Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Активно-индуктивная нагрузка 

На интервале [t₁;t₂] положительный потенциал фазы U₁ проводит диод VD1, при этом в дросселе L_н накапливается реактивная энергия .

На интервале [t₂;t₃] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U₁ (такой режим называется инверторным). Происходит затягивание тока вентиля. Задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод VD₂, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U₁ ток протекает по контуру:

 “+” U₁®VD1®L_н®R_н®VD4®”-“ U₁.

Предположим, что при прохождении напряжения U₁ через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

На интервале t_зар U₁>U_С и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале t_раз, когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из- за уменьшения постоянной цепи разряда t_раз =R_НС. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева – метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль. Вводят коэффициент А=f(q), где q - угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей.  Расчет  параметров U_обр, I_аср, I_ад, U₂, I₂ выполняют через  вспомогательные коэффициенты: В, С, D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале q. При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности  (СÞ¥ ), а пороговое напряжение диода равным нулю. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока:      (1)

, (2).

    Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для U_d.

На интервале 2q ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cosq, получим: .

Схема удвоения напряжения

Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

Напряжение на нагрузке  складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁ ≈ U_2m , а напряжение на нагрузке U₀ ≈ 2U_2m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора.

    Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является  то, что нагрузка  имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.

В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так:

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.

Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение - напряжение на нагрузке  U₀ ≈ 6U_m2 . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.

    Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия  вследствие большого числа перезарядов.

   Более высоким КПД обладают бестрансформаторные высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом n штук накопительных конденсаторов С₁.

Управляемые зарядный и разрядные ключи  К_з и  К_р работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С₁ параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи К_р. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.

Контрольные вопросы

1. Принципы построения выпрямителей. Критерии качества выпрямленного напряжения.

2. Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного).

3. Поясните принцип действия однофазного выпрямителя со средней точкой трансформатора.

4. Поясните принцип действия трехфазного мостового выпрямителя.

5. Поясните принцип действия трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.

6. Поясните принцип действия многопульсного выпрямителя.

7. Влияние различных видов нагрузок на работу выпрямителей: активно – индуктивная и емкостная нагрузки.

8. Поясните  внешнюю характеристику выпрямителя.

9. В каких схемах выпрямления через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая выпрямленного тока и как это влияет на работу трансформатора?

10. Проведите сравнительный анализ двух схем: трехфазной схемы с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы.

11. Проведите сравнение внешних характеристик для трехфазной мостовой и трехфазной схемы с нулевым выводом.

12.  Покажите, что с увеличением пульсности выпрямителя величина выходного напряжения возрастает.Чему равен предел lim U₀ ?

                                                                                     ^p®¥

Вопросы тестового контроля

1. Схема какого выпрямителя изображена на рисунке?

а) однофазный однотактный;

б) однофазный двухтактный;

в) трехфазный однотактный;

г) трехфазный двухтактный;

д) 12 – пульсный.

Ответ: г

2. Пульсность  выпрямителя, изображенного на рисунке, равна

Ответ: 6

3. Коэффициент пульсаций выпрямителя, изображенного на рисунке равен

Ответ: 0,057

4. При подключении осциллографа к выходу неуправляемого, трёхфазного, двухтактного выпрямителя

Ответ: в

5. При подключении осциллографа к выходу неуправляемого, трёхфазного, однотактного выпрямителя

Ответ: б

6. При подключении осциллографа к диоду в неуправляемом, трёхфазном, однотактном  выпрямител

Ответ: г

7. При работе на активно–индуктивную нагрузку вместо активной в однофазном, однотактном, неуправляемом выпрямителе происходят следующие изменения

а) частота пульсаций увеличится в 2 раза;

б) нет правильного ответа;

в) увеличится интервал времени отдачи энергии в первичную сеть.

г) исчезнет отрицательный (положительный) выброс;

д) появится положительный выброс напряжения.

Ответ: б

8.  На выходе неуправляемого выпрямителя имеет место следующая форма напряжения U₂

 Постоянная составляющая напряжения в вольтах равна

Ответ: г

9.

 Постоянная составляющая напряжения на выходе в вольтах равна

Ответ: в

а) 0;      б) 0,5;     в) 1,0;     г) 1,5;      д) 2,0.

Ответ: в