Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим. Оно состоит из постоянной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация и хуже качество выпрямленного напряжения.

Переменная составляющая формируется гармониками. Частоты гармоник определяются равенством

f(n) = kmf ,

где k – номер гармоники, k = 1, 2, 3, …, m – количество пульсов выпрямляемого напряжения, f – частота напряжения сети.

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации p , который зависит от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.

Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит лишь от числа пульсов и не зависит от конкретной . Гармоники минимальных номеров имеют наибольшую амплитуду.

Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n зависит от среднего значения выпрямленного напряжения Ud идеального нерегулируемого выпрямителя:

В реальных схемах переход тока с одного диода на другой происходит в течение некоторого конечного промежутка времени, измеряемого долями и называемого углом коммутации . Наличие углов коммутации существенно увеличивает амплитуду гармоник. В результате растут пульсации выпрямленного напряжения .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высокой частоты, создает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электронные устройства.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения между выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр , который значительно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет подавления гармоник.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются (дроссели) и , а при небольших мощностях и транзисторы.

Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) основана на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных элементов (катушки индуктивности и конденсатора). Реактивные сопротивления катушки индуктивности Xl и конденсатора Xc : Xl = 2πfL, Xc = 1/2πfC,

где f – частота тока, протекающего через реактивный элемент, L – индуктивность дросселя, С – eмкость конденсатора.

Из формул для сопротивления реактивных элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки растёт, а конденсатора уменьшается. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а катушки индуктивности – нулю.

Отмеченная особенность позволяет катушке индуктивности беспрепятственно пропускать постоянную составляющую выпрямленного тока и задерживать гармоники. Причём, чем больше номер гармоники (выше её частота), тем эффективней она задерживается. Конденсатор наоборот полностью задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы фильтра, является коэффициент сглаживания (фильтрации)

q = p1 / p2 ,

где p1 – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя в схеме без фильтра, p2 – коэффициент пульсации на выходе фильтра.

На практике применяются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Наиболее широко используются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1

Рисунок 1. Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения

Исходными данными для расчёта индуктивности дросселя фильтра L и ёмкости конденсатора фильтра C являются коэффициент пульсации выпрямителя, вариант схемного решения, а также требуемый коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Расчёт параметров фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Далее необходимо произвольно выбрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.

На практике используют конденсаторы следующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Меньшие значения ёмкостей из этого ряда целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, а большие ёмкости – при невысоких напряжениях.

Индуктивность дросселя в Г-образной схеме фильтра можно определить из приближённого выражения

для П-образной схемы –

В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а результат получается в генри.

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения

частота пульсации газового пузыря (сейсм.) - — Тематики нефтегазовая промышленность EN bubble oscillation frequency … Справочник технического переводчика

Преобразователь электрического тока переменного направления в ток постоянного направления. Большинство мощных источников электрической энергии вырабатывают ток переменного направления (см. Переменный ток). Однако многие электрические… … Большая советская энциклопедия

Линейные электронные фильтры Фильтр Баттерворта Фильтр Чебышёва Эллиптический фильтр Фильтр Бесселя Фильтр Гаусса Фильтр Лежандра Фильтр Габора Править Фильтр Чебышёв … Википедия

Линейные электронные фильтры Фильтр Баттерворта Фильтр Чебышева Эллиптический фильтр Фильтр Бесселя Фильтр Гаусса Фильтр Лежандра Фильтр Габора … Википедия

Линейные электронные фильтры Фильтр Баттерворта Фильтр Чебышёва Эллиптический фильтр Фильтр Бесселя Фильтр Гаусса Фильтр Лежандра Фильтр Габора Править Фильтр Чебышёва один из типов линейных аналоговых или цифровых фильтров … Википедия

Сглаживающий фильтр устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке … Википедия

ГОСТ 23875-88: Качество электрической энергии. Термины и определения - Терминология ГОСТ 23875 88: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа: Facteur de distortion (d’une tension ou d’un courant alternatif non sinusoïdal) 55 Определения термина из разных документов: Facteur de… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

