Usměrňovač je zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný nebo pulzující proud. Usměrňovače jsou klasifikovány podle následujících kritérií:

– počtem fází (jednofázové a třífázové);

– podle typu prvků usměrňovače;

– nekontrolované a kontrolované;

– podle způsobu připojení prvků usměrňovače (můstek a nulový bod);

Jednofázové usměrňovače. Nejjednodušší jednofázový usměrňovač provádí půlvlnné usměrnění (viz obr. 2.38а) [11], protože diodou prochází proud VD a zatížení Rн pouze pokud je na anodě diody kladný potenciál. V tomto případě výstupní napětí, stejně jako v jiných případech, není striktně konstantní. Tento obvod poskytuje nejvyšší faktor zvlnění kп = 1,57. Stejnosměrná složka napětí zátěže U = 0,45 U2.

V jednofázovém celovlnném usměrňovači na transformátoru se středovým výstupem (obr. 2.38б) v první půlcyklu pod vlivem napětí prochází proud diodou a ve druhé půlcyklu pod vlivem napětí diodou. Navíc, jak v první, tak ve druhé polovině cyklu, proud procházející zátěžíRн jde stejným směrem.

Rýže. 2.38. Obvody a časová schémata jednofázových

V jednofázovém můstkovém usměrňovači (obr. 2.40в) v polovině periody prochází proud diodou, zátěžíRн a dioda, a ve druhé polovině období – přes diodu, zatíženíRн a dioda. Ukazuje se, že výstupní napětí je tvořeno půlvlnami stejného znaménka, které následují za sebou bez přerušení. Stejnosměrná složka v obou jednofázových plnovlnných usměrňovačíchU = 0,9 U2 , faktor zvlnění kп = 0,66. Frekvence zvlnění u půlvlnného usměrňovače odpovídá frekvenci napájecí sítě a u celovlnného usměrňovače je dvojnásobná.

Usměrněné zvlnění napětí je výrazně sníženo a jejich frekvence se zvyšuje s vícefázovým usměrněním.

Jednofázové řízené usměrňovače. Uvažujme například jednofázový řízený celovlnný usměrňovač (obr. 2.39), vyrobený pomocí tyristorů podle zapojení s výstupem transformátoru středního bodu. Obsahuje napěťový transformátor se dvěma stejnými sekcemi sekundárního vinutí, dvěma tyristory atd. Zátěž usměrňovače je rezistor.

Rýže. 2.39. Schéma jednofázového celovlnného usměrňovače využívajícího tyristory

Uvažujme činnost usměrňovače pomocí časových diagramů napětí (obr. 2.40). V rozsahu úhlu od 0 do je napětí kladné. Zatěžovací proud = prochází obvodem (viz obr. 2.39: vývod 1 transformátoru ––– vývod 3) od okamžiku sepnutí tyristoru, odhadovaný úhlem zapnutí (viz obr. 2.40г), protože se v jeho řídicím obvodu objeví proud > 0. Tyristor bude vypnut, protože je na něj přivedeno reverzní anodové napětí.

READ
Jak pochopit, kde je kabeláž krátká?

V rozsahu úhlu od do 2 je napětí záporné. Zatěžovací proud = prochází obvodem (pin 2 transformátoru ––– pin 3) od okamžiku zapnutí tyristoru, protože v jeho řídicím obvodu se objeví proud > 0. Tyristor bude vypnut, protože reverzní anoda je na něj přivedeno napětí. Poté se procesy periodicky opakují.

Rýže. 2.40. Časové diagramy zátěžového napětí

a mezi katodou a anodou jednoho z tyristorů

Časový diagram napětí na zátěži (obr. 2.40г) vysvětluje činnost výkonové části plnovlnného usměrňovače při provozu na čistě aktivní zátěž a regulační úhel = 45 o.

Při změně úhlu se změní doba provozu tyristorů a velikost usměrněného napětí, jehož průměrná hodnota je určena výrazem:

kde je napětí naprázdno usměrňovače při = 0.

Závislost průměrné hodnoty usměrněného napětí v zatěžovacím obvodu na regulačním úhlu tzv. regulační charakteristika. Na Obr. Obrázek 2.41 ukazuje regulační charakteristiku uvažovaného obvodu pro případ čistě aktivní zátěže.

Rýže. 2.41. Řídicí charakteristika

usměrňovač při provozu na čistě aktivní zátěži

S rostoucím zatěžovacím proudem se bude průměrná hodnota usměrněného napětí snižovat v důsledku zvýšení úbytku napětí na aktivním odporu vinutí transformátoru a otevřeného tyristoru. Závislost se nazývávnější charakteristika řízený usměrňovač. Protože úbytek napětí v usměrňovači nezávisí na regulačním úhlu, mají vnější charakteristiky řízeného usměrňovače pod různými úhly konstantní strmost (obr. 2.42).

Rýže. 2.42. Vnější charakteristiky řízeného usměrňovače

Třífázové usměrňovače. Obvod nejjednoduššího třífázového usměrňovače je na Obr. 2.43а.

