Что такое пульсация выпрямленного напряжения
Перейти к содержимому

Что такое пульсация выпрямленного напряжения

  • автор:

2.4.3. Выпрямители

Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменный токв постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

– по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);

– по виду выпрямительных элементов;

– неуправляемые и управляемые;

– по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);

Однофазные выпрямители. Наиболее простой однофазный выпрямитель осуществляет однополупериодное выпрямление (см. рис. 2.38а) [11], так как ток проходит через диод VD и нагрузку Rн только при наличии на аноде диода положительного потенциала. При этом напряжение на выходе, как и в других случаях, не является строго постоянным. Эта схема дает наибольший коэффициент пульсации kп = 1,57. Постоянная составляющая напряжение на нагрузке U0 = 0,45 U2.

В однофазном двухполупериодном выпрямителе на трансформаторе с выводом средней точки (рис. 2.38б) в первый полупериод под действием напряжения ток проходит через диод, а во второй полупериод под действием напряжения– через диод. При этом как в первый, так и во второй полупериоды ток через нагрузкуRн проходит в одном и том же направлении.

Рис. 2.38. Схемы и временные диаграммы однофазных

В однофазном мостовом выпрямителе (рис. 2.40в) в одну половину периода ток проходит через диод, нагрузкуRн и диод , а в другую половину периода – через диод, нагрузкуRн и диод . Выходное напряжение оказывается сформированным из полуволн одного знака, следующих без разрыва друг за другом. Постоянная составляющая в обоих однофазных двухполупериодных выпрямителяU0 = 0,9 U2 , коэффициент пульсации kп = 0,66. Частота пульсаций в однополупериодном выпрямителе соответствует частоте питающей сети, а в двухполупериодном выпрямителе она в два раза больше.

Пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются, а частота их возрастает при многофазном выпрямлении.

Однофазные управляемые выпрямители. Для примера рассмотрим однофазный управляемый двухполупериодный выпрямитель (рис. 2.39), выполненный на тиристорах по схеме с выводом средней точки трансформатора. Он содержит трансформатор напряжения с двумя одинаковыми секциями вторичной обмотки, два тиристора и. Нагрузкой выпрямителя является резистор.

Рис. 2.39. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы напряжений (рис. 2.40). В интервале углов от 0 до напряжениеположительно. Ток нагрузки=проходит по цепи (см. рис. 2.39: вывод 1 трансформатора –– вывод 3) с момента включения тиристора, оцениваемого углом включения(см. рис. 2.40г), так как в его цепи управления появляется ток > 0. Тиристорбудет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.

В интервале углов от до 2напряжениеотрицательно. Ток нагрузки=проходит по цепи (вывод 2 трансформатора –– вывод 3) с момента включения тиристора, так как в его цепи управления появляется ток> 0. Тиристорбудет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.

Рис. 2.40. Временные диаграммы напряжений на нагрузке

и между катодом и анодом одного из тиристоров

Временная диаграмма напряжения на нагрузке (рис. 2.40г) поясняет работу силовой части двухполупериодного выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и угле управления = 45 о .

При изменении угла будет изменяться время работы тиристоров и величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого определяется выражением:

,

где– напряжение холостого хода выпрямителя при= 0.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в цепи нагрузки от угла управления называется регулировочной характеристикой. На рис. 2.41 приведена регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки.

Рис. 2.41. Регулировочная характеристика управляемого

выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку

При увеличении тока нагрузки среднее значение выпрямленного напряжениябудет уменьшаться из-за увеличения падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре. Зависимостьназываетсявнешней характеристикой управляемого выпрямителя. Так как потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления, внешние характеристики управляемого выпрямителя при различных углах имеют постоянный наклон (рис. 2.42).

Рис. 2.42. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя

Трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 2.43а.

Рис. 2.43. Схемы и временные диаграммы трехфазных

Принцип его работы заключается в том, что каждую треть периода ток проводит тот из диодов, который в данный момент времени имеет наибольшее положительное напряжение. На двух других диодах результирующее напряжение оказывается обратным и они не могут проводить ток. Так как фазы с наибольшим положительным напряжением последовательно сменяются, соответственно сменяются и открытые диоды. Такое самопроизвольное переключение диодов называют естественной коммутацией. В результате диоды ,,последовательно открываются и закрываются, поочередно подключая к нагрузкеRн фазные обмотки с фазными напряжениями . Выходное напряжение соответствует на диаграмме огибающей входных фазных напряжений. В таком выпрямителе коэффициент пульсацииkп = 0,25, частота пульсаций в три раза превышает частоту питающей сети, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 = 1,17 U2ф.

Меньшую пульсацию дает трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.43б). В нем, как и в однофазном мостовом выпрямителе, в каждый момент времени ток через нагрузку Rн пропускает пара диодов (один из верхней группы – ,,и один из нижней группы –,,), причем та пара, на которую действует наибольшее линейное напряжение (положительное или отрицательное). Через каждуюпериода пары сменяются в результате естественной коммутации диодов (вентилей) и напряжение на выходе формируются из отрезков полуволн линейных напряжений, как показано на диаграмме. Коэффициент пульсацииkп 0,05, постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 = 2,34 U2ф.