I Сердце Сердце (лат. соr, греч. cardia) полый фиброзно мышечный орган, который, функционируя как насос, обеспечивает движение крови а системе кровообращения. Анатомия Сердце находится в переднем средостении (Средостение) в Перикарде между… … Медицинская энциклопедия

Земной магнетизм, магнитное поле Земли и околоземного космического пространства. Земля обладает магнитным полем дипольного типа, как будто бы в ее центре расположен гигантский полосовой магнит. Конфигурация этого поля медленно изменяется,… … Энциклопедия Кольера

I Миокардит Миокардит (myocarditis; греч. + myos мышца + kardia сердце + itis) термин, объединяющий большую группу различных этиологии и патогенезу поражений миокард основой и ведущей характеристикой которых является воспаление. Вторичное… … Медицинская энциклопедия

О коэффициенте пульсации чаще всего говорят, когда рассматривают переменный электрический ток. Тогда рассматривают коэффициент пульсации напряжения или силы тока. Существует внутренне деление коэффициентов пульсации напряжения (тока) на: коэффициент пульсации напряжения (тока), коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению, по действующему значению.

В общем случае форма напряжения на выходе выпрямляющего устройства имеет постоянную (называемую полезной) и переменную (пульсирующую) составляющие.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Коэффициентом пульсации напряжения (тока) называют величину, равную отношению амплитудного значения (максимальной величины) переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.

Если представить выпрямленное напряжение в виде ряда Фурье, как сумму постоянной составляющей () и некоторого числа () гармоник, имеющих амплитуды , то коэффициент пульсации напряжения () можно определить формулой:

где n — номер гармоники.

При этом компоненту считают полезным результатом деятельности выпрямителя, в отличие от пульсаций . Если форма пульсаций сложная, то максимальным значением может обладать не первая гармоника, но обычно под k понимают ее. Она применяется в расчетах и записывается в технических документах оборудования.

Разновидности коэффициентов пульсации напряжения (тока)

Коэффициентом пульсации напряжения (тока) по среднему значению называют величину, равную отношению средней величины переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.

Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — это параметр, который находят как отношение действующего значения переменой компоненты пульсирующего напряжения (тока) к его неизменной компоненте.

Часто потребителям не важно, какая из гармоник на выходе выпрямляющего устройства обладает наибольшим размахом. Интерес составляет общий размах пульсаций, который характеризует абсолютный коэффициент пульсаций (), который определяют выражением:

Или применяют формулу:

Коэффициент пульсации напряжения измеряют при помощи осциллографа или двух вольтметров.

Коэффициент пульсации — это одна из самых значимых характеристик выпрямителя — устройства, которое предназначено для превращения переменного напряжения источника электрической энергии в постоянное.

Единицы измерения

Коэффициент пульсации рассматривают как безразмерную величину или он может указываться в процентах.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Каковы коэффициенты пульсации по первой гармонике, абсолютные коэффициенты пульсации в двух вариантах расчета, если постоянное напряжение на выходе выпрямляющего устройства составляет 20 В, а напряжение пульсаций ?
Решение	Коэффициент пульсации напряжения по первой гармонике найдем, используя выражение: где n =1. Проведем вычисления: Абсолютный коэффициент пульсации напряжения (вариант 1) найдем, применяя формулу: Вычислим : Второй вариант абсолютного коэффициента пульсации напряжения: Вычислим его:
Ответ

ПРИМЕР 2

Задание

При подаче переменного напряжения в виде синусоиды на первичную обмотку согласующего (рис.1) на зажимах вторичной обмотки он будет иметь напряжение: Диод проводит электрический ток только половину периода переменного напряжения. В положительную половину периода, когда на аноде диода (VD) потенциал больше нуля, он открыт и при этом все напряжение вторичной обмотки трансформатора приложено к диоду. Каким будет коэффициент пульсации тока по среднему значению?

Расчёт фильтров для ШИМ

В статье речь пойдёт про расчёт простейших фильтрующих цепей для сглаживания широтно-импульсной модуляции. Что такое ШИМ, где он применяется и как его реализовать читайте в отдельной статье.

