Выпрямители
3 выпрямители
Выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Типовая структурная схема устройства преобразования переменного тока в постоянный (выпрямителя) представлена на рисунке 3.1.
Трансформатор обеспечивает получение требуемого напряжения на выходе выпрямителя при заданном значении напряжения сети, а также устраняет гальваническую связь цепей выпрямленного тока с питающей сетью, что обязательно при заземленной нагрузке.
Вентильное звено (ВЗ), состоящее из одного или нескольких определенным способом соединенных вентилей, осуществляет выпрямление переменного тока, т.е. пропускание его только в одном направлении. Пульсирующему току одного направления на выходе ВЗ соответствуют среднее (постоянное) напряжения U0 и некоторые флюктуации напряжения относительно его среднего значения. Интенсивность этих флюктуаций, называемых в технике электропитания пульсациями, может быть охарактеризована по-разному, в частности, их средним квадратичным (действующим) значением U0~ , напряжением половины размаха пульсаций UПР~ и т. п.
Во многих случаях интенсивность пульсация на выходе ВЗ имеет недопустимую для нагрузки выпрямителя величину и для ее уменьшения применяют сглаживающие фильтры (СФ). СФ должен по возможности беспрепятственно пропускать постоянный ток и существенно подавлять пульсацию. При эффективно работе СФ для постоянного напряжения и напряжения пульсаций UН~ на выходе фильтра справедливы соотношения ; UН~<< .
Типовая временная диаграмма напряжения на выходе сглаживающего фильтра изображена на рисунке 3.2.
параметры выпрямителя:
Рекомендуемые материалы
1. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке.
2. Среднее значение тока в нагрузке.
3. КП– коэффициент пульсаций.
Коэффициент пульсаций может определяться с использованием различных мер интенсивности переменного напряжения, в частности, среднего квадратичного (действующего) значения U0~ или полуразмаха UПР~ пульсаций
КП = U0~
КП = UПР~/ U0 ,
где UПР~ = (см. рисунок 3.2).
Часто для оценки качества постоянного напряжения на выходе выпрямителя используют коэффициент пульсаций по первой, () наиболее интенсивной, гармонике.
4. Выходное (внутреннее) сопротивление
,
где и приращения постоянного напряжения и постоянного тока на выходе выпрямителя, соответственно.
Блок вентилей может включать от одного до нескольких вентелей в зависимости от схемы выпрямления.
Вентиль – прибор, обладающий низким сопротивлением для тока одного направления и высоким для тока противоположного направления.
Вентили делятся на ионные и электронные.
К ионным вентилям относятся газотроны, тиратроны, ртутные вентили.
К электронным вентилям относятся кенотроны и полупроводниковые вентили.
Кенотронные вентили – вентили с вакуумными электронными диодами, используемые для выпрямления высоковольтных напряжений (десятки-сотни киловольт).
В устройствах питания телекоммуникационных систем преимущественно используются полупроводниковые вентили. Ранее использовались селеновые и германиевые вентили, в настоящее время – только кремниевые.
Различают неуправляемые и управляемые вентили.
Вольт-амперная характеристика неуправляемого вентиля изображена на рисунке 3.3.
Неуправляемые вентили характеризуются следующими основными параметрами:
– максимальный постоянный ток вентиля;
– максимальное среднее за период значение прямого тока диода ( рисунок 3.4);
– значение обратного напряжения, которое вентиль может длительное время выдерживать. Значение должно быть меньше напряжения пробоя ;
– значение обратного тока при заданном напряжении ;
– прямое падение напряжения на вентиле при заданном прямом токе;
– динамическое сопротивление вентиля;
– средняя рассеиваемая мощность вентиля.
В качестве управляющих вентилей чаще всего используются тиристоры и симистторы.
Структура тиристора и его условное графическое обозначение приведены на рисунке 3.5.
Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор. Особенность его работы заключается в том, что при положительном напряжении на аноде (А) по отношению к катоду (К) он начинает проводить ток при подаче на управляющий электрод (УЭ) положительного потенциала или импульса относительно катода .
Статические вольтамперные характеристики (ВАХ) тиристора приведены на рисунке 3.6.
При открытом состоянии тиристора прямой ток через него ограничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор при уменьшении тока до значения, меньшего так называемого тока удержания .
Напряжение включения тиристора зависит от тока управления в управляющем электроде: чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения. При номинальном токе управления напряжение включения составляет единицы вольт.
Тиристор можно привести в открытое состояние, не воздействуя на управляющий электрод (при ). Для этого нужно увеличить приложенное к нему прямое напряжение до критического значения .
Тиристор может также перейти в открытое состояние и при меньшем значении напряжения, чем , если скорость нарастания коммутируемого напряжения достаточно высока. Однако такое включение тиристора нежелательно. Тиристоры нормально работают при входном синусоидальном напряжении, скорость нарастания которого составляет несколько сотен вольт в миллисекунду.
