужках -навпаки. Через навантаження струм завжди тече в одному на­прямку.

Часові діаграми роботи випрям­ляча зображені на мал. 13.7.

Для цієї схеми придатні прак­тично всі розрахункові співвідно­шення однофазного випрямляча з нульовим виводом за винятком:

5 Трифазні випрямлячі

Для живлення навантажень середньої і великої потужності використовують трифазні випоямні схеми.

5.1 Схема Міткевича

Однопівперіодна схема з нульовим виводом (схема Міткевича) зо­бражена на мал. 13.8

Ця схема складається із трифаз­ного трансформатора TV, випрям­них діодів VDJ-VD3 та навантажен­ня R_ч,яке вмикається між спільним виводом вторинних обмоток транс­форматора (нульовим виводом) та спільною точкою з'єднання випрям­них діодів. Фактично ця схема яв­ляє собою три однофазних однопів-періодних випрямляча, увімкнених паралельно. Тому первинні обмотки трансформатора можуть з'єднува­тися як зіркою, так і трикутником (забезпечуючи, наприклад, підмикання до мережі з фазною напру­гою 220 чи 127 вольт), а вторин­ні-лише зіркою.

Мал. 13.8- Однопівперіодна схема з нульовим виводом (схема Міткевича)

Мал. 13.9- Часові діаграми однопівперіодної схеми з нульовим виводом (схема Міткевича)

Випрямні діо­ди працюють по черзі. За період напруги живлен­ня кожен діод знаходиться у провідному ста­ні третину періо­ду, причому про­водить той діод, до анода якого на даний мо­мент прикладе­на найбільш по­зитивна фазна мал. 13.9- Часові діаграми роботи схеми Міткевича напруга.

Роботу схеми Міткевича ілюструють часові діаграми, наведені на мал. 13.9

Як випливає із діаграм, наприклад, на інтервалі найбільш пози­тивна напруга є на вторинній обмотці

трансформатора фази А, тому у провідному стані тут знаходиться діод VD1. Зате на інтервалі ,він закритий лінійною напругою u_abабо u_ас (даний інтервал відповідає за­штрихованій скісними лініями ділянці діаграми u₂,): анод має потенціал фази и_a2, а катод - потенціал фази, яка знаходиться у провідному стані – u_b2, або u_с2,.

(13.1)

Тоді (13.2)

Максимальна напруга на діоді

(13.3)

Середнє значення струму через діод

(13.4)

Коефіцієнт трансформації трансформатора

(13.5)

Коефіцієнт пульсації випрямленої напруги (при ш=3)

(13.6)

Частота пульсації випрямленої напруги в три рази перевищує часто­ту мережі.

№21

Навчальна дисципліна Основи промислової електроніки та МПТ

СпеціальністьМонтаж і експлуатація електроустаткування підприємств іцивільних споруд