Однофазный выпрямитель со средней точкой

Лекция 11

Источники питания постоянного напряжения

Большая часть потребителей энергии требуют для питания постоянного напряжения. Источники питания преобразуют переменное напряжение промышленной сети в постоянное напряжение. Источники питания подразделяются:

- по функциональным возможностям на неуправляемые и управляемые источники;

- по структуре на источники с непосредственным преобразованием и с промежуточным преобразованием;

- по мощности на выпрямители малой, средней и большой мощности, хотя последнее разделение весьма условно.

Основными элементами источника питания с непосредственным преобразованием (рисунок 11.1,а) являются:

- трансформатор (Тр), который обеспечивает необходимое значение выпрямленного напряжения, а также служит гальванической развязкой между питающей сетью и нагрузкой;

- выпрямитель (В), с помощью которого обеспечивается однонаправленное протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение;

- сглаживающий фильтр (СФ) для уменьшения пульсаций напряжения питания;

- стабилизатор (Ст) обеспечивает постоянство выходного напряжения при изменении напряжения в питающей сети и мощности потребляемой нагрузкой.

Рисунок 11.1 - Структурные схемы источников питания: а – с непосредственным преобразованием; b – с промежуточным преобразованием

Источник питания с промежуточным преобразованием (рисунок 11.1,b) кроме названных элементов содержит инвертор (И), который преобразует постоянное напряжение на выходе выпрямителя в переменное напряжение высокой частоты (более 20 кГц). Такая структура позволяет заменить трансформатор, работающий на низкой частоте и имеющий большой вес, на высокочастотный трансформатор значительного меньшего веса. Сглаживающий фильтр на высокой частоте при одинаковой эффективности также имеет меньшие геометрические размеры. Инвертор, высокочастотный трансформатор и выпрямитель (В2) образуют преобразователь постоянного напряжения, который называют конвертором. Часто вводят обратную связь с выхода источника на инвертор, что позволяет стабилизировать выходное напряжение и исключить стабилизатор из схемы.

Выпрямители

Выпрямителем называют устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное напряжение. А точнее в однополярное, т.к. напряжение на выходе выпрямителя представляет собой однополярные импульсы косинусоидальной формы. Выпрямители подразделяются:

- по количеству фаз на однофазные, трехфазные и многофазные;

- по схемному решению на выпрямители с нулевой (средней) точкой и мостовые;

- по мощности на выпрямители малой, средней и большой мощности, хотя последнее разделение весьма условно.

Выпрямители большой мощности (сотни киловатт) применяются в электроприводе постоянного тока, в системах возбуждения электрических машин, в системах управления и регулирования электрической тяги на железнодорожном транспорте, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния.

Однофазный выпрямитель со средней точкой

Однофазный выпрямитель со средней точкой (рисунок 11.2) является одной из самых распространенных схем.

Рисунок 11.2 - Однофазный выпрямитель со средней точкой

Выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого имеет среднюю точку. В результате формируются два напряжения и , сдвинутые по фазе на . Напряжения на секциях вторичной обмотки трансформатора имеем

, (11.1)

где - действующее напряжение на одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рисунок 11.3).

Рисунок 11.3 - Временная диаграмма работы однофазного выпрямителя

со средней точкой

На интервале (0-1) открыт диод VD1, и напряжение подключается к нагрузке, в точке (1) диод закрывается, т.к. напряжение, приложенное к нему, равно нулю. На интервале (1-2) открыт диод VD2, и напряжение подключается к нагрузке. На нагрузке формируется напряжение , состоящее из двух положительных полупериодов, среднее значение которого определяется выражением

. (11.2)

Выпрямленное напряжение содержит ряд гармонических составляющих, амплитуды которых можно определить из разложения в ряд Фурье

. (11.3)

Качество выпрямления оценивается коэффициентом пульсации как отношение первой гармонической составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения

, (11.4)

где m-число пульсов напряжения в течение периода, в данном случае m=2.

Ток через нагрузку равен сумме токов и , проходящих через каждый диод, при чисто активной нагрузке форма тока и напряжения совпадают.

Среднее значение токов нагрузки , токов диодов и находится по известному сопротивлению нагрузки

, . (11.5)

Обратное напряжение на аноде диода равно сумме напряжений и принимает максимальное значение

. (11.6)

При расчете этой схемы диод выбирается по среднему значению тока через диод, проверяется по допустимому обратному напряжению. Для случая высокой частоты , где - частота спрямления, это такая наибольшая частота, на которой проявляются выпрямительные свойства диода.