Как составить схему мостового выпрямителя

Указания к решению задания №2

Данные задачи относятся к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых дио­дах. Подобные схемы выпрямителей находят сейчас при­менение в различных электронных устройствах и приборах. При решении задачи следует помнить, что основны­ми параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток I_доп, на который рассчитан данный диод, и величина обратного напряжения U_обр, которое вы­держивает диод без пробоя в непроводящий период.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямите­ля задаются величиной мощности потребителя P_d, Вт, получающего питание от данного выпрямителя и вы­прямленным напряжением U_d, В, при котором работает потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно опре­делить ток потребителя . Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода I_доп, выбирают диоды для схемы выпрямителя. Следует учесть, что для однополупериодного выпрямителя ток через диод равен току потребителя, т. е. надо соблюдать условие I_доп≥I_d. Для двухполупериодной и мостовой схем вы­прямления ток через диод равен половине тока потреби­теля, т.е. следует соблюдать условие I_доп≥0,5I_d. Для трехфазного выпрямителя ток через диод составляет треть тока потребителя, следовательно, необходимо, что­бы .

Величина напряжения, действующая на диод в не­проводящий период U_В, также зависит от той схемы вы­прямления, которая применяется в конкретном случае. Так, для однополупериодного и двухполупериодного вы­прямителей U_b = π U_d=3,14U_d для мостового выпрямителя , а для трехфазного выпрямителя U_b = 2,1U_d. При выборе диода, следовательно, должнобыть выполнено условие U_обр≥U_b.

Рассмотрим примеры на составление схем выпрями­телей.

Пример 1. Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из четырех промышленных диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя Р_d = 300 Вт, напряжение потребители U_d = 200 В.

Решение.1. Выписываем из табл. 11 параметры указанных диодов:

2.Определяем ток потребители I_d:

A.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период для мостовой схемы выпрямителя:

U_b = 1,57 U_d =1,57 ∙ 200 = 314 В.

4. Выбираем диод из условий

I_доп >0,5 I_d > 0,5∙1,5 > 0,75 А,

Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н

I_доп = 1,0 А > 0,75 A; U_обр = 500 В > 314 В.

Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют только напряже­нию, так как 1000 и 600 больше 314 В, но не подходят по допустимому току, так как 0,1 и 0,4 меньше 0,75 А. Диод Д215Б, наоборот, подходит по допустимому току, так как 2 > 0,75 А, но не подходит по обратному напряжению, так как 200

5. Составляем схему мостового выпрямителя (рис. 8). В этой схеме каждый из диодов имеет параметры диода КД202Н: I_доп=1,0 А; U_обр=500 В.

Пример 2. Для питания постоянным током потреби­теля мощностью Рd = 250 Вт при напряжении U_d = 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б.

Решение. 1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: I_доп = 2 А; U_обр = 200 В.

2. Определяем ток потребителя:

А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:

U_b = 3,14 U_d =3,14 ∙ 100 = 314 В.

1. Проверяем диод по параметрам I_доп и U_обр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям U_o6p>U_b;I_доп>0,5I_d. В данном случае первое условие не соблюдается, так как 200U_o6pU_b. Второе условие выполняется, так как 0,5I_d = 0,5∙2,5 = 1,25 < 2 А.
2. Составляем схему выпрямителя. Для того чтобы выполнить условие U_o6p>U_b, необходимо два диода соединить последовательно, тогда U_o6p = 200∙2 = 400 > 314 В.

Полная схема выпрямителя приведена на рис. 9. Пример 3. Для питания постоянным током потреби­теля мощностью P_d = 300 Вт при напряжении U_d = 20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды ти­па Д242А. Решение. 1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: I_доп = 10 А; U_обр = 100 В. Рис. 9 2.Определяем ток потребителя: А. 3.Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период: U_b= 3,14 U_d =3,14 ∙ 20 ≈ 63 В.

1. Проверяем диод по параметрам I_доп и U_o6p. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям U_o6p>U_b;I_доп>I_d. В данном случае второе условие не соблюдается, так как 10 < 15А, т.е. I_допI_d. Пер­вое условие выполняется, так как 100>63В.
2. Составляем схему выпрямителя. Для того чтобы выполнить условие I_доп>I_d, надо два диода соединить параллельно, тогда I_доп= 2∙10 = 20 А; 20 > 15 А.

