Выпрямители. Исследование фазочувствительного выпрямителя

ВВЕДЕНИЕ

Выпрямительные устройства (ВУ) служат для преобразования переменного  тока в постоянный, и применяются для питания аппаратуры связи и заряда аккумуляторов.

Выпрямительное устройство, предназначенное для 

преобразования переменного тока в постоянный, состоит из следующих

основных элементов: силового трансформатора, выпрямительных элементов  и сглаживающего фильтра. К входным клеммам выпрямительного

устройства подводится энергия  от источника переменного тока, а к выходным - подключается потребитель постоянного тока - аппаратура связи (нагрузка). В соответствии с этим, переменный ток и напряжение на входе выпрямительного устройства называют входным током и входным напряжением или током и напряжением питания, а напряжение на выходе  — выходным или выпрямленным током и напряжением.

Выпрямительные элементы, осуществляющие основную функцию преобразования переменного тока в постоянный, состоят из полупроводниковых вентилей, соединенных в определенную схему выпрямления. Сглаживающий фильтр, состоящий из индуктивностей и емкостей, соединенных по определенной схеме, предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, т. е. уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Для получения регулируемого и стабилизированного по величине выпрямленного напряжения и тока выпрямительное устройство дополнительно снабжается регулирующим элементом и следящей системой, автоматически поддерживающей стабилизацию выпрямленных напряжения и тока. Защита выпрямительного устройства от повреждений в аварийных режимах, его автоматическое и ручное включение и выключение, контроль выпрямленных напряжений и тока обеспечиваются дополнительными устройствами защиты, коммутации, сигнализации, автоматики, измерительными приборами. Для уменьшения уровня радиопомех на входе и выходе выпрямительных устройств устанавливаются фильтры радиопомех, состоящие из элементов индуктивности и конденсаторов.

Любое выпрямительное устройство обладает качественными и эксплуатационными  показателями  работы, составляющими его технико-экономические характеристики (входные, выходные и общие параметры, эксплуатационные показатели).

К входным параметрам относятся: мощность, потребляемая от сети переменного тока при номинальных токе нагрузки и напряжении на выходе устройства; номинальное напряжение и частота питающей сети; число фаз питающей сети; пределы изменения напряжения и частоты питающей сети.

Выходные параметры  —  это номинальная или максимальная мощность, т. е. полезная мощность, отдаваемая в нагрузку; номинальное, максимальное и минимальное выпрямленное напряжения; номинальный максимальный и минимальный выпрямленный ток (ток нагрузки); пределы устанавливаемого стабилизированного выпрямленного напряжения или тока; точность стабилизации выпрямленного напряжения или тока; величина пульсаций выпрямленного напряжения.

Общие параметры составляют коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент мощности, габаритные размеры, масса, надежность (наработка на отказ), стоимость.

К эксплуатационным показателям  относятся: способ установки и монтажа  устройства на месте эксплуатации; обслуживание (включение и регулировка, доступность осмотра, удобство ремонта, ухода, контроля за режимом работы); эксплуатационные расходы (стоимость электроэнергии, зарплата обслуживающего персонала).

В настоящее время на предприятиях связи эксплуатируются следующие выпрямительные устройства: ВУ, ВУЛС, ВУК, ВУЛС-2, ВУЛС-3,  ЭВУ,  блоки ВБ, ВБ-2, ВБ-3, ВУТ, КВК.

Выпрямительные устройства устанавливаются для эксплуатации в закрытых сухих вентилируемых  помещениях с температурой окружающей среды 5... 35° С (для устройств типа ВУ, ВУЛС, ЭВУ и выпрямительных блоков типа ВБ) и 5...40° С (для ВБ-2, ВБ-3, ВУК, ВУЛС-3, ВУТ и КВК) и относительной влажностью до 80% при температуре 25° С. 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для  преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при  изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать  как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя  приведена на рис.1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя

 

В состав выпрямителя могут  входить: силовой трансформатор  СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее  устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие  функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует  количество фаз силовой сети. В  импульсных источниках питания трансформатор  обычно отсутствует, так кака его  функции выполняет высокочастотный  инвертор.

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая  однонаправленное протекание тока в  нагрузке. В качестве вентилей могут  использоваться электровакуумные, газоразрядные  или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы  и др. Идеальный вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего  тем, что они пропускают некоторый  ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций  выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные  на пассивных R, L, C элементах или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния  внешних воздействий: изменения  напряжения питающей сети, температуры  окружающей среды, изменения нагрузки и др., - на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и  на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется  особых требований, то стабилизатор может  быть или совсем исключен или его  функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания  функции стабилизатора может  выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок.

Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные  вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения  его надежности: узлы контроля и  автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В.

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

 

Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжение, число фаз силовой  сети, схему вентильного блока, тип  сглаживающего фильтра, наличие  трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные  и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжения с отличными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой выпрямитель будет однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180^О), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуются три питающих напряжения, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120^О, то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрямители состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме вентильного  блока различают выпрямители  с параллельным, последовательным и  мостовым включением однофазных выпрямителей. Схемы таких выпрямителей приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Схемы выпрямителей, питаемых от однофазной сети: однополупериодный (а), двухфазный двухполупериодный (б), однофазный мостовой (в) и однофазный с последовательным включением (схема удвоения) (г)

 

1. ОДНОФАЗНЫЙ ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

 

Однофазный однополупериодный  выпрямитель, схема которого приведена на рис. 2.(а), является простейшим. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения, как показано на рис. 2.1.(а). Такие выпрямители находят ограниченное применение в маломощных устройствах, так как они характеризуются плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра.

 

 

 

 

2. ДВУХФАЗНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

 

Двухфазный двухполупериодный  выпрямитель, приведенный на рис.2.(б), представляет собой параллельное соединение двух однофазных выпрямителей, питаемых от двух половин вторичной обмотки W₂ и W₂¹. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих выпрямители напряжения. Форма выходного напряжение такого выпрямителя приведена на рис. 2.1.(б). Этот выпрямитель характеризуется лучшим использованием трансформатора и фильтра. Его часто называют выпрямителем со средней точкой вторичной обмотки трансоформатора.

 

Рис. 2.1. Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питаемых от однофазной сети, при резистивной  нагрузке без фильтра: однополупериодного (а) и двухполупериодного (б)

 

3. ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 2.(в)) является двухполупериодным выпрямителем, питаемым от однофазной сети. В отличие от предыдущей схемы его можно использовать для выпрямления напряжения сети и без трансформатора. К его недостаткам относится удвоенное число выпрямительных диодов, однако трансформатор в таком выпрямителе используется наиболее полно, так как нет подмагничивания магнитопровода постоянным током и ток во вторичной обмотке протекает в течение обоих полупериодов. Из-за увеличенного падения напряжения на выпрямительных диодах такие выпрямители редко используются при выпрямлении низких напряжения (меньше 5В).

 

 

4. ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С УДВОЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Такой выпрямитель представляет собой последовательное соединение двух однофазных однополупериодных  выпрямителей (рис. 2.(г)). В первом полупериоде  при положительном напряжении на аноде диода VD1 заряжается конденсатор С₁, а во втором полупериоде проводит диод VD2 и конденсатор С₂ заряжается напряжением противоположной полярности. Так как эти конденсаторы включены последовательно, то выходное напряжение почти удваивается. Конденсаторы С₁ и С₂ могут использоваться как элементы фильтра. Трансформатор в этой схеме используется так же полно, как и в мостовой. Эту схему можно получить из мостовой схемы, изображенной на рис. 2.(в), если заменить диоды VD3 и VD4 конденсаторами С₁ и С₂. В связи с этим такой выпрямитель часто называют полумостовым. К достоинствам схемы можно отнести уменьшение вдвое выходного напряжения трансформатора, а к недостаткам – наличие двух конденсаторов С₁ и С₂.

5. ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

 

Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение  в ИВЭП, приведены на рис. 2.2. Первичные  обмотки трансформаторов Тр могут включаться по схеме звезды или треугольника, а вторичные обмотки включены по схеме звезды. На рис. 2.2.(а) приведена схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки 0^/ вторичных обмоток. На рис. 2.3.(а) приведены временные диаграммы напряжений и токов для этой схемы при резистивной нагрузке без фильтра. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет K_П=25%, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя он составляет 67%, при этом частота пульсаций в три раза выше частоты питающей сети. Все это значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения, а в ряде случаев позволяет вообще обойтись без фильтра.

К недостаткам такой схемы  следует отнести плохое использование  трансформатора, который работает с  подмагничиванием постоянным током, и  повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.

Рис. 2.2. Схема трехфазного  выпрямителя с отводом от нулевой  точки (а) и мостового трехфазного  выпрямителя (б)

 

6. МОСТОВАЯ СХЕМА ТРЕХФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ. СХЕМА ЛАРИОНОВА

Мостовая схема трехфазного  выпрямителя или иначе схема  Ларионова приведена на рис. 2.2.(б). В этой схеме включены 6 диодов. Которые выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наиболее положительное напряжение, а на катоже – наиболее отрицательное. Графики токов и напряжения для трехфазной мостовой схемы приведены на рис. 2.3.(б).