Практические схемы выпрямителей; двухфазные схемы

Практические схемы выпрямителей (часть 2). II. Двухфазные схемы выпрямителей. Двухфазные схемы выпрямителей по сравнению с однофазными имеют более высокую частоту пульсаций и меньшую их величину, что позволяет значительно проще обеспечить хорошую фильтрацию выпрямленного напряжения. Этим объясняется их широкое применение во вторичных источниках электропитания радиоэлектронных устройств. Наибольшее распространение получили основная двухфазная и мостовая схемы выпрямителей. 1. Основная двухфазная схема выпрямителя (схема со средней точкой). Основная двухфазная схема с нагрузкой, начинающейся с емкости, представлена на рис. х.27а, а эпюры, поясняющие процессы в ней, показаны на рис. х.28. i1 Т iв1 VD1 e1 C i1 Т iв1 + e21 L VD1 Rн e2 u0 e1 C e21 + Rн u0 e22 2 VD2 VD2 iв2 iв2 Рис. х.27 х.27а Рис. х.27 х.27б Двухфазное выпрямление в этой схеме обеспечивается за счет вывода от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Схема основная, так как число выпрямляемых фаз совпадает с числом вторичных обмоток трансформатора и числом вентилей. Вентиль VD1 открывается при положительном полупериоде выпрямляемого напряжения, а вентиль VD 2 — при отрицательном. При работе выпрямителя на нагрузку, начинающуюся с ёмкости (рис. х.27а), емкость C заряжается два раза за период, выпрямленное напряжение 𝑢0 на ней имеет пилообразную форму с основной частотой, в два раза большей частоты сети. Токи 𝑖В1 и 𝑖В2 вентилей (рис. х.28) имеют вид косинусоидальных импульсов, с шириной по основанию 2 . Во вторичной обмотке трансформатора они протекают каждый по своей половине в разных направлениях. Благодаря этому вынужденное намагничивание трансформатора не возникает. Эти токи, трансформируясь в первичную обмотку, создают в ней импульсы противоположной полярности. Поэтому рабочая составляющая тока первичной обмотки совпадает по форме с разностью токов 𝑖В1 − 𝑖В2 (рис. х.28), а по величине отличается в коэффициент трансформации n раз. 𝑖1р = 𝑛(𝑖В1 − 𝑖В2 ). Габаритная мощность трансформатора в этом случае будет: 𝑉𝐴тр = 0,5(𝐼1 𝐸1 + 2𝐼в 𝐸2 ) ≈ 2𝑃0 . То есть, использование трансформатора ненамного лучше, чем в основной однофазной схеме (2,2𝑃0 ). e21 e2 Максимальное обратное напряжение на вентиле: e22 u0 𝑈обр.𝑚 = 2𝐸2𝑚 ≈ 2,65𝑈0 , как и основной однофазной схеме. ωt При работе выпрямителя на нагрузку, начинающуюся с индуктивности (рис. х.27б), выпрямленное iв1 напряжение является огибающей положительных знаωt iв2 чений э.д.с. всех выпрямляемых фаз (рис. х.29). Токи вентилей и обмоток трансформатора по форме близки к прямоугольным. ωt i2 Габаритная мощность трансформатора 𝑉𝐴тр ≈ 1,34𝑃0 . Максимальное обратное напряжение на венωt i1р тиле: 𝑈обр.𝑚 = 2𝐸2𝑚 ≈ 3,14𝑈0 . Использование трансформатора в этой схеме зна- ωt Рис. х.29 чительно лучше, что объясняется включением дросселя фильтра последовательно в фазу. Он, обладая большим сопротивлением для переменных составляющих, значительно уменьшает амплитуду реактивных токов в фазе. Это ведет к уменьшению габаритной мощности трансформатора 𝑃габ . Главный недостаток основной двухфазной схемы выпрямителя заключается в необходимости симметрировать вторичные обмотки трансформатора. При их асимметрии в выпрямленном напряжении возникают составляющие пульсаций с частотой выпрямляемой сети, и двухфазная схема лишается своего основного достоинства – повышенной частоты пульсаций. Кроме того появляется постоянная составляющая тока во вторичной обмотке трансформатора, что ведет к вынужденному подмагничиванию его магнитопровода и увеличению 𝑃габ . Преимуществом основной двухфазной схемы является: 1. малый уровень пульсаций при удвоенной их частоте. Недостатки: 1. сложный трансформатор (наличие вывода от средней точки); 2. плохое использование трансформатора; 3. большое обратное напряжение на вентиле. 2. Мостовая схема выпрямителя. Мостовая схема выпрямителя с нагрузкой, начинающейся с емкости, представлена на рис. х.30а, а на рис. х.30б показана схема с нагрузкой, начинающейся с индуктивности. i1 Т i21 VD1 e1 i1 VD3 i21 VD1 e1 e2 C VD2 Т VD4 i22 Рис. х.27 х.30а VD3 + C Rн VD2 u0 i22 u0 L e2 VD4 + Rн Рис. х.27 х.30б В этих схемах двухфазное выпрямление обеспечивается за счет включения четырех вентилей по схеме электрического моста. Фактически, мост поочередно подключает нагрузку к вторичной обмотке трансформатора так, что и при положительном, и при отрицательном полупериоде её э.д.