Выпрямители_теория (Лабораторные работы с официального сайта с примерами), страница 2

Дляоднополупериодного выпрямления это разложение имеет видU 2 ìàêñπ2uн(t) (1  cosωt  cos2ωt  ........)(10)π23Для двухполупериодного выпрямления2U 2 ìàêñ22uн(t) (1  cos2ωt  cos4ωt  ........)(11)π315Каждое разложение имеет постоянную составляющую, не зависящую от времени, и гармоники(основную и высшие), которые называют пульсациями.

Количественно наличие пульсаций оцениваюткоэффициентом пульсаций Kп, равным отношению амплитуды основной гармоники в разложении к постоянной составляющей, которая и есть Uн ср. Для однополупериодного выпрямления Kп=1.57, а длядвухполупериодного Kп=0.67.Чем меньше Kп, тем выше качество выпрямленного напряжения. У идеального источника питания Kп=0.Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры, простейшими из которых являются емкостной и индуктивный. Принцип работы фильтров основан на использовании зависимости от частоты реактивных сопротивлений емкости xc=1/ωC и индуктивностиxL=ωL.

При постоянном токе xc= ∞ и xL= 0, поэтому конденсатор включают параллельно нагрузке, а индуктивность последовательно.Схема включения и временные диаграммы, поясняющие работу емкостного фильтра в однополупериодном выпрямителе, показана на рис. 6.Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.При повышении напряжения u2(t) вторичной обмотки трансформатора наступит момент времени t1, когда оно станет равным напряжению на конденсаторе uC(t). Дальнейшее повышение напряжения u2(t)определит процесс зарядки конденсатора.Для конденсатора с емкостью Сф этот процесс характеризуется постоянной времени заряда τзар=СфR, где R – сопротивление цепи заряда.

Оно включает в себя активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке и сопротивление открытого диода. Эти величины хотя и малы, но конечны, поэтому с момента времени t1 напряжение uC(t) начинает расти, оставаясь, темне менее, ниже, чем u2(t). На интервале заряда ток протекает через открытый диод VD.После перехода u2(t) через максимум начинается его снижение. С момента времени t2 скоростьснижения u2(t) становится больше скорости снижения uC(t), в результате напряжение на конденсатореоказывается ниже, чем u2(t), диод закрывается и начинается интервал разряда емкости. Конденсаторразряжается на нагрузку с постоянной времени разряда τразр = СфRн до момента времени t3 пока напряжение вторичной обмотки опять не превысит напряжение на конденсаторе.

Далее процессы повторяются.Чем больше τразр, тем более сглаженной является форма uн(t), т.е. тем меньше коэффициент пульсаций. Расчет коэффициента пульсаций при использовании емкостного фильтра часто производят поэмпирической формулеKп 12fразргде f – частота сетевого напряжения.(12)6u2U2 максT/2u1iVDVDu2CфuнtTuн = uCtuн = uCRнiVDt1t2t3t4tuпульс∆UнtРис. 6В интервалы времени заряда емкости диод открыт, и пиковый ток диода может в несколько разпревышать номинальный ток нагрузки.

Это предъявляет повышенные требования при выборе диода. Вболее комфортных условиях диод находится при использовании так называемых RC фильтров, рис. 7iVD VDRRнu1u2Cфuн = uCРис. 7Здесь максимальный (пиковый) ток диода ограничен небольшим сопротивлением R. Схема имеетменьшие пульсации по сравнению с предыдущей. К ее недостаткам можно отнести менее жесткуювнешнюю характеристику и меньший уровень выпрямленного напряжения, т.к. сопротивления R и Rнобразуют делитель напряжения.Индуктивным фильтром является катушка с ферромагнитным сердечником, называемая дросселем.

Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки (рис. 8).VD1uвVD3Rдu1tuвu2R н iнuнVD2LдIн ср tiнVD4∆UнuпульсРис. 8t7Физическую основу работы индуктивности в качестве сглаживающего фильтра составляет закон Ленца, согласно которому при возрастании тока возникает ЭДС, препятствующая этому возрастанию, а при убывании тока возникающая ЭДС стремится поддержать убывающий ток. Вначале индуктивность запасает энергию в своем магнитном поле, а потом отдает ее.Рассмотрение процессов в цепи нагрузки выпрямителя с индуктивным фильтром выполним,применив метод анализа по отдельным гармоническим составляющим токов и напряжений.Будем считать, что принятая для анализа схема содержит последовательно соединенные элементы с параметрамиRд (активное сопротивление дросселя), Lд (индуктивность дросселя) и Rн. Напряжение uв на входе последовательной цепи несинусоидальное и при разложении в ряд Фурье имеет вид аналогичный (11)2U 2 ìàêñ22(13)(1  cos2ωt  cos4ωt  ........)π3152U 2 ìàêñПостоянная составляющая этого напряжения Uн ср=вызовет соответствующую составπляющую тока нагрузки:uв(t) Uн ср(14)Rн  RдАмплитуда каждой из переменных составляющих тока нагрузки будетIн ср Im n Um n( Rн  Rд) 2  (nωLä) 2(15)где n = 2, 4, 6…..

