Поделиться Поделиться

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

СИСТЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения.

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители классифицируются:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз;

по схеме выпрямления;

по способу регулирования выходного напряжения.

По мощности выпрямители делятся на: маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт, мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В, высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

с одним вентилем (однофазные однополупериодные);

со средней точкой (однофазные двухполупериодные и трехфазные);

мостовые (однофазные двухполупериодные и трехфазные).

По способу регулирования выходного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Управляемые выпрямители должны быть собраны на управляемых вентилях, например, тиристорах. Наиболее распространенным способом регулирования напряжения или тока на выходе управляемого выпрямителя является непосредственное воздействие на вентильные элементы.

На тепловозах применяются в основном мостовые схемы выпрямления, поэтому принцип работы схем выпрямления со средней точкой здесь не рассматриваются, а их сравнительные характеристики приведены в таблице 3.1.

СИСТЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения.

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители классифицируются:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз;

по схеме выпрямления;

по способу регулирования выходного напряжения.

По мощности выпрямители делятся на: маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт, мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В, высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

с одним вентилем (однофазные однополупериодные);

со средней точкой (однофазные двухполупериодные и трехфазные);

мостовые (однофазные двухполупериодные и трехфазные).

По способу регулирования выходного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Управляемые выпрямители должны быть собраны на управляемых вентилях, например, тиристорах. Наиболее распространенным способом регулирования напряжения или тока на выходе управляемого выпрямителя является непосредственное воздействие на вентильные элементы.

На тепловозах применяются в основном мостовые схемы выпрямления, поэтому принцип работы схем выпрямления со средней точкой здесь не рассматриваются, а их сравнительные характеристики приведены в таблице 3.1.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Неуправляемая однополупериодная схема выпрямления состоит из источника переменного напряжения (например, однофазного трансформатора Тр), диода В и нагрузки. Рассмотрим простейший случай работы схемы на активную нагрузку – резистор Rd (рис. 3.1, а).

На вторичной обмотке трансформатора Тр формируется синусоидальное напряжение

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  1 ,

где Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  2 и Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  3 - амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.1, б);

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  4 - угловая частота напряжения источника, Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  5 и Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  6 - частота и период напряжения источника.

В соответствии со II законом Кирхгофа для цепи нагрузки можно записать:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  7 , (3.1)

где Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  8 - падение напряжения на диоде; Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  9 - выпрямленный ток в нагрузке, Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  10 - сопротивление диода.

Когда к диоду приложено прямое напряжение Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  11 ,диод открывается и во вторичной цепи протекает ток Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  12 . В проводящем состоянии диод имеет очень малое сопротивление Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  13 , поэтому для проводящего состояния цепи Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  14 , и напряжение источника будет приложено к нагрузке:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  15 ,

а ток через нагрузку определится как

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  16 . (3.2)

Диод будет находиться в проводящем состоянии, пока проходящий через него ток Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  12 не снизится до нуля. При активной нагрузке (когда ток и напряжение совпадают по фазе), диод закроется, когда напряжение поменяет полярность и станет Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  18 . В этом случае Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  19 , и в соответствии с (3.1)

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  20 ,

т.е. все напряжение источника будет приложено к диоду в обратном направлении - обратное напряжение на диоде.

Таким образом, в соответствии с (3.1) напряжение источника с действующим значением Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  3 в течение положительного полупериода будет приложено к нагрузке Rd, а в течение отрицательного полупериода – к диоду В в обратном направлении.

В результате через нагрузку будет протекать постоянный пульсирующий ток Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  12 (ток и напряжение считаются постоянными, если они не меняют направления) (рис. 3.1, в). Максимальное значение выпрямленного напряжения на Rd будет равно амплитудному значению фазного напряжения вторичной обмотки Тр:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  23 .

