книги / Элементы промышленной электроники
..pdfГлава 2.
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА И СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
§ 4. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Для питания многих установок (электронной аппарат} ры, электродвигателей постоянного тока, электролизных установок и др.) необходимо иметь постоянный ток. Между тем, элеюрическая энергия вырабатывается и распределяется, главным обра зом, в виде энергии переменного тока.
В связи с этим возникает необходимость в выпрямлении пере менного тока в постоянный ток.
Выпрямлением называется процесс преобразования перемен ного тока в постоянный при помощи устройтсв, обладающих односторонней проводимостью. Устройства, используемые при этом, называются выпрямительными.
Выпрямительное устройство обычно состоит из трех основных элементов: трансформатора, электрического вентиля и сглажи вающего фильтра.
С помощью трансформатора изменяется величина перемен ного напряжения, получаемого от источника питания, с целью приведения ее в соответствии с величиной требуемого выпрям ленного напряжения.
Электрический вентиль1 непосредственно осуществляет вы прямление переменного тока. Таким образом, в выпрямительном устройстве электрический вентиль выполняет основную функцию.
Электрические вентили по своим характеристикам делятся на две группы. К первой группе относятся вакуумные электрон ные и полупроводниковые вентили, вольт-амперные характери стики которых для прямого направления могут быть приближен но представлены наклонными прямыми, проходящими через
1 Аппараты, в которых достигается односторонняя проводимость при по мощи движущихся частей (коллекторов, вибрирующих контактов и др.), электри ческими вентилями не называются.
51
честве электрического вентиля в схеме используется вакуумный диод, называемый кенотроном.
Рис. 4-2. Схема однополупериодного выпрямителя однофазного переменного тока.
Работа рассматриваемой схемы протекает следующим обра зом. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки также будет переменным. Если напряжение на первичной обмотке является переменным синусоидальным, то напряжение на вто ричной обмотке трансформатора также будет меняться во вре мени по синусоидальному закону, т. е.: и2 = H 2msmfi)/.
Вакуумный диод, как известно, проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода будет иметь положительный потенциал. Поэтому ток в цепи — вторич ная обмотка трансформатора, диод и нагрузка — будет протекать только в одном направлении, т. е. в течение одной половины пе риода переменного напряжения U2. В результате этого, ток, протекающий в цепи нагрузки, оказывается пульсирующим (не изменным по направлению, но изменяющимся по величине). Максимальное значение тока (относительно небольшим сопро тивлением диода в прямом направлении пренебрегаем) можно определить как отношение:
|
|
(4-1) |
где: Rm— сопротивление потребителя постоянного |
тока. |
|
Кривая |
получаемого в процессе однополупериодного вы |
|
прямления |
пульсирующего тока может быть разложена в гар |
|
монический |
ряд Фурье: |
|
|
.. .^ |
• (4—2) |
|
(-71 |
|
53
циента пульсаций — q, под которым понимается отношение амплитуды А т наиболее резко выраженной гармонической со ставляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или на пряжения, к постоянной составляющей А0 тока или напряжения в выходной цепи выпрямителя:
q = |
(4-5) |
Для схемы однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсации оказывается равным:
— i |
|
|
|
2 |
лт |
П |
|
Q = |
|
|
|
|
|
(4-6) |
|
— / |
т |
|
|
п |
|
|
В течение половины периода, когда анод диода имеет отрица тельный относительно катода потенциал, диод тока не прово
дит. (В вентилях при этом возможен некоторый, относительно небольшой, ток, называемый обратным током, влиянием кото рого в большинстве практических случаев можно пренебречь). Напряжение, воспринимаемое диодом в непроводящий полупериод, называется обратным напряжением Uo6p. Обратное на пряжение на диоде будет определяться напряжением на вторичной обмотке трансформатора. Следовательно, максимальное значе ние обратного напряжения, которое приложено к диоду в данной схеме, будет равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т. е. Uo6pm= U2m. Поэтому при выборе вентиля для схемы однополупериодного однофаз ного однотактного выпрямителя, нужно учитывать, чтобы его максимальное допустимое обратное напряжение было больше или равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
К недостаткам рассматриваемой схемы выпрямления следует отнести слишком большие пульсации выпрямленного тока и напряжения, а также плохое использование трансформатора, поскольку по его вторичной обмотке протекает ток только в те чение половины периода. Выпрямители подобного типа приме няются главным образом в маломощных установках, когда вы прямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглажи вание пульсаций может быть обеспечено с помощью простейшего фильтра.
55
Рис. 4-5. Временные диаграммы выпрям ленного тока и напряжения при двухполупериодном выпрямлении однофаз ного переменного тока.
напряжения на выходе выпрямительного устройства рис. 4—4 будут иметь вид, представленный на рис. 4—5. Кривую выпрям ленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:
2 |
4 |
4 |
\ |
(4—7) |
------ zr-cos2cot — - — cos4wt — ...} . |
||||
(и |
jit |
15я |
j |
|
Из выражения (4—7) видно, что также как и для схемы однополупериодного выпрямления, наряду с переменными состав ляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную со
ставляющую, равную / 0 =“ -1и.
В этом случае постоянная составляющая напряжения на на грузке, т. е. среднее значение выпрямленного напряжения, опре деляется выражением:
|
21т |
2Uo„ |
, |
(4-8) |
|
и 0 = 1 ^ = - = • R„ = — |
|||
|
71 |
П |
|
|
где Im — |
Vim |
значение |
выпрямленного тока; |
|
RH — максимальное |
||||
U2т— амплитудное значение напряжения |
половины |
вторичной |
||
обмотки |
трансформатора. |
|
|
57 |