Первое, на чём следует заострить внимание - это назначение цепи, для которой вы собрались строить фильтр. Немного упрощая схемы с ШИМ можно поделить на два типа:

Примером сигнального ШИМ служит, например, простейший ЦАП, под силовым ШИМ чаще всего имеется ввиду ШИМ-сигнал на выходе силовых ключей, например в импульсных источниках питания (ИИП). Строго говоря, в источниках питания сам сигнал ШИМ тоже используется в сигнальной цепи (управление транзисторами) и на выходе таких источников сигнал повторяет форму управляющих сигналов, однако имеет более высокую мощность, потому они требуют фильтров позволяющих пропускать большие мощности.

Фильтрация ШИМ в сигнальных цепях

Для простых сигнальных цепей с высокоомной нагрузкой наиболее оптимальной схемой фильтрации является интегрируюшая RC-цепочка, являющаяся по сути простейшим фильтром нижних частот. Понятие "интегрирующая RC-цепь" применяется при рассмотрении импульсных характеристик данной цепи.

Рис.1. Простейший фильтр нижних частот - интегрирующая RC-цепь и её АЧХ.

Основная характеристика фильтра это частота среза (на рисунке 1 обозначена угловая частота среза - ω с ) - амплитуда колебаний данной данной частоты на выходе фильтра ослабляется до уровня ~0.707 (-3 Дб) от входного значения. Частота среза определяется по следующей формуле:

Тут R и С - сопротивление резистора в омах и ёмкость конденсатора в фарадах. Необходимо помнить, что для корректной работы сглаживающего фильтра постоянная времени RC-цепочки (τ = R · C ) должна быть как можно меньше периода ШИМа, тогда за один период не будет происходить полный заряд-разряд конденсатора.

Следующий важный параметр, позволяющий расчитать ослабление колебаний на заданной частоте это коэффициент передачи фильтра - это отношение K = U вых /U вх. Для данной RC-цепочки коэффициент передачи рассчитывается следующим образом:

Зная эти формулы и учтя постоянное падение напряжения на резисторе можно приближённо рассчитать фильтр с нужными характеристиками - например, задавшись имеющейся ёмкостью, либо необходимым уровнем пульсаций.

Калькулятор ШИМ-фильтра на RC-цепочке

Обратите внимание - если вы хотите получать из ШИМ-сигнала сглаженный синусоидальный сигнал, необходимо чтобы частота среза фильтра была выше максимальной частоты сигнала, а значит частота ШИМ должна быть ещё выше.

Фильтрация ШИМ в силовых цепях

В силовых цепях, при низких сопротивлениях нагрузки (например обмотки электродвигателей), потери в резисторе фильтра становятся весьма существенны, поэтому в подобных случаях применяются ФНЧ на индуктивностях и конденсаторах.

Рис.2. Фильтр нижних частот на LC-контуре и его АЧХ.

LC-фильтр представляет из себя элементарный колебательный контур, который имеет собственную частоту резонанса, поэтому его реальная АЧХ будет несколько отличаться от АЧХ, приведённой на рисунке 2.

Поскольку речь в данной статье идёт о фильтре для силовых цепей, при расчёте фильтра нужно учитывать, что основная гармоника входящего напряжения тоже должна ослабляться фильтром, следовательно, его резонансная частота должна быть ниже частоты ШИМ.

Формула для расчёта частоты резонанса LC-контура:

f = 1/(2 · π · (L · C) 0.5)

Если частота резонанса контура совпадёт с частотой ШИМ, LC-контур может перейти в режим генерации, тогда на выходе может случиться конфуз, посему предлагаю вам данного недоразумения тщательно избегать. Кроме того, при проектировании данного фильтра есть ещё несколько нюансов, которые неплохо бы соблюдать для получения желаемого результата, а именно:

1. Для исключения резонансных явлений на одной из высокочастотных гармонических составляющих ёмкость конденсатора желательно находить из условия равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки:
2. Для сглаживания пульсаций таким фильтром желательно, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было как можно меньше сопротивления нагрузки, а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

Комплексный коэффициент передачи LC-фильтра рассчитывается по следующей формуле:

где n - номер гармонической составляющей входного сигнала, i - мнимая единица, ω = 2πf, L - индуктивность дросселя (Гн), C - ёмкость конденсатора (Ф), R - сопротивление нагрузки (Ом).

