Для выработки, трансформации и транспортировки электроэнергии в промышленных масштабах применяется переменный ток. В таком виде он доводится до мест использования. Конечному же потребителю (приборам, бытовой и промышленной технике и т.п.) требуется постоянное напряжение различных уровней. Поэтому для питания таких нагрузок требуется выпрямитель переменного тока – встроенный или внешний.
- Назначение выпрямительного устройства в электротехнике
- Устройство и структурная схема выпрямителя
- Трансформатор (повышающий или понижающий)
- Выпрямитель
- Фильтр
- Стабилизатор
- Основные технические параметры
- Схемы выпрямителей
- Однополупериодный выпрямитель
- Мостовой двухполупериодный выпрямитель
- Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
- Выпрямители для трехфазной сети
Назначение выпрямительного устройства в электротехнике
Основное назначение выпрямителя – преобразовать переменный ток, пришедший от энергоснабжающей организации, в однополярный пульсирующий, который потом, при необходимости, преобразуется в постоянный.
Устройство и структурная схема выпрямителя
В технике термин выпрямитель применяют к выпрямляющему устройству, то есть, к преобразователю переменного тока в однополярный пульсирующий. В быту выпрямителем часто называют готовую конструкцию (блок питания), которая состоит, помимо собственно выпрямителя, и из других узлов, превращающих устройство в законченный функциональный блок.
В этом разделе термином «выпрямитель» будет обозначаться и законченный блок питания. Далее под этим названием будет фигурировать только выпрямляющее устройство.
Трансформатор (повышающий или понижающий)
Для большинства бытовых и промышленных потребителей выпрямленное сетевое напряжение 220 вольт будет излишним (но иногда и недостаточным). Для приведения уровня напряжения к необходимому значению перед выпрямлением сетевое напряжение уменьшают (в некоторых случаях увеличивают). Удобнее всего для этого использовать трансформатор. В простом случае он содержит две обмотки с разным количеством витков. Обмотку с большим числом витков подключают к сети, а с меньшим – к выпрямителю. В этом случае трансформатор называется понижающим. Если обмотка с меньшим количеством витков подключена к сети, то трансформатор повышает напряжение, и называется повышающим.
Один трансформатор может иметь несколько вторичных обмоток для повышения или понижения напряжения до нескольких уровней.
Выпрямитель
После трансформатора (если он есть) устанавливается собственно выпрямитель. Схемы, их достоинства и недостатки будут рассмотрены в отдельном разделе.
Фильтр
Выпрямленное напряжение еще не является постоянным. Его надо сгладить. Для схем сглаживания применяют конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, и индуктивности (дроссели), включаемые последовательно с нагрузкой. Конденсаторы пропускают через себя переменную составляющую тока, не реагируя на постоянную. Индуктивности имеют большое сопротивление для переменной составляющей и малое для постоянной. Иными словами, Г-образное LC-звено представляет собой фильтр низкой частоты.
Для пульсаций частотой 50 или 100 Гц, дроссель должен иметь большую индуктивность, то есть, иметь много витков. Это означает большие габариты и вес. Кроме того, чем больше витков, тем больше омическое сопротивление, а значит, надо увеличивать сечение провода, что ведет к дальнейшему росту массогабаритных характеристик. Поэтому для сглаживания пульсаций в выпрямителях, работающих от промышленных и бытовых сетей переменного тока дроссели практически не используют. Фильтры выполняют исключительно на конденсаторах.
Зато в импульсных блоках питания, работающих на относительно высокой частоте, эффективно работают малогабаритные дроссели с относительно малой индуктивностью. В этой области их широко используют совместно с конденсаторами.
Стабилизатор
Для потребителей, предъявляющих особые требования к качеству питающего напряжения, в схему блока питания добавляется узел, стабилизирующий напряжение вне зависимости от изменения тока потребления и изменения уровня на входе (для нетребовательных нагрузок его может не быть). Схемы стабилизаторов могут быть различными, но, в основном, сводятся к двум классам:
- Линейные.
- Импульсные.
Первые проще по схемотехнике, вторые имеют более высокий КПД (в теории – до 1).
Не надо путать импульсные стабилизаторы напряжения с импульсными блоками питания, применяемыми, например, в компьютерах.
Основные технические параметры
Желающему рассчитать (спроектировать) выпрямительное устройство в первую очередь придется задаться таким параметром, как мощность нагрузки (точнее, потребляемый ток). От этого будут зависеть габариты выпрямителя, которые большей частью определяются:
- размерами вентилей (чем больше ток, тем более мощные элементы надо использовать, тем больше габариты);
- размерами применяемых конденсаторов и дросселей в фильтре (зависит от тока и от схемы собственно выпрямителя);
- необходимостью применения радиаторов (значительно увеличивают массогабаритные характеристики).
