Однофазные выпрямители: Однофазные выпрямители — Студопедия

Однофазные выпрямители — Студопедия

Поделись  

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется – один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток

Рис.4.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Работа схемы однополупериодного выпрямителя

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус – к катоду (рис.4.2). Диод открывается и пропускает ток от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора. Во время отрицательной полуволны(в интервале π ÷ 2π) к аноду диода приложен минус, а к катоду – плюс. К диоду в это время прикладывается обратное напряжение, и он закрыт. На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.

4.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е₂ соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского слова direct – прямой): R_d – сопротивление нагрузки; u_d – мгновенное значение выпрямленного напряжения; i_d – мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна:

e₂ = √2·E₂·sinΘ,

где Θ = ωt,E₂ – действующее значение ЭДС;

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U_d = 0,45E₂

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

I_d=U_d/R_d

Для данной схемы выпрямителя среднее значение анодного тока вентиля I_аср = I_d.

Максимальное значение анодного тока:

i_amax = √2·E₂/R_d=I_d·π.

Максимальноезначение обратного напряжения на вентиле:

U_обрmax = √2·E₂=I_d ·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Рассмотрим работу схемы однофазного однополупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.4.3).

Рис.4.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

Источник: http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_25.gif

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_d и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.4.3) e_2a и e_2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R_d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду – плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод

VD2, а диод VD1 – закрыт ( для этого случая знаки указаны в скобках). В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 4.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

E_d=2√2·E₂/π; U_d=2√2·E₂/π; I_d=U_d/R_d;

i_amax=√2·E₂/R_d; I_aср=I_d/2; U_обрmax=2√2·E2; Kп=0,66

Наиболее распространённой является двухполупериодная мостовая схема (рис. 4.4).

Рис.4.4. Однофазный мостовой выпрямитель.

Источник: http://kurs.ido.tpu.ru/courses/osn_elec/chapter_2/picture/2_26.gif

Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R_d, диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R_d, диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежением индуктивности обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

U_d=0,9·E₂; I_d=U_d/R_d; i_amax=√2·E₂/R_d;

I_aср=I_d/2; U_обрmax=√2·E2; Kп=0,66

Сравненим схемы мостовую и со средней точкой.

Для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.



Однофазные выпрямители Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя.

Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

.

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:

• Большая величина пульсаций

• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущества:

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180° Два четвертьмоста параллельно (“двухполупериодный со средней точкой”)

Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе. Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.

Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой . Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции y=Em*(sin(w*t))².

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Частота пульсаций равна , где  — частота сети.

Фильтры

Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

LC-фильтр

На рисунке показан пример простейшего LC-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности (X_L = ωL) и конденсатора (X_C = 1 / ωC).

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть Z_L = jωL = jX_L и конденсатора Z_C = 1 / (jωC) = − jX_C, где , поэтому, для ненагруженного LC-фильтра

.

Подставляя значения сопротивлений, получим для частотно-зависимого коэффициента передачи:

.

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к частоте , и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Вообще, зависимость модуля комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты называют амлитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость фазы — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка, которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты ω₀. Величину называют характеристическим сопротивлением фильтра. ФНЧ, нагруженный на сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот ω < ω₀, и убывающую как 1 / ω² на частотах выше ω₀. Поэтому, частоту ω₀ называют частотой среза.

Аналогичным образом строится и LC-фильтр верхних частот. В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи:

.

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

Что такое однофазный двухполупериодный выпрямитель

Однофазный двухполупериодный диодный выпрямитель

Однофазный диодный выпрямитель, преобразующий переменный сигнал в постоянное напряжение, бывает двух типов – однополупериодный и двухполупериодный один. Ранее упоминался полуволновой диодный выпрямитель.

Двухполупериодный диодный выпрямитель также может быть двух типов – с трансформатором с отводом от средней точки и мостовым выпрямителем. Оба они изображены на рисунке ниже.

В случае трансформатор с центральным отводом , у нас есть два однополупериодных выпрямителя, объединенных. Постоянные токи этих полуволновых трансформаторов равны, но противоположны. Каждый диод проводит соответствующий полупериод трансформатора. Ниже вы можете увидеть формы тока и напряжения для этого выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки

 

Мостовой выпрямитель Схема показана ниже. Здесь у нас четыре диода вместо двух. Таким образом, в каждом полупериоде трансформатора у нас есть два проводящих диода. Ниже вы можете увидеть формы напряжения и тока для этого выпрямителя.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

 

Среднее напряжение VDC=ωT∫0TVmsinωtdt.

Таким образом, VDC=2Вmπ=0,636Вм. Среднеквадратичное значение (RMS) равно RMS=1T∫0Tv2L(t)dt=ωπ∫0π(Vmsinωt)2dt

и VL=Vm2=0,707Vm.

Среднее значение тока нагрузки Idc=VdcR=0,636VdcR. А среднеквадратичное значение тока нагрузки IL=0,707 ВмР.

Коэффициент ректификации (RF), показатели эффективности ректификации σ=PdcPL=0,81.

Форм-фактор (FF) — это отношение среднеквадратичного значения напряжения или тока к его среднему значению. FF=VLVdc и FF=ILIdc. Для двухполупериодного выпрямителя FF=1,1.

Коэффициент пульсаций (RF) — это мера пульсаций RF=VacVdc, где Vac=V2L+V2dc. Сделав несколько математических упрощений, RF=(VLVdc)2–1=FF2–1=0,482.

