Содержание материала

Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры
В устройствах автоматики и телемеханики применяют следующие схемы выпрямления переменного тока: однофазную однополупериодную; однофазную двухполупериодную (схему Миткевич а); однофазную мостовую; трехфазную однополупериодную; трехфазную мостовую (схему Ларионова).
Схемы выпрямления однофазного тока используют при небольших мощностях выпрямительных устройств (примерно до 1 кВт). Они дают неравномерную нагрузку на сеть трехфазного переменного тока и требуют дорогостоящих фильтров.
Схемы выпрямления трехфазного тока применяют при мощностях более 1 кВт. В этом случае выпрямительные устройства равномерно нагружают трехфазную сеть и не требуется громоздких и дорогостоящих фильтров. Для того чтобы рассчитать выпрямительное устройство, необходимо знать параметры всех его элементов. Заданными всегда являются параметры нагрузки: среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая) U0; среднее значение выпрямленного тока; допустимый коэффициент пульсации.
Пульсирующее напряжение можно представить как сумму некоторого постоянного напряжения и ряда переменных напряжений (гармоник). Последние представляют собой синусоидальные величины различной амплитуды и частоты, имеющие в общем случае различные начальные фазовые углы. Из переменных составляющих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду всегда имеет составляющая наименьшей (основной) частоты.
Отношение амплитуды основной гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U0 называют коэффициентом пульсации, т. е. Кп =Umax|U0.   Чем меньше коэффициент пульсации, тем больше форма выпрямленного напряжения приближается к прямой линии. Для каждого потребителя указывается допустимое значение коэффициента пульсации.
По известным параметрам нагрузки, а также по напряжению U1 и частоте сети  для каждой схемы можно определить параметры вентилей и трансформатора. Параметрами вентиля являются максимальные значения прямого тока, обратного напряжения и рабочей температуры. По этим параметрам подбирают подходящий тип вентиля.
Площадь поперечного сечения проводов, число витков обмоток и размеры сердечника трансформатора рассчитывают по его параметрам. К этим параметрам относятся действующие значения напряжения U2 вторичной обмотки и токов  соответственно первичной и вторичной обмоток, а также расчетная (типовая) мощность трансформатора. Расчетная мощность Рт всегда больше мощности выпрямленного тока Р0 = U0I0. Отношение Р0|РТ=Кт называют коэффициентом использования трансформатора. Чем больше Кт, тем лучше используются обмотки трансформатора и тем меньше его размеры и масса.
Основные соотношения между электрическими величинами в схеме выпрямления с идеальными вентилями при активной нагрузке приведены в табл. 14.


* Для трехфазных схем выпрямления Ua — фазное напряжение вторичной обмотки.

Однофазная однополупериодная схема при работе на активную нагрузку. Первичную обмотку трансформатора Т (рис. 226, а) включают в сеть переменного тока, а к вторичной обмотке через вентиль V подключают нагрузку с активным сопротивлением г. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение, то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает переменное напряжение (рис. 226, б).
Допустим, что при положительном полупериоде напряжения точка а имеет положительный потенциал относительно точки б. Сопротивление вентиля за этот полупериод можно принять равным нулю, поэтому через вентиль и нагрузку пройдет ток i2 = iB = i0. Выпрямленное напряжение u0 за этот полупериод будет равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора.
За отрицательный полупериод, когда в точках а и б изменится полярность, сопротивление вентиля можно будет принять равным бесконечности, а обратный ток — нулю. Таким образом, ток во вторичной цепи будет проходить только за положительный полупериод напряжения. На рис. 226, в приведены кривые выпрямленных токов и напряжения и0 — i0r при активной нагрузке.

Достоинством однофазной однополупериодной схемы является ее простота. К недостаткам схемы относятся большая величина и низкая частота пульсации, вследствие чего увеличиваются размеры и стоимость фильтров. Из-за плохого использования трансформатора (коэффициент использования трансформатора Кт =0,324) увеличиваются его размеры и стоимость. На вентиле большое обратное напряжение: Uoбр = 3,14U0. Через вентиль проходит большой максимальный прямой ток: Iвmах = 3,14I0. Намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока (вынужденное намагничивание сердечника) приводит к увеличению тока первичной обмотки и, следовательно, увеличивает площадь поперечного сечения провода первичной обмотки и размеры трансформатора.
Из-за перечисленных недостатков однофазную однополупериодную схему применяют только в маломощных выпрямительных устройствах, где плохое использование трансформатора оправдывается экономией, полученной от применения в схеме одного вентиля.
Однофазная двухполупериодная схема при работе на активную нагрузку. В данной схеме выпрямления (рис. 227, а) используют трансформатор Т, вторичная обмотка которого имеет нулевой вывод О (средняя точка). Поэтому эту схему часто называют схемой со средней точкой. Аноды вентилей VI и V2 подключены к концам а и б вторичной обмотки. Между общей точкой К катодов вентилей и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включена нагрузка г.
Синусоидальные напряжения вторичной обмотки трансформатора всегда равны, но сдвинуты по фазе на 180° (рис. 227, б).

Рис. 226. Однофазная однополупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы токов и напряжений в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (б и в)

В первый полупериод, когда в точке а положительный потенциал, а в точке б — отрицательный, ток i0 проходит от точки а через вентиль VI и сопротивление r к точке 0. На вентиле V2 в это время обратное напряжение.

Рис. 227. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы напряжений и токов в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления (б, виг)

Во второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток i0 будет проходить от точки б через вентиль V2 и сопротивление r к точке 0. К вентилю VI в это время подводится обратное напряжение. Таким образом, за оба полу периода переменного напряжения по активному сопротивлению нагрузки г проходит ток в одном и том же направлении.
На рис. 227, в изображены кривые выпрямленного тока ι0 и напряжения и0 = i0r. Общая точка К катодов вентилей для нагрузки является положительным полюсом, а средняя точка трансформатора — отрицательным полюсом.
В отличие от однофазной однополупериодной схемы в двухполупериодной схеме выпрямления по вторичной обмотке трансформатора Т ток проходит в течение обоих полупериодов. При этом токи полуобмоток имеют противоположное направление. Следовательно, постоянная составляющая одного тока уравновешивает постоянную составляющую другого тока и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует. В результате этого по первичной обмотке трансформатора проходит синусоидальный ток i1 (рис. 227, г).
Основные соотношения для однофазной двухполупериодной схемы с идеальными вентилями, работающей на активную нагрузку, приведены в табл. 14.
В однофазной двухполупериодной схеме по сравнению с однополупериодной схемой размеры и масса трансформатора значительно уменьшаются вследствие лучшего использования трансформатора и отсутствия вынужденного намагничивания; амплитудное значение тока через вентиль уменьшается в 2 раза; уменьшаются размеры и масса сглаживающего фильтра вследствие увеличения частоты основной гармоники и уменьшения коэффициента пульсации. Обе схемы имеют одинаковое максимальное обратное напряжение на вентиле.
Однофазную двухполупериодную схему применяют в выпрямительных устройствах малой мощности для электропитания усилителей, радиоприемников и т. д.