Однофазные выпрямители применяются чаще всего в качестве маломощных источников постоянного тока. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя располагают электрические фильтры (емкостные C, индуктивные L или более сложные Г – образные и П – образные, состоящие из L и C).

Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузок большой мощности. При необходимости дополнительного сглаживания пульсаций в мощных выпрямителях применяют катушки индуктивности, включаемые последовательно с нагрузкой [11].

Пульсации выпрямленного напряжения

Рассмотренные схемы выпрямителей давали возможность получить на нагрузке выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Недопустимо большие пульсации напряжения нарушают нормальный режим работы электронной аппаратуры создают фон на ее выходе, вызывают искажения сигналов, приводят к неустойчивости работы электронного устройства в целом. Поэтому для устранения пульсации выпрямленного напряжения в схему выпрямителя на его выходе включают сглаживающие фильтры .

Прежде чем познакомиться с практическими схемами фильтрации, рассмотрим физические процессы в схеме двухполупериодного выпрямителя для случая, когда последовательно с сопротивлением нагрузки включен дроссель L ( рис. 117, а ), т. е. когда выпрямитель нагружен на индуктивное и активное сопротивления.

Напряжение U R н L , приложенное к цепи R н — L, имеет форму положительных синусоидальных полуволн; форма же тока, протекающего через нагрузку, отличается от формы выпрямленного напряжения. При увеличении напряжения U R н L в индуктивности L возникает э. д. с. самоиндукции e L , которая противодействует увеличению тока.

Она направлена навстречу возрастающему напряжению U R н L и поэтому на графике показана с обратной полярностью.

Рис. 117. Работа двухполупериодного выпрямителя: а —на индуктивность и активное сопротивление; б — на емкость и активное сопротивление.

Как только ток первого вентиля В 1 перестанет возрастать (достигает максимума), э. д. с. самоиндукции становится равной нулю. В следующую часть периода, когда полярность ее изменится, она будет препятствовать уменьшению тока в цепи R н — L, поэтому ток прекращается не в момент а позже, в момент времени t’. В момент времени t’ открывается также вентиль В 2 и ток в нагрузке складывается из возрастающего тока вентиля В 2 и уменьшающегося тока вентиля В 1 , поддерживаемого э. д. с. самоиндукции (последний замыкается теперь через вентиль В 2 , так как вентиль В 1 заперт).

Среднее значение выпрямленного тока уже незначительно отличается от максимального тока через вентиль, причем это отличие будет тем меньше, чем больше индуктивность L. Одновременно уменьшаются и пульсации выпрямленного напряжения . Так, при ωL, — (5÷8) R н пульсации напряжения на нагрузке не превышают 20%.

Обратное напряжение на вентиле равно сумме э. д. с. е II и напряжения на входе цепи R н —L:

U обр.макс 2Е mII ≈πU cр .

В общем случае среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке равно

U ср = U ср.х.х — I ср (R i + r II + r др ),

где U ср.х.х — напряжение на выходе выпрямителя при отключенной нагрузке в режиме холостого хода; I ср (R i + r II + r др ) — напряжение потерь на актив-пых сопротивлениях элементов схемы.

Из последнего равенства следует, что с увеличением тока через нагрузку (при уменьшении R н ) увеличивается наклон внешней характеристики. Однако этот наклон не зависит от индуктивности дросселя, поэтому в выпрямителе с индуктивной нагрузкой целесообразно применять вентили с малым внутренним сопротивлением R i (селеновые или ионные вентили).

На рис. 117, б приведены двухполупериодная схема выпрямителя, нагруженного на параллельно подключенные конденсатор С и сопротивление R н , а также графики, поясняющие работу этой схемы.

Конденсатор дважды за каждый период подзаряжается до напряжения U C.макс поочередно через вентиль В 1 и вентиль В 2 . Когда напряжение на соответствующей половине вторичной обмотки трансформатора становится выше напряжения U С на конденсаторе, он. подзаряжается в промежутки времени t 1 — t 2 , t 3 — t 4 и разряжается на нагрузку в промежутки времени t 2 —t 3 , t 4 — t 5 . При этом ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в конденсаторе. Вентили в это время заперты. Чем больше сопротивление нагрузки, тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше изменяется (меньше пульсирует) напряжение на нагрузке.

Среднее значение выпрямленного напряжения примерно равно амплитуде напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора: обратное напряжение в 2 раза больше (≈2Е mII ), коэффициент пульсации не превышает 15% при С≈8÷10 мкф.

Следует заметить, что ток в нагрузке протекает в течение всего полупериода, в то время как ток через вентиль проходит только лишь часть полупериода, причем максимальное значение этого тока в 3—4 раза больше среднего значения выпрямленного. Поэтому если необходимо получить от выпрямителя ток в 100 ма, то допустимый максимальный ток вентиля должен быть не менее 300 ма.

