Частота пульсаций выпрямленного напряжения

Частота пульсаций выпрямленного напряжения

Как было отмечено в лекции 3, выходное напряжение выпрямителя представляет собой пульсирующую величину, изменяющуюся от 0 до U2m. Частота пульсаций выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы равна частоте питающей сети (50 Гц), а для двухполупериодной и мостовой – удвоенной частоте (100 Гц).

В табл. 3.1 в последнем столбце приведено значение коэффициента пульсации КП(1). Коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя к его среднему значению Ud. Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники выходного напряжения (50 Гц)

, (4.1)

а для двухполупериодной и мостовой (100 Гц)

. (4.2)

Среднее значение выпрямленного напряжения для однополупериодной схемы Ud = 0,45×U2, а для двухполупериодной и мостовой Ud = 0,9×U2. Тогда коэффициент пульсаций:

для однополупериодной схемы ;

для двухполупериодной и мостовой .

Такие коэффициенты пульсации являются слишком большими для радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в системах управления движением поездов и электроснабжением. Поэтому в схемах источников питания после выпрямителя устанавливается сглаживающий фильтр.

Пульсации выпрямленного напряжения.

Выпрямленное напряжение можно представить в виде суммы переменной и постоянной составляющих.

Переменная составляющая является суммой гармонических (синусоидальных) напряжений:

где п — номер высшей гармоники; т — число пульсаций в выпрямленном напряжении за один период переменного напряжения сети; со — угловая частота напряжения сети; ипт — амплитуда п-й гармоники напряжения; ср() — начальная фаза п-й гармоники напряжения.

Из (5.45) видно, что частоту составляющих выпрямленного напряжения можно записать в виде

где/, = т/— частота первой гармоники пульсации;/— частота напряжения сети.

Например, при частоте сети /= 50 Гц частота первой гармоники пульсации (п = I) будет иметь следующие значения:

  • 100 Гц для однофазной двухполупериодной схемы (/» = 2);
  • 150 Гц для трехфазной схемы с нулевым выводом (т = 3);
  • 300 Гц для трехфазной мостовой схемы (т = 6).

Амплитуда п-й гармоники напряжения для схем, работающих при угле управления а = 0, определяется по формуле [48]:

где Г/— постоянная составляющая (среднее значение выпрямленного напряжения).

Согласно (5.46) наибольшее значение имеет амплитуда первой гармоники (п= 1), а остальные убывают обратно пропорционально квадрату порядкового номера гармонической составляющей.

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения можно выразить формулой

где ип — действующее значение /7-й гармонической составляющей.

На практике пульсация или содержание переменной составляющей в выпрямленном напряжении оценивается значением коэффициента пульсаций Кп. Задержка подачи на тиристоры импульсов управления относительно моментов естественной коммутации на угол а приводит к изменению гармонических составляющих в выпрямленном напряжении. Из диаграмм выпрямленного напряжения, приведенных для рассмотренных схем, видно, что при увеличении угла а увеличивается переменная составляющая напряжения, т.е. пульсация возрастает. Период повторяемости пульсаций не зависит от угла а.

Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Читайте также:  Как рассчитать сколько соток участок

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Читайте также:  Видео как ухаживать за черепахами

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

Читайте также:  Как подобрать сопротивление для понижения напряжения

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку Ud считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Ссылка на основную публикацию
Цоколь h8 и h11 отличие
06/09/14 18:32 Вопрос отличия ламп H8, H9 и H11 возникает довольно часто и вполне оправднано, ведь все эти три типа...
Цветок клематиса 7 букв
Последняя бука буква "с" Ответ на вопрос "Род деревьев и кустарников семейства лютиковых, лиана (клематис) ", 7 букв: ломонос Альтернативные...
Цветок космея растет на клумбе
Космея, она же «мексиканская астра», «красотка», «космос». Представляет собой зеленое травянистое растение с ослепительными лепестками. Принадлежит семейству Астровые или Сложноцветные....
Цоколь лампы в противотуманках
Лампы в ПТФ в отличие от основного освещения дороги, должны давать подсветку в условиях плохой погоды и видимости. Особенности такого...
Adblock detector