Из формулы очевидно, что чем выше гармоника, тем лучше она подавляется фильтром, следовательно, достаточно рассчитывать уровень только для первой гармоники.

Чтобы перейти от комплексного представления коэффициента передачи к показательному, нужно найти модуль комплексного числа. Для тех, кто (как и я) спал на парах матана в институте, напомню, модуль комплексного числа считается очень просто:

2. Вторичные источники электропитания.
Основные схемы, параметры и характеристики

2.1. Структурная схема ВИЭПа

Выпрямительные устройства преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке. Они применяются в качестве вторичных источников электропитания (ВИЭП), структурная схема которого представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема ВИЭПа

Силовой трансформатор Тр понижает переменное напряжение сети U 1 частотой f=50 Гц до необходимого значения U 2 . Кроме того трансформатор осуществляет гальваническую развязку питающей сети и нагрузки ВИЭПа. Выпрямитель В преобразует переменное напряжение U 2 в выпрямленное пульсирующее напряжение одной полярности U d . Сглаживающий фильтр Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения U d . Стабилизатор Ст поддерживает неизменным выходное постоянное напряжение U вых при колебаниях напряжения сети U 1 или изменении нагрузки ВИЭПа.

2.2. Основные схемы выпрямления

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.

В источниках питания постоянного тока средней (до 1000 Вт) и больше (свыше 1000 Вт) мощности используются выпрямительные устройства, запитываемые трёхфазным напряжением. Трёхфазный выпрямитель может быть выполнен НПО однополуперионной схеме на трёх диодах или по двуполупериодной схеме на шести диодах, которую называют трехфазной мостовой или схемой Ларионова.

2.3. Однофазные схемы выпрямления

2.3.1. Однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.2) является простейшей. Полупроводниковый диод VD1 , обладающий односторонней проводимостью, включается последовательно с нагрузкой R d .

Рис. 2.2. Однополупериодная схема выпрямления

Временные диаграммы (рис. 2.3) напряжений и токов выпрямителя показывают, что в такой схеме ток i d через нагрузку протекает только в течение положительного полупериода напряжения u 2 , поступающего со вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.3 а, б). В результате на нагрузке R d появляется пульсирующее напряжение u d положительной полярности (рис. 2.3 в). В отрицательный полупериод напряжения u 2 диод VD1 закрывается, ток i d =0 и диод оказывается под воздействием обратного напряжения u 2 , максимальное значение которого равно амплитуде U 2 m , т. е. напряжение на диоде (рис. 2.3 г).

Выпрямленное пульсирующее напряжение на нагрузке u d описывается выражением в диапазонах и т.д. и может быть представлено суммой постоянной и переменной составляющих

Несинусоидальная переменная составляющая может быть представлена рядом гармоник, т. е. рядом синусоидальных составляющих с увеличивающейся с порядковым номером частотой и убывающей амплитудой. Тогда пульсирующее напряжение может быть представлено в виде гармонического ряда Фурье

Рис. 2.3. Временные диаграммы однополупериодной схемы

который для однополупериодной схемы выпрямления запишется в виде выражения:

С помощью ряда Фурье определяются основные параметры схемы выпрямления.

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода за период напряжения сети

Среднее значение пульсирующего тока в нагрузке определяется выражением: .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения характеризуется своим максимальным значением (основной гармоникой): , где – амплитуда основной гармоники.

Эффективность работы выпрямителя определяется величиной коэффициента пульсаций , который определяется отношением амплитуды основной гармоники U m к среднему значению выпрямленного напряжения

При этом частота пульсаций основной гармоники совпадает с частотой пульсаций выпрямленного напряжения и равна частоте напряжения сети:

Достоинство однополупериодной схемы – простота. Недостатки: большие габариты трансформатора, большой коэффициент пульсаций, низкая частота основной гармоники. Поэтому такая схема выпрямления находит ограниченное применение, в основном для питания цепей малой мощности и высокого напряжения, например: электронно-лучевых трубок.

2.3.2. Двухполупериодная схема со средней точкой

Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 2.4) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей, диоды которых работают на общую нагрузку.

