Выпрямители_теория (Лабораторные работы с официального сайта с примерами)

Исследование неуправляемых и управляемых выпрямительных устройствОсновные теоретические сведенияВыпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источникапеременного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии являетсяисточник переменного тока, например промышленная сеть частотой 50 Гц.В настоящей работе рассматриваются схемы выпрямителей с потребляемой мощностью до нескольких сотен ватт, в связи с чем их относят к классу маломощных выпрямителей. В зависимости отназначения выпрямители могут быть управляемыми, т.е.

с возможностью изменения выпрямленногонапряжения, и неуправляемыми (нерегулируемыми), где такой возможности нет.Структурная схема выпрямительного устройства при питании от однофазной сети показана нарис. 1.U1ТрансФорматорU2БлоквыпрямленияСглаживающийфильтрСтабилизаторнапряженияUнНагрузкаРис. 1Основой ее является блок выпрямления, построенный на одном или нескольких диодах.

Функциятрансформатора сводится к повышению или понижению вторичного напряжения U2 при заданном первичном напряжении U1 с целью получения требуемой величины постоянного напряжения на выходе.Сглаживающий фильтр предназначен для улучшения качества выпрямленного напряжения, а стабилизатор обеспечивает практическую неизменность напряжения на нагрузке при воздействии различныхфакторов (изменение нагрузки, колебание напряжения сети и т.

д.).Схемотехника, режимы работы и параметры каждого блока выпрямительного устройства определяются требованиями, которые предъявляет нагрузка как потребитель постоянного напряжения. К таким требованиям в первую очередь относятся:1. среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке Uн ср;2. среднее значение тока нагрузки Iн ср ;3.качество постоянного напряжения на нагрузке, которое принято оценивать коэффициентомпульсаций Kп;4. Диапазон регулирования Uн ср (для управляемых выпрямителей).Эти показатели при заданном сетевом напряжении U1 являются исходными при расчете всехблоков выпрямительного устройства.В ряде случаев отдельные блоки в схеме рис.

1 могут отсутствовать, что зависит от качества постоянного напряжения, необходимого для эффективной работы потребителя.Элементную базу выпрямительных устройств составляют диоды и тиристоры, свойства которыхнеобходимо изучить в первую очередь.Диод – двухэлектродный прибор, содержащий один электронно-дырочный переход и обладающий свойством практически односторонней проводимости. Условное графическое и буквенное обозначение выпрямительного диода с положительно обозначенными направлениями анодного напряжения итока, а также его вольтамперная характеристика (ВАХ) приведены на рис. 2.ВАХ диода, расположенная в первом квадранте, соответствует открытому состоянию диода, когда сопротивление между анодом А и катодом К мало (это прямое включение диода). Третий квадрантсоответствует закрытому состоянию диода, когда его сопротивление чрезвычайно велико (это обратноевключение диода).Часто при анализе и расчете электронных схем принимают диод идеальным, когда при прямомвключении его сопротивление считают равным нулю, а при обратном – бесконечности.

Основнымиэлектрическими параметрами выпрямительных диодов являются:Iпр ср - средний прямой ток диода;Uпр ср - среднее прямое падение напряжения;Uобр макс - максимально допустимое постоянное обратное напряжение.2IаIпр срVDKAUаUобр максUпр срIаUаРис. 2Тиристор – управляемый полупроводниковый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой p – n – p – n, имеющий два устойчивых состояния – закрытое и открытое (выключенное и включенное). Переход из закрытого состояния в открытое, т.

е. включение тиристора осуществляется по цепи управления с помощью маломощного сигнала. Выключение тиристора по цепи управления производится не может. Графическое и буквенное обозначение тиристора с условно положительными направлениями тока и напряжения, а также его статическая ВАХ показаны на рис. 3.Тиристор VS имеет три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Силовойцепью тиристора, по которой проходит коммутируемый ток, является цепь А – К.

Цепью управленияявляется участок УЭ – К. При положительном направлении тока управления (Iу > 0) и положительномнапряжении между анодом и катодом, т.е. при Uа > 0, тиристор можно включить. ВАХ тиристора в третьем квадранте при отрицательных анодных напряжениях Uа < 0 соответствует его закрытому состоянию. Тиристор выходит из строя если его обратное напряжение превысит значение Uобр макс.ВАХ в первом квадранте имеет два участка:1.линия ОА, когда тиристор закрыт при Iу = 0;2.линия СД, когда тиристор открыт.Переход с участка ОА на СД (включение тиристора) возможен если:а) анодное напряжение Uа превысит напряжение переключения Uпер, что в тиристорах обычноне используется;б) по цепи управления пропустить положительный ток управления Iу > 0, от значения которогозависит анодное напряжение, при котором тиристор включится.IаДIу2> Iу1>0VSIу2UаKAUобр максСIудIу1Iу=0АUа0IаУЭIуРис. 3При некотором значении Iу ВАХ тиристора в первом квадранте становится аналогичной ВАХдиода, т.е.

ВАХ тиристора как бы спрямляется. Этот ток управления называют током управленияспрямления Iу спр. На практике используют динамический способ включения, когда в цепи управления3формируют импульс с крутым передним фронтом определенной длительности и амплитуды, превышающей Iу спр. В этом случае тиристор на время появления импульса управления представляет собойобычный диод, а после окончания этого импульса тиристор остается включенным.