Среднее значение выпрямленного напряжения представляет собой постоянную составляющую в напряжении Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  24 (см. § 3.7). Оно определяется путем деления площади кривой величины Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  24 на период повторяемости этой же величины. Для неуправляемой однополупериодной схемы выпрямления среднее значение выпрямленного напряжения на интервале периода Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  26 :

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  27 (3.3)

Значение Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  28 геометрически может быть представлено высотой прямоугольника с основанием равным периоду (косая штриховка), площадь которого численно равна площади, ограниченной кривой выпрямленного напряжения на периоде (прямая штриховка) (рис. 3.1 в).

Соответственно среднее значение выпрямленного тока в данной системе выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  29 (3.4)

где Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  30 - максимальное значение выпрямленного тока, которое в соответствии с (3.2) определится как

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  31 . (3.5)

С учетом (3.3) и (3.5) среднее значение выпрямленного тока:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  32 (3.6)

Для получения действующего значения выпрямленного тока IB нужно приравнять электрические потери, создаваемые этим током, потерям, создаваемым током Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  12 на периоде его повторяемости

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  34 ,

После интегрирования и с учетом (3.4) получим, что

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  35 .

В общем случае, мощность, выделяемая на нагрузке Rd, определяется мгновенными значениями тока и напряжения:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  36 (3.7)
или электрическими потерями на нагрузке действующего значения тока.

Учитывая что Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  37 , мощность на активной нагрузке выразится как:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  38 . (3.8)

В то же время, мощность постоянного тока системы выпрямления определяется произведением средних значений выпрямленных тока и напряжения и при активной нагрузке будет равно:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  39 .

Важно отметить, что значения Pd и P совпадают только в случае идеально сглаженного выпрямленного напряжения. Во всех других случаях Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  40 .

Для сравнения различных схем неуправляемых выпрямителей используют коэффициент схемы Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  41 , который определяется как отношение между средним значением выпрямленного напряжения Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  42 и действующим значением переменного напряжения на входе выпрямителя Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  43 :

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  44 . (3.9)

Однофазная однополупериодная схема выпрямления в соответствии с (3.3) имеет значение Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  45 .

Во всех схемах выпрямления для выбора вентильного элемента необходимо знать максимальное и среднее значения тока, протекающего через него, а также максимальное значение обратного напряжения Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  46 , определяющее его класс (см. § 1.6.1). В данной схеме выпрямления:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  47 .

Максимальное значение тока, проходящего по вентилю (максимальный анодный ток) в соответствии с (3.4):

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  48 .

Среднее значение тока вентиля (средний анодный ток) равно току нагрузки

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  49

Если вместо диода в схеме выпрямления установлен тиристор Т, неуправляемая схема выпрямления преобразуется в управляемую схему выпрямления (рис. 3.2, а). Характер процессов в такой схеме остается прежним, с той лишь разницей, что ток в нагрузку будет поступать с момента подачи управляющего импульса на тиристор - Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  50 (рис. 3.2, б). Закроется тиристор, как и диод, при снижении тока через него до нуля. Изменяя Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  50 ,можно регулировать значения выпрямленного напряжения на нагрузке (рис. 3.2, в).

При увеличении Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  50 время пропускания тока тиристором за полупериод сокращается, поэтому для однополуперионой управляемой схемы выпрямления среднее напряжение на нагрузке:

Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  53 ,

По значению Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  54 и зависимостям (3.4) и (3.7) можно вычислить значения Id, P и другие параметры режима работы схемы.

Очевидно, что значение Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  55 соответствует режиму работы неуправляемой схемы выпрямления.

Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы. Таким образом, исходными данными при расчете выпрямителя являются: выпрямленные значения напряжения Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  54 , тока Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  57 и мощность на нагрузке Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  58 .

При проведении анализа схем выпрямления необходимо учитывать, что на их работу оказывает существенное влияние характер нагрузки: активная, активно-индуктивная или активно-емкостная. Для большей части выпрямителей средней и большой мощности характерна активная и активно-индуктивная нагрузка (например, электродвигатель).

Поскольку энергетические показатели однополупериодной схемы выпрямления низкие ( Однофазная однополупериодная схема выпрямления - Инвестирование -  59 ), она распространения не имеет.

← Предыдущая страница | Следующая страница →