Рис. 2.4. Двухполупериодная схема со средней точкой

При подаче напряжения u 1 на первичную обмотку трансформатора на каждой половине вторичной обмотки возникают напряжения u 21 , u 22 (рис. 2.5 а). Вторичные обмотки W 21 и W 22 включены последовательно и согласно. Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.5 б, в). В первый полупериод к диоду VD1 приложена положительная полуволна напряжения u 21 , в цепи диод - обмотка W 21 протекает ток i 21 (см. рис. 2.5 б). Диод VD2 в это время закрыт, так как к нему через открытый в это время диод VD1 приложено обратное напряжение обеих обмоток трансформатора (рис. 2.5 е). В следующий полупериод откроется диод VD2, и ток i 22 будет протекать по цепи диод - обмотка W 22 . (см. рис. 2.5 в). Таким образом, через сопротивление нагрузки Rd поочередно проходят в одном и том же направлении токи i 21 и i 22 . В результате на нагрузке R d образуются полуволны тока i d и напряжения u d одного и того же знака (рис. 2.5 г, д).

Выпрямленное данной схемой напряжение, как и напряжение однополупериодной схемы, является пульсирующим, т. е. может быть разложено в гармонический ряд Фурье.

Где – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке. При работе выпрямителя в режиме холостого хода, определяется выражением:

Рис. 2.5. Временные диаграммы для схемы со средней точкой

Отсюда действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

Величина выпрямленного тока I d определяется выражением:

Амплитуда тока во вторичной обмотке трансформатора а действующее значение .

В двухполупериодной схеме уменьшилась амплитуда основной гармонической составляющей до величины , а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:

.

Из временных диаграмм (см. рис. 2.5 а, д) видно, что напряжение на нагрузке достигает максимального значения U 2 m два раза за период выпрямляемого напряжение. Поэтому частота пульсаций напряжения нагрузки U d равна удвоенной частоте напряжения сети:

В схеме выпрямления со средней точкой токи во вторичных обмотках протекают поочередно (в обмотке W 21 от конца к началу, а в обмотке W 22 от начала к концу), поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается и в первичной обмотке действует чисто синусоидальный ток, что приводит к снижению типовой мощности и лучшему использованию трансформатора. По сравнению с однополупериодной схемой выпрямления в два раза увеличилось значение выпрямленного напряжения U d и тока I d , уменьшился коэффициент пульсаций.

Недостатки схемы: необходимость вывода средней точки вторичной обмотки, необходимость симметрирования вторичных обмоток для обеспечения равенства большое обратное напряжение на диодах, увеличение габаритов трансформатора.

2.3.3. Двухполупериодная мостовая схема

В рассматриваемой схеме (рис. 2.6) выпрямитель состоит из четырех полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки R d . Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d ), отрицательным – точка соединения анодов (точка с ).

Рис. 2.6. Двухполупериодная мостовая схема

Работа схемы показано на рис. 2.7, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 2.7а)

;

В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс тока i 13 будет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку R d и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.6). Форма этого тока будет повторять форму тока i 2 вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R d , импульс тока i 13 выделяет на ней напряжение u d (рис. 2.7д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2 и VD4 заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого (рис. 2.7е).

При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 2.6). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут

Рис. 2.7. Временные диаграммы для мостовой схемы

находиться диоды VD2 и VD4 ,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 2.7ж).

В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R d будет проходить импульс тока i 24 (см. рис. 2.7в) такой же формы как импульс тока i 13 , выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 2.7д).

Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R d проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки (см. рис. 2.7г), под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 2.7д), такого же вида, как для схемы со средней точкой, Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:

При расчете выпрямленного тока I d через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:

Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:

следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:

Амплитуда основной гармонической составляющей уменьшилась по сравнению с однополупериодной схемой, а следовательно уменьшился и коэффициент пульсаций:

.

Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для схем со средней точкой , а для однополупериодной и мостовой схемы - . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : В однополупериодной схеме через диод и нагрузку протекает одинаковый ток:

Мостовая схема является основной схемой для однофазных выпрямителей. Она может использоваться без трансформатора, то есть включаться непосредственно в цепь переменного тока, если напряжение сети обеспечивает требуемую величину выпрямленного напряжения. При работе с трансформатором импульсы токов i 13 и i 24 во вторичной обмотке трансформатора направлены навстречу друг другу, поэтому их постоянные составляющие компенсируются, а трансформатор работает в режиме без постоянного подмагничивания. По сравнению со схемой со средней точкой мостовая схема имеет меньшие габариты трансформатора, так как на вторичной стороне помещается только одна обмотка.

