Для большинства современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный применяют выпрямители, в которых используют приборы с вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью. Для построения схем выпрямления можно использовать электровакуумные, ионные магнитные и полупроводниковые приборы. В настоящее время наибольшее распространение получили выпрямители на полупроводниковых приборах, поскольку полупроводниковые выпрямители просты, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы.
Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный или пульсирующий. Выпрямители классифицируются по следующим признакам:
- по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);
- по виду выпрямительных элементов (вакуумные, полупроводниковые, магнитные и т. д.);
- неуправляемые и управляемые;
- по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);
- по виду нагрузки (она может быть активной, активно-ёмкостной, активно-индуктивной).
Структурная схема представлена на рис. 5.1.
1 — силовой трансформатор предназначен для согласования входного (сетевого) и выходного (выпрямленного) напряжений выпрямителя. Трансформатор электрически отделяет питающую сеть от сети нагрузки;
2 — блок полупроводниковых элементов (вентилей) выполняет саму функцию выпрямления переменного тока;
3 — сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию выпрямленного тока в цепи нагрузки;
4 — нагрузка;
5 — блок системы защиты и сигнализации выпрямителя от повреждения в аварийных режимах;
6 — блок управления тиристорами (в управляемом выпрямителе).
В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведённой блок-схемы. Например, включение выпрямителя в сеть без трансформатора или работа выпрямителя на нагрузку осуществляется без фильтра и без регулирования напряжения.
Основные параметры выпрямителей
Выпрямитель совместно с трансформатором работает на различную нагрузку — активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную. Характер нагрузки определяет форму выпрямленного напряжения на ней и соотношение выпрямленных и переменных напряжений и токов. С целью упрощения изучения принципов работы схем выпрямления можно рассматривать работу выпрямителя на активную нагрузку, с идеальными вентилями и трансформаторами.
Идеальный вентиль — это вентиль, сопротивление которого в прямом (проводящем) направлении равно нулю, а сопротивление в обратном (непроводящем) направлении бесконечно велико.
Идеальный трансформатор — это трансформатор, в котором отсутствуют потери в меди обмоток и в стали сердечника, а также отсутствуют поля рассеяния обмоток и, следовательно, индуктивности, созданные этими полями.
Виды схем выпрямления:
1. Однофазные схемы выпрямления
Мощность этих выпрямителей обычно небольшая — от десятков до нескольких сотен ватт. Основные схемы выпрямителей однофазного тока: однополупериодная; двухполупериодная с нулевой точкой; двухполупериодная мостовая.
2. Трёхфазные схемы выпрямления
Для выпрямления трёхфазного тока применяют нулевые и мостовые схемы. В нулевых схемах диод или группу диодов включают на фазное напряжение между фазой и нулём через нагрузку, а в мостовых схемах — на междуфазное напряжение.
3. Условно-многофазные вентильные схемы
выпрямления
Условно-многофазные схемы применяются, когда необходимо уменьшить высшие гармоники тока питающей сети и выпрямительного напряжения, а также при необходимости создания выпрямительных агрегатов на большие установленные мощности.
К собственно многофазным относятся схемы, у которых одна трехфазная сетевая обмотка и все вентильные обмотки (соединенные в сложный зигзаг) трансформатора расположены на общей магнитной системе. Условно-многофазные схемы получают последовательным или параллельным включением условно-шестифазных выпрямителей. Первичные или вторичные обмотки питающих трансформаторов каждого из выпрямителей соединяются по разным схемам. В результате увеличивается частота пульсаций выпрямительного напряжения. При анализе условно-многофазных схем необходимо учитывать, что процессы в каждой из составляющих комбинированную схему протекают независимо, и это позволяет использовать соотношения, полученные для условно-шестифазных схем.
На практике широко применяют двенадцатипульсовые схемы выпрямления, образуемые соединением двух трехфазных мостовых выпрямителей. Трансформаторы каждого мостового выпрямителя выполняются с различными группами соединения (звезда-звезда и треугольник- звезда). При таком соединении фазные напряжения вторичных обмоток трансформаторов сдвинуты относительно друг друга на30°.
4. Управляемые выпрямители
Управляемые выпрямители находят всё большее применение на железнодорожном транспорте и в других отраслях промышленности. Основой управляемого выпрямителя являются тиристоры, трансформатор и система управления тиристорами. Схемы управляемых выпрямителей повторяют схемы обычных выпрямителей, но основное их преимущество — возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах.