Меню

Как определить среднее значение выпрямленного тока для однополупериодного выпрямителя

4.10. Выпрямление переменного тока и напряжения

Рассмотрим работу нескольких простейших выпрямителей

Работа однополупериодного выпрямителя на r-нагрузку

Пусть дана схема (рис. 4.47), вольтамперная характеристика диода (рис. 4.48) и напряжение источника u(t) = Um sin t. Поставим задачу: определить ток в цепи и напряжение на нагрузке. Используем графический метод для расчета тока.

Графические построения просты и понятны (рис. 4.48). При синусоидальном напряжении источника ток в цепи несинусоидален. Видно, что ток однополярен. Если этот ток умножить на сопротивление (r), то получим напряжение на нагрузке. Если пренебречь заштрихованной площадкой то в интервале (p – 2p) ток будет равен нулю (рис. 4.49).

Определим среднее значение выпрямленного тока:

Для сравнения, среднее значение синусоидального тока равно:

Действующее значение выпрямленного тока равно:

Видно, действующее значение выпрямленного тока в раз меньше, чем переменного тока.

С принятыми допущениями КПД этого выпрямителя равен:

Работа однополупериодного выпрямителя на rL-нагрузку

Введем в цепь индуктивность (рис. 4.50) и решим ту же задачу.

Дано: u = Um sinwt, L, r, BAX. Определим ток i., и напряжение ur.

Применим метод кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0. В этот момент диод открывается и его сопротивление становится равным нулю.

Задача решается так же, как и при расчете переходного процесса.

Решение здесь приводить не будем, дадим только конечное выражение для тока:

Первое слагаемое в этом выражении – свободная составляющая, а второе слагаемое – принужденная составляющая, которая считается по схеме замещения (рис. 4.51) комплексно-символическим методом. Постоянную интегрирования А найдем из начальных условий:

Выражение для тока примет вид:

Построим этот ток (рис. 4.52, штриховая линия). Решение для тока справедливо пока ток больше нуля i(t) > 0. При возрастании индуктивности (рис. 4.53) ампер-секундная площадка не изменяется, а только деформируется.

Использование L-элемента в однополупериодном выпрямителе для улучшения качества выпрямленного тока позволяет уменьшить коэффициент амплитуды Ка, но не обеспечивает идеальное выпрямление переменного тока.

Работа однополупериодного выпрямителя на rC-нагрузку

Введем в схему однополупериодного выпрямителя емкость С, включенную параллельно нагрузке (рис. 4.54). Расчет также начнем с момента отпирания диода. Применим метод кусочно-линейной аппроксимации.

Пусть в некоторый момент времени t1 рабочая точка на характеристике диода переходит в первый квадрант, выполняется условие: ja>jк.

Сопротивление диода становится равным нулю: .

Напряжение источника становится равным напряжению на конденсаторе и на нагрузке:

В цепях с конденсатором при первом включении на напряжение наблюдается некорректная коммутация, которая сопровождается скачками тока больших величин. Если С > 1000 мкФ выпрямитель необходимо защищать от этих скачков.

В момент времени, когда входное напряжение достигает максимальной величины:

потенциал катода становится больше потенциала анода: jк > jа. При этом ключ (диод) размыкается. Разряд конденсатора можно описать уравнением (рис. 4.55):

заряд будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе будет больше входного напряжения: uc(t) > u(t). Влияние величины емкости на скорость разряда конденсатора показано на (рис. 4.56). Использование ёмкостного элемента, включенного к нагрузке однополупериодного выпрямителя, позволяет обеспечить сглаживание выпрямленного напряжения и выполнить поставленную задачу в определенном диапазоне нагрузок.

Схемы однофазных выпрямителей

Рассмотрим наиболее распространенные схемы однофазных выпрямителей.

1.

Двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.57).

Дано: напряжение , сопротивление Rн, диоды 1, 2, 3, 4 и их вольтамперные характеристики.

Проанализируем цепь методом кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0.