2.4. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах . Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.

С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление () для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.

Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

В зависимости от способа включения конденсатора и индуктивности различают следующие виды фильтров: емкостные (рис. 2.8 а), индуктивные (рис. 2.8 б), Г-образные (рис. 2.8 в), Г-образные (рис. 2.8 г).

Рис. 2.8. Электрические схемы сглаживающих фильтров

На рис. 2.9 приведены осциллограммы выходных напряжений двухполупериодного выпрямителя при работе без фильтра (рис. 2.9 а), при включении емкостного (рис. 2.9 б) и индуктивного (рис. 2.9 в) фильтров.

Рис. 2.9. Временные диаграммы при работе: а) без фильтра;
б) с емкостным фильтром; в) с индуктивным фильтром

При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки . Зарядка конденсатора происходит током i d протекающим через диод в течение небольшого промежутка времени, когда мгновенное значение пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя (рис. 2.9 а) выше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе). Постоянная времени заряда конденсатора определяется емкостью конденсатора фильтра и небольшим сопротивлением, равным сумме прямого сопротивления открытых диодов и приведенного ко вторичной обмотке активного сопротивления трансформатора. Когда напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 2.9 б). При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки постоянная времени разрядка конденсатора значительно больше постоянной времени его зарядки. При этом разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 2.9 б) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах. увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения при большой емкости конденсатора.

Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :

Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

При включении последовательно с нагрузкой индуктивного фильтра (рис. 2.8 б) изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит электродвижущую силу самоиндукции . В соответствии с принципом Ленца электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, а следовательно, и пульсации напряжения нагрузки (рис. 2.9 в). Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.

Величину индуктивности фильтра выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление было значительно больше величины сопротивления нагрузки .

Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные сглаживающие фильтры (рис. 2.8 в, г). Однако при использовании этих фильтров уменьшается величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке за счет падения части напряжения на активных сопротивлениях обмотки дросселя или .

2.5. Внешняя характеристика выпрямительного устройства

Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:

где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для схемы со средней точкой , для мостовой – , – падение напряжения на открытом диоде.

Внешняя характеристика 1 (рис. 2.10) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром, а при включении в схему Г-образного LC фильтра получается характеристика 3. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .

Рис. 2.10. Внешние характеристики выпрямительного устройства

Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивление и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки . При включении Г – образного LC фильтра дополнительное снижение напряжения на нагрузке вызвано падением напряжения на последовательном включенном индуктивном фильтре.

2.6. Трехфазные схемы выпрямления

2.6.1. Трехфазная схема выпрямления со средней точкой

Трехфазную схему выпрямления со средней точкой (рис. 2.11) называют также трехфазной однотактной схемой, поскольку выпрямлению подвергается только одна из полуволн переменного напряжения каждой фазы. В трехфазную схему выпрямления входит трансформатор, первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, а вторичные обмотки – только в звезду. Концы a , b , c вторичных обмоток трансформатора соединены с анодами трех диодов VD 1, VD 2, VD 3. Катоды диодов соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки, а вывод средней точки трансформатора – отрицательным полюсом.

Рис. 2.11. Схема выпрямления

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Первоначально допустим, что нагрузка схемы выпрямления активная, т.е. X d = 0. Для упрощения будем считать диоды и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико, активное сопротивление и индуктивность рассеяния X a обмоток трансформатора и индуктивность питающей сети принимаем равными нулю. Тогда переход тока с одного диода на другой считаем мгновенным. Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 2.12. Из временной диаграммы (см. рис. 2.12 а) видно, что напряжения u 2 a , u 2 b , u 2 c сдвинуты по фазе на одну треть периода (2p/3) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Диоды схемы работают попеременно по 1/3 периода (2p/3). В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Это справедливо для случая соединения диодов в катодную группу. Ток в каждом диоде протекает в течение 1/3 периода (2p/3) и прекращается тогда, когда потенциал анода работающего диода становится ниже потенциала катодов. Диод закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение u b (см. рис. 2.12 в). Переход тока от одного диода к другому происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г на рис. 2.12а). Выпрямленный ток i d проходит через нагрузку R d непрерывно и складывается из чередующихся анодных токовi a 1 , i a 2 , i a 3 . Мгновенное значение выпрямленного напряжения u d (см. рис.2.12б) в каждый момент определяется мгновенным значением напряжения той фазы, с которой соединен работающий диод. Выпрямленное напряжение u d представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений u 2 вторичной обмотки трансформатора Т. Кривая выпрямленного тока i d при X a = 0, X d = 0 повторяет кривую выпрямленного напряжения. Форма кривой тока i a в диоде VD 1 изображена на рис. 2.12в. Ток диода VD 1 в этом случае будет являться также и током i 2 a вторичной обмотки трансформатора. Кривая обратного напряжения u b 1 на диоде VD 1 формируется из участков синусоид линейных напряжений (u ab , u с a ), т.к. анод неработающего диода присоединен к одной из фаз, а катод через открытый диод – к другой фазе вторичной обмотки. Мгновенные значения междуфазного (линейного) напряжения соответствуют ординатам площади, заштрихованной на рис. 2.12а. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения u b 1 , на диоде VD 1 (см. рис. 2.12 в). S Т = = 1,345P d ,

где S 1 = 3U 1 I 1 = 1,21P d – расчетная мощность первичной обмотки трансформатора;

S 2 = 3U 2 I 2 = 1,48P d – расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора;

P d = U d I d – мощность в нагрузке.

В трехфазном выпрямителе со средней точкой имеет место явление вынужденного намагничивания магнитопровода трансформатора, т.к. токи вторичных обмоток трансформатора i 2 a , i 2 b , i 2 c содержат постоянную составляющую, равную I d , которая создает в каждом стержне магнитопровода однонаправленный поток вынужденного намагничивания трансформатора. Этот поток, пульсируя с тройной частотой по отношению к частоте питающей сети, замыкается частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора, вызывая их нагрев. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет вихревых токов, индуцируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Насыщение магнитопровода трансформатора приводит к резкому увеличению намагничивающего тока (тока холостого хода) трансформатора. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода. Однако это приводит к завышению массогабаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки. Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора необходимо соединять «треугольником». При этом в потоке вынужденного намагничивания остается только постоянная составляющая; переменная же составляющая с явно выраженной третьей гармоникой компенсируется потоками, которые создают токи высших гармоник с частотой, кратной трем, содержащиеся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающиеся по контуру, образованному этими обмотками. Расчетная мощность трансформатора при соединении обмоток «треугольником» не изменяется.

2.6.2.Трехфазная мостовая схема

Значительное количество выпрямителей трехфазного тока выполняется по мостовой схеме (схеме Ларионова), содержащей трехфазный трансформатор и выпрямительный блок из шести диодов (рис. 2.13.) Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться по схеме звезды или треугольника. Вместе с тем мостовая схема выпрямления может применяться и без трансформатора. Диоды в выпрямительном блоке разделяют на две группы:

1) катодную, или нечетную (диоды VD 1, VD 3, VD 5), в которой электрически связаны катоды диодов и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;

2) анодную, или четную (диоды VD 2, VD 4, VD 6), в которой электрически связаны между собой аноды диодов, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов.

Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других диодов в катодной группе, а в анодной группе − диод, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других диодов анодной группы.

Рис. 2.13. Схема выпрямления

Работу схемы можно проследить с помощью временных диаграмм рис. 2.14. Так как режимы работы схемы на активную и активно-индуктивную нагрузку отличается незначительно, то анализ работы схемы проведем для наиболее распространенной активно-индуктивной нагрузки, принимая X a = 0, X d = 0. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 2.14а), а диоды анодной группы − в момент пересечения отрицательных участков кривых фазных напряжений (точки к, л, м, н). Каждый диод открыт в течение одной трети периода . При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток на

Мир бесплатных программ и полезных советов
2024 © whatsappss.ru