Полная схема выпрямителя приведена на рис. 10. Пример 4.Для составления схемы трехфазного вы­прямителя на трех диодах заданы диоды Д243. Выпря­митель должен питать потребитель сU_d=150 В. Опре­делить допустимую мощность потребителя и пояснитьпорядок составления схемы выпрямителя. Решение. 1. Выписываем из табл. 11 параметры диода: I_доп = 5 А; U_обр = 200 В. 2. Определяем допустимую мощность потребителя. Для трехфазного выпрямителя ,т. е. P_d= 3 U_dI_доп = 3∙150∙5 = 2250 Вт, Следовательно, для данного выпрямителя P_d≤2250 Вт. 3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период: U_b= 2,1U_d =2,1 ∙ 150 = 315 В. Рис. 10 Рис. 11 4. Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию U_o6p>U_b. В данном случае это условие не соблюдается, так как 200 < 315 В. Для выполнения этого условия необходимо в каждом плече два диода соединить последовательно, тогда U_o6p= 200∙2 = 400 В; 400>315 В. Полная схема выпрямителя приведена на рис. 11.

6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки R_Н на выходе моста. К мосту подводится напряжение u₂, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u₁ на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u₁. Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фазв скобках.

В интервале фаз 0положительное напряжение подводится к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д ₄, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д ₃ и к катоду диода Д ₂. Следовательно, диоды Д ₁ и Д ₂ будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д ₃ и Д ₄ – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R _Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д₃ и Д ₄ и к закрытию диодов Д ₁ и Д ₂ . Ток будет протекать через открытые диоды Д ₃ и Д ₄ , и напряжение в нагрузке R _Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu₁ на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью , а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.

Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д₁ подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д ₃. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

U_{в max} = U₂ = 0,5π U_d, (6.9)

то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д₁и Д₃, вторая – на диодах Д₂и Д₄. Величины разнополярных напряженийu_d1иu_d2 равны 0,5 u_d– половине суммарного выходного напряжения.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Принцип действия, схема, расчет

Существует еще одна, более популярная конструкция двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе конфигурации с четырьмя диодами. Такая конструкция известна как двухполупериодный мостовой выпрямитель или просто мостовой выпрямитель.

Преимущество этого типа выпрямителя по сравнению с версией выпрямителя с центральным отводом заключается в том, что для него не требуется сетевой трансформатор с центральным отводом во вторичной обмотке, что резко снижает его размер и стоимость.

Также эта конструкция использует полностью все вторичное напряжение в качестве входного. Используя тот же трансформатор, мы получаем вдвое больше пикового напряжения и вдвое больше постоянного напряжения с мостовым выпрямителем, чем с двухполупериодным выпрямителем с центральным отводом. Именно поэтому мостовые выпрямители используются гораздо чаще, чем двухполупериодные со средней точкой.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Чтобы выпрямить оба полупериода синусоидальной волны, как мы уже говорили ранее, в мостовом выпрямителе используются четыре диода, соединенных вместе в конфигурации «моста». Вторичная обмотка трансформатора подключена с одной стороны диодного моста, а нагрузка — с другой.

На следующем рисунке показана схема мостового выпрямителя.

Во время положительного полупериода переменного напряжения диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, в то время как диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе (обратите внимание на плюс-минус полярности на нагрузочном резисторе).

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а диоды D1 и D2 — в обратном. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

Обратите внимание, что независимо от полярности напряжения на входе, полярность на нагрузке постоянная, а ток в нагрузке течет в одном направлении. Таким образом, схема преобразует входное переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение.

Если вам трудно запомнить правильное расположение диодов в схеме мостового выпрямителя, вы можете обратиться к альтернативному представлению схемы. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды расположены горизонтально и направлены в одном направлении.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

Здесь формула для расчета среднего значения напряжения такая же, как и для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет около 63,6 процента от пикового значения. Например, если пиковое переменное напряжение составляет 10 В, то постоянное напряжение будет 6,36 В.

Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению.

Аппроксимация второго порядка

В действительности мы не получаем идеальное напряжение на нагрузочном резисторе. Из-за потенциального барьера, диоды не включаются, пока источник напряжение не достигнет около 0,7 В.

И поскольку в мостовом выпрямителе работают по два диода за раз, то падение напряжения составит 0,7 x 2 = 1,4 В. Таким образом, пиковое выходное напряжение определяется следующим образом:

Выходная частота

Полноволновой выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у такого выпрямителя на выходе в два раза больше циклов, чем на входе. Поэтому частота полноволнового сигнала в два раза превышает входную частоту.

Например, если частота на входе составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.

Фильтрация постоянного напряжения

Сигнал на выходе, который мы получаем от двухполупериодного мостового выпрямителя, является по сути пульсирующим постоянным напряжением, которое вырастает до максимума, а затем снижается до нуля.

Для того чтобы избавиться от пульсаций, нам необходимо отфильтровать двухволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить сглаживающий конденсатор.

Первоначально конденсатор разряжен. На протяжении первой четверти цикла диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении и из-за этого сглаживающий конденсатор начинает заряжаться. Процесс заряда длится до тех пор, пока напряжение с мостового выпрямителя не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как напряжение с выпрямителя достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только напряжение снизиться ниже Vp соответствующая пара диодов (D1 и D2) не будет проводить.

Когда диоды выключены, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, конденсатор заряжается уже через диоды D3 и D4 до пикового значения.

Недостатки мостового выпрямителя

Единственным недостатком мостового выпрямителя является то, что выходное напряжение меньше, чем входное напряжение на 1,4 В, в результате падения на двух диодах.

Этот недостаток ощутим только в источниках питания с очень низким напряжением. Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 5 В, то напряжение нагрузки будет иметь только 3,6 В.

Но если пиковое напряжение источника составляет 100 В, напряжение нагрузки будет близко к идеальному двухполупериодному напряжению и влияние падения на диодах будет не значительным.

1.6 Неуправляемая однофазная мостовая схема выпрямления

Однофазная мостовая схема выпрямления приведена на рисунке 7. Однофазная мостовая схема является двухтактной. Схема содержит четыре диода VD1—VD4, соединенных по схеме однофазного моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети (u₁) и выпрямленное напряжение нагрузки (u_d). В одну диагональ вентильного моста включен источник переменного напряжения (u₂), а в другую — нагрузка (L_d—R_d). Ток в цепи вторичной обмотки протекает на интервале обоих полупериодов питающего напряжения переменного тока.

Рисунок 7. Схема однофазного мостового неуправляемого выпрямителя

Характер нагрузки выпрямителя может быть активным (выключатель, шунтирующий дроссель L_d, замкнут) или активно-индуктивным (выключатель, шунтирующий дроссель L_d, разомкнут).

Напряжение вторичной обмотки, которое подается на вентильный блок, изменяется по гармоническому закону:

На рисунках 8,б приведена кривая выпрямленного напряжения однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

В однофазной мостовой схеме вентили работают поочередно парами VD1 , VD2 и VD3, VD4 (рисунок 7). В положительный полупериод напряжения и₂ (интервал времени 0<ωt<π) ток проходит от вторичной обмотки трансформатора через вентиль VD1, нагрузку L_d— R_d и вентиль VD2.Так как в это время вентили VD3, VD4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее значение которого равно максимальному амплитудному напряжению вторичной обмотки трансформатора U_2m. В отрицательный полупериод (интервал времени π<ωt<2π) ток проходит через вентиль VD3, нагрузку L_d-R_d и вентиль VD4. При этом обратное напряжение прикладывается к вентилям VD1 и VD2. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении – от общей точки катодов вентилей, которая имеет положительный потенциал, к общей точке анодов вентилей, которая имеет отрицательный потенциал. Среднее значение тока, протекающего через нагрузку, определяется средним значением выпрямленного напряжения (U_d) и сопротивлением нагрузки (R_d). Выпрямленное напряжение u_d (рисунок 8,б) имеет постоянную составляющую U_d и переменную составляющую u_d~, которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсации напряжения.

Рассмотрим работу неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 7, замкнуть ключ, шунтирующий дроссель L_d, . Сравним кривые выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя, приведенные на рисунке 8,б, и неуправляемого двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, приведенные на рисунке 6,б. Можно видеть, что они идентичны. Отсюда можно сделать вывод о том, формулы для определения среднего значения выпрямленного напряжения для этих двух схем неуправляемых выпрямителей, одинаковы.

Как видно из рисунка 7, максимальное значение обратного напряжения на закрытом вентиле равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Величина среднего и действующего значений тока через вентиль равны соответствующим величинам для двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, так как в обеих схемах кривые тока вентиля одинаковы:

Среднее значение тока вентиля:

Действующее значение тока вентиля:

Ток вторичной обмотки трансформатора i₂ при чисто активной нагрузке синусоидален и действующее значение тока I₂ можно определить как .

Как было показано ранее,

Отсюда можно получить соотношение между действующим значением тока вторичной обмотки трансформатора и средним значением тока нагрузки

Ток первичной обмотки тоже синусоидален, и его действующее значение I₁ отличается от I₂ на величину коэффициента трансформации

Расчетные мощности обмоток трансформатора в однофазном мостовом выпрямителе равны между собой и равны типовой мощности трансформатора. Выражая их через номинальную мощность нагрузки

Таким образом, коэффициент расчетной мощности трансформатора этой схемы выпрямления (k_рм) при чисто активной нагрузке равен 1,23.

