Выпрямители. Исследование фазочувствительного выпрямителя

К достоинствам схемы Ларионова  относятся: отсутствие подмагничивания  сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению  с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций (равный 5,7%) и вдвое увеличенная частота  пульсаций f_П=6f_C. Все это позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр.

 

 

Для сравнения рассмотренных  схем выпрямителей в табл. 2.1. приведены  их основные параметры при работе на резистивную нагрузку без фильтра. В этой таблице приняты следующие  обозначения основных характристик: n=U₁/U₂=w₁/w₂ – коэффициент трансформации, U₁ – действующее значение напряжения на первичной обмотке, U₂ – действующее значение напряжения на вторичной обмотке, w₁ и w₂ – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно, U_H=n_ДU_ПР+U_В – расчетное значение напряжения на нагрузке, n_Д – число последовательно включенных диодов, U_В - среднее значение выпрямленного напряжения; U_ПР - прямое падение напряжения на диоде, f_C - частота питающей сети, K_П=Uп_m/U_H - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, Uп_m - амплитуда напряжения с частотой пульсаций на выходе выпрямителя.

 

Рис. 2.3. Формы напряжений и токов в трехфазном выпрямителе  с нулевой точкой (а) и в трехфазном мостовом выпрямителе (б)

 

Таблица 2.1. Основные характеристики схем выпрямителей при работе на резистивную  нагрузку

 

Характеристика	Тип выпрямителя
	Однофазный со средней  точкой	Однофазный мостовой	Трехфазный с нулевой  точкой	Трехфазный мостовой
Действующее напряжение вторичной  обмотки (фазное) U2	2х1,11 UH	1,11 UH	0,855 UH	0,43 UH
Действующий ток вторичной  обмотки I2	0,785 IH	1,11 IH	0,58 IH	0,82 IH
Действующий ток первичной  обмотки I1	1,11 IH ln	1,11 IH ln	0,48 IH ln	0,82 IH ln
Расчетная мощность трансформатора PTP	1,48 PH	1,23 PH	1,35 PH	1,045 PH
Продолжение таблицы 2.1.
Обратное напряжение на диоде  UОБР	3,14 UH	1,57 UH	2,1 UH	1,05 UH
Среднее значение тока диода  IД.СР	0,5 IH	0,5 IH	0,33 IH	0,33 IH
Действующее значение тока диода IД	0,785 IH	0,785 IH	0,587 IH	0,58 IH
Амплитудное значение тока диода IДm	1,57 IH	1,57 IH	1,21 IH	1,05 IH
Частота основной гармоники  пульсации	2 fC	2 fC	3 fC	6 fC
Коэффициент пульсаций выходного напряжения KП	0,67	0,67	0,25	0,057

 

7. РЕГУЛИРУЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Регулирование выходного  напряжения выпрямителя может выполняться  различными способами:  с помощью  регулируемого трансформатора, с  помощью резистивных или емкостных  делителей напряжения и с помощью  управляемых вентилей. Ниже рассмотрим только способ регулирования выходного  напряжения выпрямителя при помощи управляемых вентилей – тиристоров.

Структурная схема регулируемого  выпрямителя приведена на рис.2.4.(а). Принципиальным отличием этой схемы, приведенной  на рис. 1, является включение в нее регулируемого вентильного блока РВБ и устройства управления, управляемого напряжением сети. Простейшая схема регулируемого выпрямителя на одном тиристоре VS приведена на рис.2.4.(б). Для включения тиристора необходимо выполнить два условия: напряжение на аноде тиристора должно быть положительным (но меньше U_ПР.ВКЛ.) и к управляющему электроду должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения сети U_C, а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подводится отпирающий импульс U_Y.

После включения тиристора  управляющий электрод теряет управляющие  свойства, поэтому выключение тиристора  произойдет, когда напряжение на его  аноде станет равным нулю. Форма  импульсов напряжения на резистивной  нагрузке R_H без фильтра приведена на рис.2.4.(в). Очевидно, что момент включения тиристора можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, т.е. При этом если тиристор включается при то среднее выпрямленное напряжение на нагрузке U_СВ будет максимальным, а если  ⁰, то напряжение U_СВ=0. Такой способ управления тиристором называется фазоимпульсным.

