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 U_0~ , напряжением  половины размаха пульсаций U_ПР~  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 U_Н~  на выходе фильтра справедливы соотношения ; U_Н~<< .

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. К_П– коэффициент пульсаций.

Коэффициент пульсаций может определяться с использованием различных мер интенсивности переменного напряжения, в частности, среднего квадратичного (действующего) значения U_0~  или полуразмаха U_ПР~  пульсаций

К_П = U_0~

    К_П = U_ПР~/ U₀  ,

где    U_ПР~ =  (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.