При верхний зажим становится положительным. Образуется контур протекания тока. Отпираются диоды 1 и 2. Напряжение на нагрузке равно:

При входное напряжение становится меньше нуля: . Диоды 1 и 2 запираются, а 3 и 4 отпираются. Напряжение на нагрузке становится равным:

В дальнейшем процессы повторяются. Временные диаграммы приведены на (рис. 4.58).

Проанализируем воздействие С – эле­ментов на кривые выходного напряжения (рис. 4.59). При двухполупериодном выпрямлении качество выпрямленного напряжения можно обеспечить меньшими значениями реактивных элементов. Главным недостатком этого выпрямителя является то, что уровень выпрямленного напряжения зависит от входного напряжения.

2.

Этого недостатка нет в схеме (рис. 4.60), так как с помощью трансформатора можно получить любое напряжение на вторичной обмотке изменением коэффициента трансформации.

Коэффициент трансформации равен:

Выбирая КТ, можно сформировать любое U2:

Процессы в схеме (рис. 4.60) полностью аналогичны предыдущей (рис. 4.57), там, где были включенными диоды 1 и 2, здесь будет включен диод 1.

Читайте также:  Первая атомная электростанция которая дала ток

С помощью трансформаторного элемента входная цепь с напряжением U1 гальванически развязывается с выходной цепью с напряжением Uн.

Если какую-то точку выходной цепи соединить с землей, то тогда электромагнитный импульс, поступивший во входную цепь, не приведет к перераспределению потенциалов в выходной цепи. Электромагнитным импульсом может быть грозовой разряд, сварочная дуга, внезапные короткие замыкания в цепи или обрывы.

Электромагнитный импульс распространяется без проводов и наводится в электрическую цепь благодаря реактивным элементам.

Схемы трехфазных выпрямителей

Рассмотрим однополупериодный трехфазный выпрямитель (рис. 4.61). Исходная информация для расчетов задается аналогично.

Дано: входное фазное напряжение , сопротивление нагрузки Rн, диоды 1, 2, 3 и их ВАХ.

Определить напряжение нагрузки uн.

Расчет этого выпрямителя начнем с момента времени . С этого момента при напряжение больше всех остальных напряжений, поэтому напряжение нагрузки равно:

С момента времени напряжение больше всех остальных. Поэтому напряжение нагрузки равно:

Дальнейшие расчеты понятны, а временная диаграмма показана на (рис. 4.62). Кривая выходного напряжения однополярна, она колеблется от амплитудного значения до его половины. Этим напряжением уже можно питать такие нагрузки, как двигатель постоянного тока, у которого наблюдается малая зависимость скорости вращения от коэффициента пульсаций.

Рассмотрим трехфазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.63, схема Ларионова).

Схема (рис. 4.63) работает аналогично предыдущей (рис. 4.61).

В интервале точек 1 – 2 (рис. 4.64) кривая напряжения uc инвертируется. Поэтому выходное напряжение uн имеет еще меньший коэффициент пульсаций по сравнению со схемой (см. рис. 4.62).

Для большинства общетехнических установок эта кривая удовлетворяет стандартам и не требует дополнительной фильтрации.

Качественные показатели выходного напряжения выпрямителей

Главным показателем качества выходного напряжения является коэффициент пульсаций, который равен отношению разности максимального и минимального значений выходного напряжения к его номинальному значению:

Следующим показателем является коэффициент искажения, который равен отношению действующего значения напряжения первой гармоники к действующему значению напряжения:

Коэффициент гармоник оценивает содержание высших гармоник в напряжении и равен отношению всех высших гармоник к основной гармонике:

Источник

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

рис. 2.73 аВ 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 uвых

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

  • среднее значение выходного тока iвыx и Iср= 1/T· T ∫iвыхdt
  • коэффициент пульсаций выходного напряжения ε = Um/ Uср, где Um — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = Um/Uср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

  1. Параметры выпрямителей
  2. Однофазный однополупериодный выпрямитель
  3. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
  4. Однофазный мостовой выпрямитель
  5. Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом
  6. Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

Параметры выпрямителей

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

  1. действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя;
  2. максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение Uср;
  3. среднее значение Iд.ср тока отдельного вентиля;
  4. максимальное (амплитудное) значение Iд.макс тока отдельного вентиля.