 

Рис.2.4. Структурная схема  регулируемого выпрямителя (а), схема  простейшего регулируемого вентильного  блока (б) и графики напряжения на входе и выходе (в)

 

 

В приведенной простейшей схеме регулируемого выпрямителя  пульсации напряжения на нагрузке достаточно большие, поэтому для снижения их необходимо включать сглаживающий фильтр (не показанный на схеме рис.2.4.(б). Следует  отметить, что в приведенной схеме  использоваться для сглаживания  пульсаций емкостной фильтр нельзя, так как заряд конденсатора через  открывшийся тиристор может сопровождаться таким большим током, который  выведет тиристор из строя. Поэтому  в тиристорных регулируемых выпрямителях используют фильтры, начинающиеся с  индуктивности.

Мостовые схемы регулируемых вентильных блоков приведены на рис.2.5. В схеме на рис.2.5.(а)  тиристоры  VS1 и VS2 включаются через угод, равный π. При включении тиристора VS1 одновременно включается диод D2, а при включении тиристора VS2 включается диод D1. Блокировочный диод D_БЛ выполняет те же функции, что и в двухфазном вентильном блоке.

В схеме на рис.2.5.(б) при включении тиристора VS1 одновременно включается диод D2, а при включении тиристора VS2 включается диод D1. Блокировочный диод в этой схеме не нужен, так как его функции выполняют диоды D1 и D2.

 

Рис.2.5. Мостовые схемы регулируемых вентильных блоков: с блокировочным  диодом (а) и без него (б)

 

8. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

 

В случае с работой высокочастотных  выпрямителей с транзисторными преобразователями  имеются некоторые особенности  их работы: напряжение на входе выпрямителя  негармоническое, а имеет одну из форм, приведенных на рис.2.6.(а). При  питании выпрямителей напряжением  повышенной частоты очень заметными  становятся инерционные свойства диодом. При резком изменении напряжения на входе выпрямителя диоды теряют вентильные свойства на некоторое время, зависящее от скорости их включения  или выключения. Все это приводит к изменению характеристик выпрямителей, что должно учитываться при их проектировании и эксплуатации.

На рис. 2.6.(а) приведена  схема простейшего однофазного  выпрямителя с емкостным фильтром, используемая в однотактных импульсных преобразователях. Если на входе такого выпрямителя действует прямоугольное  импульсное напряжение с длительностью  фронтом t_Ф, то в установившемся режиме форма тока в диоде будет иметь вид, показанный на рис.2.5.(в).  Диод VD отпирается, когда входное напряжение становится равным напряжению U_H на нагрузке. Ток в диоде нарастает почти линейно и имеет выброс, связанный с зарядом емкости С_Ф. После этого ток в диоде равен току нагрузки, а на конденсаторе С_Ф поддерживается практически постоянное напряжение U_H. В момент времени t₃ входное напряжение U_ВХ начинает снижаться, одновременно начинает снижаться и ток диода ί_Д. Когда напряжение на вхоже становится равным напряжению на нагрузке, ток диода становится равным нулю. После этого полярность напряжения на диоде меняется на противоположную и начинается процесс рассасывания заряда, накопленного в p-n переходе диода. При этом ток в диоде меняет направление. Когда процесс рассасывания накопленного заряда закончится, ток в диоде становится равным нулю. Длительность интервала рассасывания и амплитуда обратного тока диода зависят от инерционных свойств диода. Амплитуду обратного тока диода можно оценить по приближенной формуле

,

 

где - ток нагрузки, - прямое напряжение на диоде, - время рассасывания, - длительность фронта выходного напряжение, - размах импульсов напряжения на входе.

 

Рис. 2.6. Формы напряжений на входе высокочастотных импульсных выпрямителей (а), схема простейшего  однофазного выпрямителя с емкостным  фильтром (б) и формы напряжения и  токов в нем (в)

 

Для применения в таких  выпрямителях пригодны только диоды, имеющие  малое время восстановления (малое  время рассасывания), такие, как КД226 или КД213. Использование в таких  выпрямителях диодов с большим временем восстановления может привести к  тому, что диод вообще потеряет свои вентильные свойства.