К основным статическим параметрам тиристоров относятся:
– напряжение включения, соответствующее точке перегиба ВАХ;
– ток включения, т. е. минимальная величина анодного тока, необходимого для перехода тиристора в открытое состояние и сохранения этого состояния после снятия управляющего сигнала;
– номинальное напряжение, за которое принимается максимальное напряжение, при котором тиристор может длительно работать в закрытом состоянии. Обычно = (0,6...0,7);
– ток удержания, т. е. минимальный анодный ток, который небходим для поддержания тиристора в открытом состоянии (при меньшем значении тока тиристор переходит в запертое состояние);
– номинальное обратное напряжение, которым считают максимальное обратное напряжение, при котором тиристор может длительное время работать без разрушения;
– прямое напряжение включения, являющееся критическим напряжением, при котором тиристор, имеющий предельную температуру корпуса, переходит в открытое состояние при отсутствии тока управляющего электрода.
К временным параметрам относятся время включения (0,1…5мкс) и время восстановления закрытого состояния тиристора (1…20 мкс).
Симисторы (симметричные тиристоры) управляются при любой полярности приложенного напряжения между выводами. Управляющий сигнал подается между управляющим электродом (УЭ) и выводом 1 (рисунок 3.7).
Параметры симистора подобны параметрам тиристора.
Способы соединения вентилей.
Параллельное включение вентилей (рисунок 3.8) применяется в случаях, когда ток нагрузки превышает допустимый ток вентиля .
Вентили имеют широкий разброс прямых токов при одном и том же напряжении (рисунок 3.9). Поэтому при параллельном включении вентилей
без токовыравнивающих сопротивлений токи в вентилях будут значительно отличаться, что может привести к выходу из строя выпрямителя.
Включение сопротивлений обеспечивает выравнивание токов в вентилях:
(3. 1)
Предположим, что каким-то причинам ток вентиля увеличился (например, в результате замены). При этом падение напряжения на резисторе возрастет, а на вентиле – уменьшится, что обеспечит возвращение тока вентиля к исходному значению (разумеется, с некоторой погрешностью).
Значение сопротивления выбирают из соотношения
, (3. 2)
где – максимальное сопротивление данного типа вентиля по постоянному току.
Наличие токовыравнивающих сопротивлений в схеме приводит к уменьшению КПД выпрямителей, поэтому в мощных вентилях выравнивание токов осуществляется при помощи реакторов (рисунок 3.10). Реактор представляет собой дроссель, состоящий из двух одинаковых обмоток, размещенных на одном сердечнике.
Если токи в вентилях одинаковы, то магнитные потоки и , создаваемые обмотками и , компенсируют друг друга и суммарный магнитный поток равен нулю (). В этом случае между вентилями и нагрузкой включены только активные сопротивления и обмоток и , которые во много раз меньше сопротивления нагрузки , поэтому потери в выпрямителе минимальны.
Предположим, ток в вентиле возрос.
Тогда в схеме установятся следующие соотношения
,
,
.
Полярность напряжений на обмотках и для этого случая показана на рисунке 3.10.
Векторы напряжений на элементах схемы будут связаны следующим равенством
. (3. 3)
Отсюда следует, что напряжение на вентиле уменьшится, а на вентиле – увеличится (, ), что приведет к снижению тока в вентиле и возрастанию тока в вентиле до значений .
Точность выравнивания токов зависит от индуктивности реактора.
Последовательное включение вентилей (рисунок 3.11) применяется в случаях, когда обратное напряжение на вентиле превышает допустимое значение .
Как и в случае прямой ветви, разброс сопротивлений на обратной ветви вентиля также весьма значителен (до порядковых значений). Для выравнивания напряжений на вентилях используются шунтирующие резисторы , включаемые параллельно вентилям. Сопротивление резисторы выбирается из соотношения,
, (3. 4)
где – максимальное обратное напряжение на вентиле,
– максимальный обратный ток вентиля при .
К недостаткам схемы относятся :
– на резисторах расходуется мощность, что снижает КПД выпрямителя;
– ухудшается выпрямляющие свойства вентилей, поскольку снижается соотношение между обратным и прямым сопротивлением вентиля, за счет существенного уменьшения обратного сопротивлением вследствие влияния шунтирующего резистора .
У мощных вентилей вместо резисторов ставятся цепочки RC (рисунок 3.12).
Выравнивание напряжений на вентилях достигается за счет конденсаторов . Емкость конденсаторов определяется по формуле
В лекции "21 Пути восстановления торгового флота РФ" также много полезной информации.
, (3. 5)
где – частота сети,
– минимальное обратное сопротивления вентиля,
– максимальное обратное напряжение на вентиле,
– максимальный обратный ток вентиля при .
Резистор ограничивает ток через конденсатор.