Включенное состояние тиристора будет устойчивым, если анодный ток после окончания импульса управления будет превышать определенное значение, называемое током удержания Iуд. В противном случае тиристор закроется.Из сказанного следует, что для выключения тиристоров необходимо каким-либо образом уменьшить анодный ток до Iуд. Другой способ выключения возможен, если к тиристору приложить обратноеанодное напряжение Uа < 0.Динамические свойства тиристоров, определяющие возможности их использования в циклическиработающих устройствах, характеризуются временем включения tвкл и выключения tвыкл.

Эти величиныхарактеризуют быстродействие тиристора.Однофазные неуправляемые выпрямители предназначены для преобразования однофазного переменного напряжения в постоянное. В неуправляемых выпрямителях среднее значение выпрямленногонапряжения на нагрузке Uн ср пропорционально выпрямленному переменному напряжению. Коэффициент пропорциональности зависит от используемой схемы выпрямления.Чтобы упростить изложение принципа работы схем выпрямления и расчетные соотношения повыбору элементов этих схем, будем в дальнейшем считать:диоды и тиристоры – идеальными и безинерционными;трансформатор – идеальным, т.е. активные и индуктивные сопротивления обмоток, потери мощности в его магнитопроводе, а также намагничивающий ток примем равными нулю.На практике применяют два типа однофазных выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный.

Двухполупериодные схемы получили наибольшее применение.Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие егоработу, приведены на рис. 4.u2U2 максT/2VDtTuнiнu1u2uVDuнRн0.45U2Uн срUVDttuпульс∆UнtРис. 4В интервале времени 0 – T/2 напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 > 0, следовательно, диод VD открыт и напряжение на нагрузке uн повторяет положительную волну u2(t), падениенапряжения на открытом диоде uVD = 0.На интервале T/2 – T напряжение u2(t) < 0, следовательно, диод закрыт и ток в нагрузке iн = 0,отрицательная полуволна u2(t) будет на закрытом диоде.

Далее процессы повторяются.Напряжение (ток) на нагрузке имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей Uн ср(Iн ср), которые необходимы для питания нагрузки. Таким образом выпрямленное напряжение имеет какпостоянную Uн ср, так и переменную составляющую, которую называют напряжением пульсацийuпульс(t).4uн(t) = Uн ср + uпульс(t)(1)Пульсации характеризуются частотой и разностью максимального и минимального значенийнапряжения ∆Uн за период. Для данной схемы выпрямления, как видно из временных диаграмм рис.

4,частота пульсаций совпадает с сетевой частотой, а ∆Uн = U2 макс . Чем меньше пульсации и чем большеих частота, тем более качественным считается выпрямленное напряжение.Связь между Uн ср и действующим значением напряжением вторичной обмотки трансформатора U2 находят как среднее за период значение напряжения uн(t):111Uн ср u2( t ) d ( ω t ) U2 ìàêñ sinωt d (ωt ) U 2 2 sinωt d (ωt )  0.45U 2 (2)2π 02π 02π 0U2 = 2.22 Uн ср(3)Выражение (3) положено в основу расчета требуемого коэффициента трансформации kтр = U1/U2 ,так как величины Uн ср и U1 являются заданными.Выбор диода по прямому току и обратному напряжению проводят по соотношениямIпр ср = Iн ср(4)Uобр макс  2U 2  3.14Uн ср(5)Схема однофазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя и его временные диаграммыприведены на рис.

5.В интервале времени 0 – T/2 напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 > 0, следовательно, диоды VD1 и VD4 открыты и напряжение на нагрузке uн повторяет положительную волну u2(t).На интервале T/2 – T напряжение u2(t) < 0, следовательно, диоды VD2и VD3 открыты, а VD1 иVD4 закрыты. Ток же через нагрузку сохраняет то же направление, что и на интервале 0 – T/2, а значитнапряжение uн(t) не изменяет свою полярность.

Далее процессы повторяются.u2U2 максT/2VD1uVD1VD3tTuн0.9 U2iнu1u2RнuнUн срtUVD1tVD4VD2uпульс∆UнtРис. 5Таким образом, напряжение на нагрузке однополярно и имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей11Uн ср   U 2 ìàêñ sinωt d (ωt )   U 2 2 sinωt d (ωt )  0.9U 2π0π0U 2  1.11Uн срДиоды по прямому току и обратному напряжению выбираются по соотношениям(6)(7)5Iпр ср = Iн ср /2Uобр макс (8)Uн ср2(9)Выражение (8) обусловлено тем, что каждый диод открыт в течение половины периода выпрямленного напряжения.Для данной схемы выпрямления, как видно из временных диаграмм рис.

5, частота пульсацийвдвое превышает сетевую частоту, а ∆Uн = U2 макс.Преимуществами мостовой схемы по сравнению с предыдущей является более легкий режим работы диодов (при одинаковых Uн ср и Iн ср), а также лучшее использование трансформатора, так как токвторичной обмотки i2(t) мостовой схемы не имеет постоянной составляющей, подмагничивающей сердечник трансформатора.Качество выпрямленного напряжения uн(t) количественно оценивается величиной коэффициентапульсаций, которую можно вычислить при разложении периодической функции uн(t) в ряд Фурье.