Коэффициент использования трансформатора (TUF) — это показатель качества трансформатора TUM=VdcIdcVSIS, где VS и IS — среднеквадратичное значение напряжения и среднеквадратичного значения тока вторичного трансформатора. Где для двухполупериодного трансформатора IS=0,707 ВмР.

Читатель должен принять во внимание, что только однополупериодные выпрямители с резистивной нагрузкой создают гармонические токи в своих трансформаторах.

Спецификации промышленных однофазных двухполупериодных диодных выпрямителей содержат следующие важные параметры:

• Пиковое повторяющееся обратное напряжение VRRM;
• Коэффициент пульсации;
• Среднеквадратичное значение входного напряжения на ветвь трансформатора VS;
• Средний ток диода IF(AV);
• Коэффициент ректификации;
• Частота пульсаций на выходе fr;
• Пиковый повторяющийся прямой ток IFRM;
• Первичная мощность трансформатора, ВА;
• Среднеквадратичное значение тока диода IF(RMS) ;
• Форм-фактор;
• Вторичная мощность трансформатора ВА;
• Форм-фактор тока диода IF(RMS)IF(AV).

Например, Digi-Key Electronics предлагает широкий ассортимент однофазных двухполупериодных и мостовых выпрямителей.

 

 

 

 

Теги: однофазный двухполупериодный выпрямитель

Информационный бюллетень

Моделирование и управление однофазными выпрямителями и инверторами

Об этом курсе

10 330 недавних просмотров

Этот курс также может быть принят для академического кредита как ECEA 5709, часть степени магистра наук в области электротехники CU Boulder .

Это курс № 5 специализации «Моделирование и управление силовой электроникой». Курс посвящен моделированию и управлению сетевой силовой электроникой. По завершении курса вы сможете понимать, анализировать, моделировать и проектировать выпрямители и инверторы с низким уровнем гармоник, соединяющие нагрузки постоянного тока или источники питания постоянного тока, такие как фотоэлектрические батареи, с однофазной сетью переменного тока. Мы настоятельно рекомендуем учащимся пройти специализацию CU Boulder Power Electronics, а также курсы № 1 (Моделирование и симуляция усредненных переключателей) и № 4 (Управление текущим режимом) перед записью на этот курс (номера курсов, указанные ниже, предназначены для студентов в Программа MS-EE CU Boulder): ● Введение в силовую электронику (ECEA 5700) ● Цепи преобразователя (ECEA 5701) ● Управление преобразователем (ECEA 5702) ● Моделирование и имитация усредненных переключений (ECEA 5705) ● Управление текущим режимом (ECEA 5708) После прохождения этого курса вы сможете: ● Понимать принципы работы выпрямителей и инверторов с низким уровнем гармоник и высоким коэффициентом мощности. ● Моделирование и проектирование контуров формирования тока и регулирования напряжения в выпрямителях с коррекцией коэффициента мощности (PFC). ● Моделировать и проектировать контуры управления в однофазных преобразователях постоянного тока в переменный. ● Проектирование фотоэлектрических энергосистем, привязанных к однофазной электросети переменного тока. ● Используйте компьютерные инструменты и моделирование для проверки конструкции выпрямителей и инверторов

Гибкие сроки

Гибкие сроки

Сброс сроков в соответствии с вашим графиком.

Совместно используемый сертификат

Совместно используемый сертификат

Получите сертификат по завершении

100% онлайн

100% онлайн

Начните немедленно и учитесь по собственному графику.

Специализация

Курс 5 из 5 в специализации

Моделирование и управление силовой электроникой

Средний уровень

Средний уровень

Часов, чтобы закончить

Прибл. 14 часов до завершения

Доступных языков

Английский

Субтитры: английский

Навыки.

Сбросить сроки в соответствии с вашим графиком.

Общий сертификат

Общий сертификат

Получение сертификата по завершении

100 % онлайн

100 % онлайн

Начните сразу и учитесь по собственному графику.

Специализация

Курс 5 из 5 в специализации

Моделирование и управление силовой электроникой

Средний уровень

Средний уровень

Часов, чтобы закончить

Прибл. 14 часов на выполнение

Доступные языки

Английский

Субтитры: английский

Преподаватель

Д-р Драган Максимович

Чарльз В. Шелке, профессор

Electrical, Computer and Energy Engineering

22,428 Learners

9 Courses

Offered by

University of Colorado Boulder

CU-Boulder is a dynamic community of scholars and learners on one of the most впечатляющие университетские городки в стране. Являясь одним из 34 государственных учебных заведений США, входящих в престижную Ассоциацию американских университетов (AAU), мы славимся традицией академического превосходства: пять нобелевских лауреатов и более 50 членов престижных академических академий.

Начните работать над получением степени

Этот курс является частью онлайн-программы получения степени, предлагаемой Университетом Колорадо в Боулдере. Когда вы записываетесь на платный курс без получения степени в университете и завершаете его онлайн, это засчитывается как кредитные часы для получения степени в CU-Boulder. Все, что вам нужно сделать, это подать заявление через университет.

Магистр наук в области электротехники

Университет Колорадо в Боулдере

Зарегистрироваться для получения кредита

О специализации «Моделирование и управление силовой электроникой»

Эта специализация предназначена для студентов и инженеров, стремящихся улучшить навыки анализа, моделирования и проектирования высокопроизводительных контуров управления с переключаемыми режимами постоянного и переменного тока.