Коэффициенты использования вентилей по току k_i и напряжению k_u равны соответственно:

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза больше частоты питающей сети:

Работа неуправляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 7, разомкнуть ключ, шунтирующий L_d. Будим полагать, что ток нагрузки идеально сглажен (L_d=∞). В этом случае изменится только величина и форма токов в элементах схемы. На процессе переключения групп вентилей это явление не скажется, так как при смене полярности напряжения на вторичной обмотке идеального трансформатора ток вторичной обмотки трансформатора может мгновенно менять свое направление. Следовательно, переход тока с вентиля на вентиль будет происходить, как и в случае работы схемы на чисто активную нагрузку в моменты времени прохождения через ноль напряжения вторичной обмотки трансформатора. Ток вентиля при активно – индуктивном характере нагрузки (L_d=∞) имеет вид прямоугольного импульса длительностью равной 180 0 с амплитудой, равной величине выпрямленного тока (I_d). Среднее и действующее значение тока вентиля равны, cоответственно:

Форма тока первичной и вторичной обмоток трансформатора будет прямоугольной. Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора в этом случае равно его амплитудному значению:

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

Сравнивая однофазную мостовую схему выпрямления с рассмотренной ранее двухполупериодной схемой выпрямления с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, можно заметить, что при равных выпрямленных напряжениях и токах (U_d и I_d) в однофазной мостовой схеме необходимо вдвое большее количество вентилей, но с вдвое меньшим обратным напряжением.

Определим расчетные мощности первичной и вторичной обмоток.

Типовая мощность трансформатора

Коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора в этом случае k_рм =1,11. Отметим, что при чисто активной нагрузке этот коэффициент больше и равен 1,23.

Коэффициенты использования вентилей по току k_i и напряжению k_u при L_d=∞ равны соответственно:

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы неуправляемого однофазного мостового выпрямителя.

2 Во сколько раз действующее значение напряжения, подаваемого на вход выпрямителя, должно быть больше среднего значения напряжения нагрузки?

3 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активном характере нагрузки?

4 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активно-индуктивном характере нагрузки?

5 Чему равна частота пульсаций выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя?

6 Чему равен коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения неуправляемого однофазного мостового выпрямителя?

7 Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле неуправляемого однофазного мостового выпрямителя больше напряжения нагрузки?

8 Чему равен коэффициент использования вентиля по току?

Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку.

Силовая схема управляемого однофазного мостового выпрямителя приведена на рисунке 8,а. Отличие схем, приведенных на рисунках 7 и 8,а заключается в том, что неуправляемые вентили – диоды (рисунок 7) заменены на тиристоры (рисунок 8,а). Как было отмечено выше, для открытия тиристоров необходимо выполнение двух условий — потенциал анода тиристора должен быть выше потенциала катода и наличие на управляющих электродах импульса управления.

Для реализации режима работы управляемого выпрямителя на чисто активную нагрузку необходимо на схеме, приведенной на рисунке 8,а замкнуть ключ S.

На рисунках 8,в,г приведены кривые выпрямленного напряжения при угле регулирования α>0, причем на рисунке 8,в кривая выпрямленного напряжения соответствует активно-индуктивному характеру нагрузки, а на рисунке 8,г кривая выпрямленного напряжения соответствует активному характеру нагрузки.

Рисунок 8. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г), поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления

Так как в этой схеме одновременно работают два тиристора, то управляющие импульсы необходимо подавать одновременно на два тиристора, расположенные диагонально, т.е. на VS1 и VS2 или на VS3 и VS4.

Необходимо отметить, что в однофазных мостовых выпрямителях, проектируемых для работы на чисто активную нагрузку, нет необходимости в использовании четырех тиристоров. Достаточно, например, двух управляемых, включенных в катодную группу, и двух неуправляемых вентилей, включенных в анодную группу. Это позволяет снизить стоимость выпрямителя и упростить его схему (за счет существенного упрощения системы управления). При этом процессы в выпрямителе, основные расчетные соотношения и возможность регулирования будут точно такими же, как в выпрямителе с четырьмя управляемыми вентилями.

Выведем выражение для среднего значения выпрямленного напряжения однофазного управляемого выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку.