Другой важный параметр – выходное напряжение выпрямительного устройства. От него зависит тип примененных диодов.
Кроме того, в некоторых случаях придется учесть потери напряжения на диодах. Они невелики – на кремниевом элементе падает около 0,6 вольт. В высоковольтном устройстве это сравнимо с колебаниями входного напряжения и на практике незаметно. Но если нужен выпрямитель с выходным напряжением, например, 3 вольта, то потери на мостовой схеме составят 0,6*2=1,2 вольта, что составляет почти половину выходного напряжения. При расчете это надо обязательно учесть.
Схемы выпрямителей
Далее будут рассмотрены практические схемы собственно выпрямительных устройств. В современных условиях они выполняются на полупроводниковых элементах – приборах, проводящих то только в одну сторону. Вакуумные, ртутные выпрямители, а также механические синхронные машины для выпрямления переменного напряжения практически нигде уже не применяются.
Однополупериодный выпрямитель
Схема однополупериодного выпрямителя в однофазном исполнении очень проста и содержит всего один диод. Он отсекает отрицательную полуволну исходной синусоиды, и на выходе получается однополярное пульсирующее напряжение. Ток в нагрузке повторяет форму выходного напряжения. При необходимости оно может быть сглажено фильтром.
Достоинством такого выпрямителя является простота – нужен всего один диод. К недостаткам относится форма выходного напряжения – она далека от постоянной, чтобы ее сгладить потребуется конденсатор большой емкости. Схема обладает и другими минусами:
По этим причинам данная схема применяется редко.
Мостовой двухполупериодный выпрямитель
Гораздо лучшие характеристики имеет двухполупериодный выпрямитель, который в большинстве случаев выполняется по мостовой схеме.
Такая схема содержит четыре диода, образующих мост. Нагрузка подключается между точкой соединения катодов и точкой соединения анодов. Переменное напряжение подается в точки соединения разноименных выводов диодов. На рисунке стрелками показано прохождение тока:
- красным цветом во время положительной волны синусоиды;
- зеленым цветом – во время отрицательной волны.
Очевидно, что через нагрузку проходит ток при обеих полуволнах, причем в одном направлении.
Это свойство диодного моста используется в цепях постоянного тока, когда надо избежать ошибки полярности при подключении нагрузки. На вход мостовой схемы подается питающее напряжение, которое для нагрузки всегда будет верного направления, независимо от полярности подключения.
Такое исполнение не имеет недостатков, присущих однополупериодному выпрямителю:
Зато диодов понадобится вдвое больше, что ведет к увеличению веса и габаритов.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Еще один недостаток мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя – падение напряжения на двух диодах. Это может иметь значение при малых напряжениях. Поэтому, если есть источник питания со средней точкой, двухполупериодную схему можно организовать другим способом.
Подобное включение является комбинацией двух однополупериодных выпрямителей. Очевидно, что в течение каждого полупериода ток течет через нагрузку и только через один диод. Потери напряжения в данном случае меньше. Недостаток схемы – надо иметь трансформатор со сложной вторичной обмоткой (или с двумя одинаковыми).
Выпрямители для трехфазной сети
Намного более высокие технико-экономические показатели можно получить, если выпрямлять трехфазное переменное напряжение. В простейшем случае к каждой фазе подключается однополупериодный выпрямитель, а нагрузка включается между точкой соединения катодов диодов и нулевым проводом.
На выходе такого устройства получается пульсирующее напряжение, имеющее гораздо более «прямую» форму, чем на выходе двухполупериодного однофазного, падение напряжения происходит всего на одном диоде, а коэффициент пульсаций составляет 14% при утроенной частоте относительно входной. Это означает, что для сглаживания напряжения на нагрузке потребуется конденсатор гораздо меньшей ёмкости.
Несмотря на хорошие параметры, в этой схеме не удается победить некоторые врожденные болезни однополупериодных устройств:
- не полное использование мощности источника (отрицательные полуволны бесполезно «срезаются»);
- ЭДС трансформатора также используется не полностью.
Поэтому лучше применять мостовую трехфазную схему выпрямителя. Среди рассмотренных вариантов она имеет лучшие энергетические характеристики:\
Недостатки те же, что и у однофазного моста:
К тому же для реализации таких выпрямителей, как минимум, нужна трехфазная сеть, а также трехфазный трансформатор.
К особенностям этой схемы можно отнести отсутствие необходимости подключения к нулевому проводу. Следовательно, теоретически такое включение можно применять в трехфазных сетях с изолированной нейтралью (10-35 кВ).
Существуют и другие схемы выпрямителей – с умножением напряжения, управляемые выпрямители с использованием тиристоров и т.п. Понять принцип их работы несложно, разобравшись с устройством и работой приведенных электронных узлов.