 

 

3. ПРИМЕРЫ СХЕМ ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

 

Фазочувствительные выпрямители  ФЧВ используются для определения знака измеряемой величины. Такой выпрямитель имеет два входа: сигнальный и управляющий (коммутирующий). Если на сигнальный вход подано гармоническое переменное напряжение U_ВХ, а на управляющий – напряжение той же частоты U_V, то напряжение на выходе выпрямителя определяется соотношением:

,

Где а – постоянный коэффициент, - фазовый сдвиг между напряжениями и .

Выпрямитель по схеме на рис.2.7. имеет входы U₁ и U₂. Большее из поданных на эти входы напряжения является управляющим и от него зависит знак . Модуль определяется меньшим входным напряжением. Целесообразно, чтобы R₂>>R₁.

 

Рис.2.7. Схема фазочувствительного  выпрямителя

 

Схема однополупериодного ФЧВ (рис.2.8.(а)) может быть реализована  на базе измерительного выпрямителя  при установке электронных ключей вместо диодов.

Электронные ключи управляются  парафазными напряжениями U_УПР1 и U_УПР2. Когда в схеме на рис.2.7.(а) замкнут ключ1 (К1)  (разомкнут ключ2(К2)), напряжением U_ВХ передается на выход ФЧВ с коэффициентом «минус» 1. Когда К1 разомкнут (замкнут К2), на выходе ФЧВ будет U_ВЫХ≈0.

Двухполупериодный ФЧВ (рис.2.7.(б)) построен на базе двухходового усилителя. При замкнутом К2 (разомкнутом  К1) U_ВЫХ= - U_ВХ, а при разомкнутом К2 (замкнутом К1) U_ВЫХ=U_ВХ.

 

Рис.2.7. Фазочувствительный однополупериодный выпрямитель (а) и двухполупериодный выпрямитель (б)

 

В измерительных схемах импульсные напряжения U_УПР1 и U_УПР2  часто формируются от синусоидального сигнала , называемого опорным, j – начальный фазовый сдвиг опорного сигнала относительно входного сигнала ФЧВ.

Зависимость среднего значения Uср выходного напряжения двухполупериодного ФЧВ Uвых.фчв(t) при синусоидальном входном сигнале имеет вид:

где  

Для однополупериодного ФЧВ формула расчетного среднего значения выходного напряжения отличается тем, что осреднение подынтегрального выражения выполняется не за Т/2, а за весь период Т.

 

4. ИССЛЕДОВАНИЕ  ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

Данный ФЧВ, схема которого приведена на рис.2.8., выполнен на одном операционном усилителе  ОУ, в качестве источника опорной частоты использован генератор синусоидальных колебаний U_ON, на выходе которого включено электромеханическое ключевое устройство К с порогом срабатывания 0,1 В. Низкий порог срабатывания, при сравнительно большой амплитуде входного сигнала, обеспечивает замыкание и размыкание контакта, практически, при прохождении сигнала через ноль.

 

Рис.2.8. Данный фазочувствительный выпрямитель

 

Исследование ФЧВ будем  проводить в программе для  моделирования электронных схем NI Multisim 10.1.1.

Рассмотрим схему ФЧВ, показанную на рис.2.9, где частота  опорного сигнала F_ON=5 Гц. Получили осциллограмму сигналов при указанных на схеме параметрах генераторов и заданной частоте опорного сигнала (рис.2.10). На полученной осциллограмме, а также при дальнейших исследованиях, выходной сигнал будет отображен полуволной зеленого цвета. Таким образом, мы видим, что выходной сигнал выпрямленного напряжения имеет вид чередующихся положительных и отрицательных полуволн, следующих с периодом повторения .

 

Рис.2.9. Схема ФЧВ при  заданной частоте опорного сигнала  F_ON=5 Гц

 

Рис.2.10. Осциллограмма выходного  сигнала в случае F_ON=5 Гц

 

Далее пронаблюдаем видоизменение  осциллограмм при разных вариациях  фаз опорного источника.

На рис.2.11 приведена осциллограмма  входного и выходного сигналов при  фазе опорного источника 90^о. Мы видим, что выходной сигнал состоит из периодической смены отрицательных и положительных полуволн. Причем эта смена происходит при , начиная с отрицательных полуволн.

 

Рис. 2.11. Осциллограмма входного и выходного сигналов при фазе опорного источника 90^о

 

При фазе опорного источника 180^о, чередование отрицательных и положительных полуволн выходного сигнала повторяется с периодом повторения . Осциллограмма приведена на рис. 2.12.