Нетрудно установить, что предельный угол регулирования, при котором напряжение на нагрузки становится равным нулю, назовем его углом запирания, α_зап.=180 0 _.. Формула (34) по сути является регулировочной характеристикой однофазного управляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, при работе на чисто активную нагрузку. Максимальное значение обратного напряжения на тиристорах, как и в случае работы схемы на неуправляемых вентилях, равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора (смотри формулу (28)). Максимальное значение прямого напряжения на тиристоре зависит от угла регулирования

Отметим, что при активной нагрузке на интервале времени 0≤ωt≤α не открыт ни один тиристор силовой схемы выпрямителя и напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к двум последовательно соединенным тиристорам. Таким образом, к каждому из тиристоров прикладывается только половина напряжения вторичной обмотки трансформатора, что и учтено в формуле (35). Величина действующего значения тока первичной обмотки трансформатора определяется по той же формуле, что и для случая работы неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку, формула (30).

Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 8,а разомкнуть ключ S и подать импульсы управления на тиристоры. Рассмотрим влияние характера нагрузки на работу управляемого выпрямителя. Как было указано выше, на рисунке 8,б приведена кривая выпрямленного напряжения на нагрузке при активно-индуктивном характере нагрузки, а на рисунке 8,в — при чисто активном характере нагрузки. Из рисунка 8,б следует, что при активно-индуктивном характере нагрузки каждая пара вентилей проводит ток на интервале времени длительностью λ_т=π независимо от величины угла регулирования α. При чисто активном характере нагрузки длительность ведения тока каждой парой вентилей зависит от величины угла регулирования α и изменяется от λ_т=π (при α=0 0 ) до λ_т=0 (при α=180 0 ). Включение дросселя с индуктивностью Ld вносит существенные изменения в работу выпрямителя, выполненного по любой схеме. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения вторичной обмотки u₂ тиристоры не закрываются (как это происходит при чисто активной нагрузке), а проводят ток в течение некоторого времени при отрицательном напряжении u_2. (при ωt>π, смотри рисунок 8,в). При достаточно большой величине индуктивности дросселя L_d длительность ведения тока вентилями достигает λ_т=π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt>π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции e_L=-Ldi/dt, противоположная по знаку напряжению и₂. Под воздействием этой ЭДС и происходит протекание тока нагрузки. Этот процесс происходит до тех пор, пока накопленная в индуктивности L_d энергия W_L=L_dI 2 /2 расходуется частично в активном сопротивлении R_d и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени e_L>u₂ и к анодам тиристоров VS1 и VS2 прикладывается положительный потенциал u_в=(e_L—u₂)>0.

Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя W_L=LI 2 /2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и ЭДС самоиндукции e_L=0, то к вентилям VS1 и VS2 прикладывается отрицательное напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂. Тиристоры VS1 и VS2 закрываются. При достаточно большой индуктивности дросселя L_d энергия дросселя не исчезает на всем интервале ведения тока вентилями λ_т=π и ток нагрузки имеет непрерывный характер. Характер процессов, протекающих в этой схеме выпрямления, в определенной мере иллюстрируется кривой выпрямленного напряжения, приведенной на рисунке 8,в. Как видно из этого рисунка ток через тиристоры (VS1 и VS2) не обрывается в момент прохождения фазного напряжения u₂ через ноль, как это имеет место при чисто активной нагрузке, а продолжает течь вплоть до момента коммутации тока на следующую пару тиристоров. В кривой выпрямленного напряжения при этом имеются участки положительного и отрицательного напряжения. Величина среднего значения выпрямленного напряжения при этом может быть определена по формуле (36).

Максимальное обратное напряжение на закрытом тиристоре определяется по формуле (28), а максимальное прямое напряжение на тиристоре зависит от угла регулирования α:

Кривые первичного и вторичного токов при активно-индуктивной нагрузке имеют прямоугольную форму, симметричную относительно оси абсцисс. Действующее значение вторичного тока равно: . (38)

А действующее значение первичного тока отличается от действующего значения вторичного тока в коэффициент трансформации раз:

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме двукратна по отношению к частоте напряжения питающей сети, т.е. f_п=2f_c.

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения и малой их частоте применяют в основном в электроустановках малой мощности, например, а также во вторичных источниках питания.

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы управляемого однофазного мостового выпрямителя.

2 Укажите требуемый диапазон изменения угла α для регулирования среднего значения напряжения на нагрузке от максимального значения до нуля:

— при чисто активной нагрузке;

-при активно-индуктивном характере нагрузки (L_d=∞).

3 Объясните физическую причину различия углов α_зап. при активной и активно-индуктивной нагрузке.