Наклон внешней характеристики зависит не только от величины внутреннего сопротивления вентиля и вторичной обмотки трансформатора, но и от постоянных времени заряда и разряда конденсатора:

t зар ≈ С(R i +r’ II ); t разр = CR н

Величина выпрямленного напряжения резко зависит от величины тока нагрузки. При R н = ∞, т. е., когда I ср = 0, напряжение на емкости максимально; при уменьшении R н напряжение U ср падает.

Выпрямитель, работающий на емкость, можно рассматривать как источник с большим внутренним сопротивлением. В момент включения схемы имеет место бросок тока, происходит первоначальный заряд конденсатора С, ток в цепи ограничивается только внутренним сопротивлением вентилей, поэтому возникает опасность выхода одного из них из строя.

Лекция 4. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Работа выпрямителей на активно-ёмкостную нагрузку. Схемы с умножением напряжения

Как было отмечено в лекции 3, выходное напряжение выпрямителя представляет собой пульсирующую величину, изменяющуюся от 0 до U2m. Частота пульсаций выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы равна частоте питающей сети (50 Гц), а для двухполупериодной и мостовой – удвоенной частоте (100 Гц).

В табл. 3.1 в последнем столбце приведено значение коэффициента пульсации КП(1). Коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя к его среднему значениюUd. Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники выходного напряжения (50 Гц)

, (4.1)

а для двухполупериодной и мостовой (100 Гц)

. (4.2)

Среднее значение выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы Ud = 0,45U2, а для двухполупериодной и мостовой Ud = 0,9U2. Тогда коэффициент пульсаций:

для однополупериодной схемы ;

для двухполупериодной и мостовой .

Такие коэффициенты пульсации являются слишком большими для радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в системах управления движением поездов и электроснабжением. Поэтому в схемах источников питания после выпрямителя устанавливается сглаживающий фильтр.

4.2. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, который требуется для нормальной работы потребителя. Сглаживающее действие фильтра обычно оценивается по величине коэффициента сглаживания.

Коэффициентом сглаживания фильтра по гармонике пульсаций qпринято считать отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра (выходе выпрямителя)KП(q)к коэффициенту пульсаций на его выходе (в нагрузке)KП(q)для той же гармоникиq:

. (4.3)

Обычно коэффициенты пульсаций определяются по основной гармонике, поэтому коэффициент сглаживания оценивают также по низшей гармонике пульсаций выпрямленного напряжения (в нашем случае 50 Гц для однополупериодной схемы и 100 Гц для двухполупериодной и мостовой).

Сглаживающие фильтры в зависимости от элементов, из которых они выполнены, делятся на две категории: фильтры с пассивными LC-элементами и электронные. Рассмотрим фильтры с пассивными элементами – дросселемLдри конденсаторомСф, схемы которых представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Сглаживающие фильтры с пассивными элементами:

а – индуктивный, б – ёмкостный

При расчете фильтра на его входе обычно учитывают только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и основную гармонику пульсаций с амплитудой U(1)m, так как амплитуды высших гармоник с увеличением номера гармоники резко уменьшаются. В результате выпрямитель по отношению к фильтру может быть заменен двумя генераторами с постоянной ЭДСUср=constи синусоидальной ЭДС, имеющей амплитудуU(1)mи частоту, зависящую от схемы выпрямителя.

Расчёт индуктивного фильтра сводится к определению необходимой величины Lдр. Под воздействием синусоидальной ЭДС с амплитудойU(1)mв нагрузке возникает напряжение с амплитудой

. (4.4)

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна среднему значению напряжения на выходе выпрямителя, поэтому коэффициент сглаживания фильтра

,

откуда индуктивность дросселя фильтра

. (4.5)

Учитывая, что коэффициент сглаживания, выраженный через коэффициент пульсаций на входе и выходе фильтра, определяется из формулы (4.3), а также пренебрегая единицей в формуле (4.5), получим

.

Чем больше индуктивность дросселя, тем сильнее будут ослаблены пульсации. Индуктивный фильтр обычно применяется при больших токах нагрузки. Более подробные сведения о работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку можно причитать в [1, 11, 14].

Для маломощных потребителей простейшим фильтром является конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке (рис. 4.1, б). Рассмотрим работу выпрямителя на активно-ёмкостную нагрузку более подробно.

Пульсации выпрямленного напряжения

Как было отмечено в лекции 3, выходное напряжение выпрямителя представляет собой пульсирующую величину, изменяющуюся от 0 до U 2m. Частота пульсаций выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы равна частоте питающей сети (50 Гц), а для двухполупериодной и мостовой – удвоенной частоте (100 Гц).

В табл. 3.1 в последнем столбце приведено значение коэффициента пульсации КП(1). Коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя к его среднему значению U d. Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники выходного напряжения (50 Гц)

а для двухполупериодной и мостовой (100 Гц)

Среднее значение выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы U d = 0,45× U 2, а для двухполупериодной и мостовой U d = 0,9× U 2. Тогда коэффициент пульсаций:

для однополупериодной схемы ;

для двухполупериодной и мостовой .

Такие коэффициенты пульсации являются слишком большими для радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в системах управления движением поездов и электроснабжением. Поэтому в схемах источников питания после выпрямителя устанавливается сглаживающий фильтр.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *