Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения u_вых

U_ср= 1/T· ^T∫₀u_выхdt

где Т − период напряжения сети (для промышленной сети − 20 мс);

• среднее значение выходного тока i_{выx и} I_ср= 1/T· ^T∫₀i_выхdt
• коэффициент пульсаций выходного напряжения  ε = U_m/ U_ср, где U_m — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = U_m/U_ср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

Параметры выпрямителей

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

1. действующее значение U_вх входного напряжения выпрямителя;
2. максимальное обратное напряжение U_{обр.макс} на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение U_ср;
3. среднее значение I_д.ср тока отдельного вентиля;
4. максимальное (амплитудное) значение I_д.макс тока отдельного вентиля.

Токи I_д.ср и I_д.макс принято выражать через I_ср. Значение U_{обр.макс} используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

I_д.сри I_д.макс используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток I_д.срм мал, но велик максимальный ток I_д.макс.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Он является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

U_ср= √2 / π · U_{вх вх}≈ 2,22 · U_ср

I_ср= U_ср R_н ε= π/ 2 = 1,57

U_{обр.макс}= √2 · U_вх= π· U_ср

I_д.ср= I_ср

I_д.макс= √2 · U_вх/ R_н= π · I_ср

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).

Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.74, б).

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:

U_ср= 2 · √2 · U₂/ π≈ 0,9 · U₂

U₂ ≈ 1,11 · U_ср

I_ср= U_ср/ R_н

ε= 2/ 3≈ 0,67

U_{обр.макс}= 2 · √2 · U₂= π · U_ср

I_д.ср= ½ · I_ср

I_д.макс= √2 · U₂/ R_н= π· I_ср / 2

где U₂ — действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель

(рис. 2.75, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D₁ и D₂, а другая — D₃ и D₄. Таким образом, к примеру, диоды D₁ и D₂ или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:

U_ср = 2 · √2 / π· U_вх ≈ 0,9 · U_вх

U_вх ≈ 1,11 · U_ср

I_ср= U_ср/ R_н

ε = 2 / 3 ≈ 0,67

U_{обр.макс}= √2 · U_вх= π/2 · U_ср

I_д.ср= ½ · I_ср

I_д.макс= √2 · U_вх/ R_н= π/2 · I_ср

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом

Его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67. частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

Приведена на рис. 2.77.

Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (ε = 0,057), а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.