с., выпрямленный ток течет через нагрузку в одном и том же направлении, осуществляя подзарядку ёмкости фильтра дважды за период. При положительной полуволне 𝑒2 ток течет через вентили 𝑉𝐷3, 𝑉𝐷2 , а при отрицательной – через 𝑉𝐷4, 𝑉𝐷1. Если наложить на эпюру э.д.с. 𝑒2 противофазную ей (виртуальную) э.д.с. −𝑒2 (рис. х.31), то все эпюры для рассматриваемых схем будут такими же, как и для основной e2 двухфазной схемы (рис. х.28, рис. х.29). u0 -e2 Для мостовой схемы выпрямителя с нагрузкой, начиωt Рис. х.31 нающейся с емкости, 𝑃габ ≅ 1,66𝑃0 , а 𝑈обр 𝑚 ≅ 1,33𝑈0 . В случае выпрямителя с нагрузкой, начинающейся с индуктивности, 𝑃габ ≅ 1,1𝑃0 , а 𝑈обр 𝑚 ≅ 1,57𝑈0 . Действующее значения тока вторичной обмотки 𝐼2 = √2𝐼в , так как токи двух пар вентилей протекают по одной и той же вторичной обмотке трансформатора в противоположенных направлениях со сдвигом на половину периода. К основным достоинствам мостовой схемы выпрямителя, кроме общих для всех двухфазных схем, относятся: 1. малое обратное напряжение на вентиле; 2. простой трансформатор; 3. Хорошее использование трансформатора. Недостатки: 1. большое число вентилей и связанное с этим; 2. повышенное выходное сопротивление (𝑟 = 𝑟тр + 2𝑟в); 3. повышенные потери на вентилях (2𝐸пор ). Несмотря на указанные недостатки, мостовая схема выпрямителя обладает наилучшими технико-эксплуатационными показателями и широко применяется на практике. III. Трехфазные схемы выпрямителей. Основные трехфазные схемы выпрямления, работу которых мы рассмотрели ранее (при анализе процессов в схемах выпрямителей с разными видами нагрузки) имеют неплохие показатели. Однако они имеют относительно сложный трансформатор. Применяются такие схемы при средних и больших выходных мощностях (𝑃0 > 1 кВт) и невысоких требованиях к пульсациям. Трехфазные схемы отличаются друг от друга способом соединения обмоток трансформатора. Существует два варианта основной схемы, в которых первичная обмотка соединена треугольником или звездой (рис. х.32а,б). Для устранения вынужденного подмагничивания трансформатора вторичная обмотка может соединяться зигзагом (рис. х.33). RН C C L RН L Рис. х.32а Рис. х.32б При значительных мощностях выгоднее работать на нагрузку, начинающуюся с индуктивности. Вместе с тем, возможно применение и нагрузки, начинающейся с ёмкости. При высоких требованиях к пульсациям применяются и более сложные трехфазные схемы выпрямителей. Одной из таких схем является схема Ларионова (рис х.34), получившая широкое распространение из-за очень хороших показателей. Схема Ларионова стро- 1 2 1 3 1 RН 4 1 Рис. х.33 i23 L e0 C i22 e02 i21 L e01 ится на трехфазном трансформаторе и содержит шесть вентилей. 5 1 6 1 Рис. х.34 C RН Вентили 1, 2, и 3 образуют один трехфазный выпрямитель с выходным напряжением, 𝑒01 , являющимся огибающей положительных значений э.д.с. всех трех фаз (рис. х.35). Вентили 4, 5, и 6 образуют второй трехфазный выпрямитель, построенный на тех же вторичных обмотках трансформатора и создающий выпрямленное напряжение 𝑒02 . Это напряжение является огибающей отрицательных значений э.д.с. всех фаз, так как вторая группа вентилей подсоединена к обмоткам катодами, а не анодами. Эти два выпрямителя имеют общую точку (общая точка вторичных обмоток) и, таким образом, соединены по- следовательно. Их общее выходное напряжение 𝑒0 = 𝑒01 + 𝑒02 . На выходе складываются только постоянные составляющие и чётные гармоники пульсаций. Нечётные гармоники в двух выпрямителях получаются противофазными и при сложении компенсируются. Поэтому схема Ларионова имеет на выходе шестифазные пульсации. В каждой фазе обмотки токи двух выпрямителей не перекрываются во времени, так как сдвинуты по фазе на угол, равный 𝜋. e21 e2 Ток вторичных обмоток не содержит посто- e01 e22 e23 янной составляющей, поэтому в схеме Ларионова 2𝜋 𝜋 e02 ωt нет вынужденного подмагничивания, а токи первичной обмотки повторяют по форме соответствующие им токи вторичной обмотки. e0 Габаритная мощность трансформатора для схемы Ларионова составляет: ωt i21 𝑉𝐴тр = 3𝐼2 𝐸2 = 3 ∙ 0,815 ∙ 𝐸0 ∙ 0,427 ∙ 𝐼0 = 1,05𝑃0 , что соответствует наилучшему использованию ωt трансформатора из всех схем. Так как в схеме Ларионова происходит i22 ωt удвоение напряжения, то обратное напряжение на вентиль получается относительно малым: i23 𝐸обр 𝑚 = 1,05𝐸0 . ωt Выпрямители по схеме Ларионова могут использоваться и в бестрансформаторном варианте, i11 ωt Рис. х.35 т.е. с нагрузкой, начинающейся с ёмкости [1]. Шестифазные схемы выпрямителей по сравнению со схемой Ларионова имеют лишь одни недостатки. Поэтому их применяют в настоящее время довольно редко.