– номер гармонической составляющей.Сглаживающее действие фильтра зависит от величины Lд и Rн. Если подобрать индуктивностьLд такой величины, что ее индуктивное сопротивление nωLä будет много больше сопротивления нагрузки Rн, то амплитуды переменных составляющих тока (а значит и напряжения) в нагрузке будут малы ипульсации резко снизятся.В режиме холостого хода ток в цепи дросселя не протекает и фильтр не действует. ПодключениеRн и дальнейшее уменьшение ее сопротивления приводит к относительному возрастанию индуктивногосопротивления в полном сопротивлении цепи нагрузки и повышению эффективности работы фильтра.Управляемые выпрямители используют в тех случаях, когда требуется изменение выпрямленного напряжения по условиям работы нагрузки.

В качестве регулирующих элементов применяют тиристоры. Одна из возможных схем построения однофазного управляемого выпрямителя и временные диаграммы его работы показаны на рис. 9.Он содержит тиристоры VS1 и VS2, трансформатор и схему управления СУ, вырабатывающуюимпульсы тока управления тиристорами. Необходимым элементом выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величиненапряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки "c" сдвинуты по фазена 180º.

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам тиристоров. Принцип действия схемы рассмотрим для чисто активной нагрузки Rн.При поступлении положительной полуволны напряжения u1 на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u21 и u22 с полярностью, показанной на рис. 9. В интервале 0 – π к аноду тиристора VS1 относительно нулевой точки "c" прикладывается напряжение положительной полярности,а к аноду тиристора VS2 – отрицательной полярности. Тиристор VS2 на всем интервале 0 – π будет закрыт из-за отрицательного напряжения на его аноде. Тиристор VS1 также будет закрыт, пока в цепи егоуправления не появится импульс тока управления iу1>0.

Этому моменту времени на временных диаграммах соответствует угол включения α, который отсчитывается от начала периода. С появлением импульса iу1 тиристор включается, и напряжение u21 оказывается приложенным к нагрузке. Через сопротивление нагрузки Rн протекает ток по цепи a - VS1 - Rн – c. В интервале π - 2π тиристор VS1 закрывается отрицательным анодным напряжением. VS2, к аноду которого в этот промежуток приложена положительная полуволна u22, откроется только при появлении импульса iу2 также сдвинутого на угол α,но уже относительно точки π.

Через сопротивление нагрузки Rн протекает ток по цепи b – VS2 - Rн – c,причем в том же направлении, что и на интервале 0 – π и, как следствие, полярность напряжения uн неменяется. Далее процессы повторяются.8u21iу1VS1U2 максπa2πωt••c•u1u21 Rнu22ωtuнu22biнVS2iу2iу1СУωtiу2ωtααuнUн срωtРис.

9С изменением угла включения α изменяется среднее значение выпрямленного напряжения нанагрузке Uн ср, которое выражается формулой1U 2 ìàêñUн ср   U 2 ìàêñ sinωt d (ωt ) 1  cos ππ(16)Эту зависимость принято называть регулировочной характеристикой управляемого выпрямителяUн ср = f (α) по которой можно определить диапазон изменения выпрямленного напряжения.Анализ принципа действия и режимов работы маломощных выпрямителей постоянного токапроводился в предположении, что активные сопротивления обмоток трансформатора, подводящих проводов, сглаживающего дросселя, а также падения напряжения на диодах равны нулю. В связи с этимприведенные соотношения следует считать приближенными для реальных схем, поскольку вследствиепадений напряжений на элементах от протекания токов реальное среднее значение выпрямленногонапряжения Uн ср получается меньше и уменьшается с ростом тока нагрузки Iн ср.

Это явление отражаетвнешняя характеристика выпрямителя Uн ср = f (Iн ср).Внешние характеристики двухполупериодного (мостового) выпрямителя изображены на рис. 10.Uн ср1.41U2с C - фильтромбез фильтра0.9U2с L - фильтромIн срРис. 109Выпрямленное напряжение в схеме без фильтра равно 0.9U2(смотри выражение 5). Эта величина соответствует холостому ходу выпрямителя Iн ср=0. При Iн ср>0 ввиду протекания токов через элементы схемы (обмотки трансформатора, диоды, соединительные провода) на них создаются падениянапряжения, вследствие чего мгновенные и средние значения выпрямленного напряжения уменьшаются.Рост тока нагрузки приводит к увеличению внутренних падений напряжений на элементах схемыи соответственно снижению напряжения Uн ср.Внешняя характеристика выпрямителя с емкостным фильтром исходит из точки U2 макс=1.41U2,поскольку при Iн ср=0 конденсатор фильтра заряжается до амплитудного значения напряжения u2.

При Iнср>0 напряжение на нагрузке уменьшается по двум причинам: ввиду падения напряжения на элементахсхемы на этапе заряда конденсатора и меньшего напряжения на конденсаторе на этапе его разряда нанагрузку. С увеличением тока нагрузки снижение напряжения обусловливается главным образом повторой причине. Внешняя характеристика выпрямителя с С – фильтром имеет больший наклон (болеемягкая), чем без фильтра.Наклон внешней характеристики с L – фильтром будет большим из-за дополнительного падениянапряжения в активном сопротивлении дросселя фильтра..