Токи Iд.ср и Iд.макс принято выражать через Iср. Значение Uобр.макс используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

Iд.сри Iд.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 Iд.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).

рис. 2.73 а

рис. 2.73 б

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

Источник

Тема: Расчет однополупериодного выпрямителя

Цель: Формирование у студента компетенций ПК-18, ПК-38.

Теоретическая часть

Однополупериодный выпрямитель. Однополупериодный выпрямитель (рисунок 2.1 а) состоит из трансформатора, ко вторичной обмотке которого последовательно присоединены диод VDи нагрузочный резистор .

Читайте также:  Вольтметры пост тока цифровые

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у транс­форматора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС (рисунок 2.1 б).

Работу выпрямителя рассматривают с помощью временных диаграмм (рисунок 2.1 б, в). В первый полупериод, т.e. в интервале времени 0 – Т/2, диод открыт и в нем появляется ток , а в нагрузочном резисторе – ток , причем . Падение напряжения на диоде . В интервале времени Т/2 – Т диод закрыт, ток , а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение т.е. , тогда , где – действующее значение напряжения во вторичной обмотке.

Основными электрическими параметрами однополулериодного выпрямителя являются:

– средние значения выпрямленных тока и напряжения и ;

– мощность нагрузочного устройства ;

– амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ;

– коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ;

– коэффициент полезного действия ,

где – мощность потерь в трансформаторе, а – мощность потерь в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 2.1):

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Недостатками этого выпрямителя являются: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения. Вместе с тем, следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что в свою очередь снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Диод в выпрямителе является основным элементом, поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. При выборе типа диодов необходимо знать:

– среднее значение прямого тока ;

– максимальное обратное напряжение на диоде . Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется, чтобы каталожные параметры превышали рассчитанные значения примерно на 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотипных диодов. Однако эти диоды должны быть зашунтированы сопротивлением, примерно равным .

Промышленность выпускает полупроводниковые диодные столбы (например, КЦ 106, КЦ 201). Выпрямительный столб – это группа последовательно соединенных диодов, помешенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения свыше 15 кВ.

Задачи

1. В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора В, частота сети = 50 Гц. Сопротивление диода в прямом направлении = 0. Для нагрузочного резистора сопротивлением 200 Ом определить средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, среднее значение тока в диоде , максимальное обратное напряжение диода . Выбрать параметры необходимого диода.

2. В схеме однополупериодного выпрямителя задан диод КД208А с параметрами = 1,5 А и = 100 В. Определить максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора и мощность, выделяемую в нагрузке = 200 Ом.

3. Определить среднее и максимальное значение прямого тока, а также максимальное обратное напряжение полупроводникового диода в однополупериодном выпрямителе (рисунок 2.1 а) и коэффициент трансформации трансформатора, если на нагрузочном резисторе сопротивлением = 3 кОм среднее значение выпрямленного напряжения =180 В. Напряжение сети В. Сопротивление диода в прямом направлении и обратный ток считать равными нулю.

4. Определить амплитуду тока в нагрузочном резисторе сопротивлением = 2,5 кОм однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.1 а), если напряжение на первичной обмотке трансформатора В, коэффициент трансформации п = 0,4. Сопротивление диода в прямом направлении считать равными нулю.

5. Для питания постоянным током потребителя мощностью 250 Вт при напряжении Ud = 100 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, подобрав диоды из справочника. Указать допустимые параметры для выбранного диода.

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит однополупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и его средним значением.

3. Пояснить связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

Читайте также:  Какие эффекты электрического тока вы знаете

4. Что называется коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения?

5. Чему равен коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

6. Какое условие используется при выборе диодов после расчета однополупериодного выпрямителя?

7. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

8. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

Практическое занятие 3

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Источник



Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители

date image2015-05-26
views image47374

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Выпрямление электрических колебаний, это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.

Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.

В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.

При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученого на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Технические параметры выпрямителя:

Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме, определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент полезного действия, это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

Частотная пульсация выпрямителя, это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

Источник