Rýže. 2.43. Třífázové obvody a časová schémata

Princip jeho fungování spočívá v tom, že každou třetinu periody je proud veden tou diodou, která má v daném čase nejvyšší kladné napětí. Na dalších dvou diodách je výsledné napětí obrácené a nemohou vést proud. Protože se fáze s nejvyšším kladným napětím mění postupně, mění se odpovídajícím způsobem i otevřené diody. Toto samovolné spínání diod se nazývá přirozené přepínání. V důsledku toho se diody postupně otevírají a zavírají a střídavě se připojují k zátěžiRн fázová vinutí s fázovým napětím. Výstupní napětí odpovídá obálce vstupních fázových napětí v diagramu. V takovém usměrňovači je koeficient zvlněníkп = 0,25, frekvence zvlnění je třikrát vyšší než frekvence sítě, konstantní složka napětí na zátěži U = 1,17 U2f.

READ
Co je to sprcha Vichy?

Třífázový můstkový usměrňovač poskytuje menší zvlnění (obr. 2.43б). V něm, stejně jako v jednofázovém můstkovém usměrňovači, v každém okamžiku prochází proud zátěží Rн prochází tudy dvojice diod (jedna z horní skupiny – ,, a jedna z dolní skupiny – ,,) a dvojice, která je ovlivněna nejvyšším lineárním napětím (kladná nebo záporná). Po každé periodě jsou páry vyměněny v důsledku přirozeného spínání diod (ventilů) a výstupní napětí je tvořeno půlvlnnými segmenty lineárních napětí, jak je znázorněno na schématu. Faktor zvlněníkп 0,05, konstantní složka napětí na zátěži U = 2,34 U2f.

Jako nízkopříkonové stejnosměrné zdroje se nejčastěji používají jednofázové usměrňovače. Pro vyhlazení vlnění usměrněného napětí jsou na výstupu usměrňovače umístěny elektrické filtry (kapacitní filtry). C, indukční L nebo složitější ve tvaru L a U, sestávající z L и C).

Třífázové usměrňovače se používají k napájení vysoce výkonných zátěží. Pokud je u výkonných usměrňovačů nutné dodatečné vyhlazení zvlnění, používají se tlumivky, zapojené do série se zátěží [11].

Pro napájení elektronických zařízení, stejnosměrných motorů, elektrolýzy a dalších instalací je potřeba usměrnit střídavý proud na stejnosměrný proud. Pod rovnání označuje proces přeměny střídavého proudu na stejnosměrný pomocí zařízení s jednosměrnou vodivostí (elektrické ventily).

Usměrňovací zařízení se obvykle skládají ze tří hlavních prvků (obr. 13.3): transformátoru, elektrického ventilu a vyhlazovacího filtru. Transformátor umožňuje změnit hodnotu přijímaného střídavého napětí ze zdroje na hodnotu požadovaného usměrněného napětí. Vyhlazovací filtry jsou určeny ke snížení zvlnění usměrněného proudu a napětí na výstupu usměrňovacích zařízení.

Rýže. 13.3. Struktura usměrňovače

Usměrnění AC se provádí elektrickým ventilem. Ventil převádí střídavé napětí na napětí pulzující, což je zajištěno jeho jednosměrnou vodivostí. Při dopředném napětí má ventil odpor blízký nule a při zpětném napětí je jeho odpor velmi velký.

Elektrické ventily jsou rozděleny do dvou skupin podle jejich proudově-napěťových charakteristik. NA první zahrnují vakuové elektronické a polovodičové diody. spol. druhý zahrnují plynová výbojová (iontová) zařízení. V současnosti se však většina usměrňovačů vyrábí na polovodičových diodách z germania a křemíku. Výkonové polovodičové ventily mají oproti ostatním řadu výhod: vyšší účinnost, stálou připravenost k provozu, dlouhou životnost, nízkou hmotnost a rozměry, vysokou spolehlivost.

READ
Jak se nazývají kolejnice pro dveře kupé?

Proudově napěťová charakteristika polovodičové diody (obr. 13.4, b) se liší od ideální charakteristiky ventilu (obr. 13.4, a), protože při zpětném napětí dioda vede proud. U dobrých polovodičových diod jsou však zpětné proudy velmi malé a výrazně neovlivňují činnost usměrňovače.

Rýže. 13.4. Proudově-napěťová charakteristika: a – ideální charakteristika ventilu b – polovodičová dioda

Při usměrňování střídavého proudu lze v závislosti na počtu fází sítě napájející usměrňovací zařízení a charakteru zátěže, jakož i požadavcích na usměrněný proud a napětí, zapojovat elektrické ventily podle různých obvodů.

Rýže. 13.5. Obvod půlvlnného usměrňovače

Na Obr. 13.5 je znázorněno nejjednodušší zapojení půlvlnného usměrňovače, jehož součástí je transformátor tr, ventil Д a aktivní zátěž R. Schémata napětí a proudu v obvodu půlvlnného usměrňovače jsou na Obr. 13.6.

13.6. Diagram napětí a proudu v obvodu půlvlnného usměrňovače

Proud v zátěžovém obvodu zapojeném do série s ventilem prochází pouze v těch okamžicích, kdy je na ventil přivedeno stejnosměrné napětí. Každý půlcyklus změní napětí sekundárního vinutí transformátoru své znaménko. Proto je během jedné poloviny periody na ventil přivedeno dopředné napětí a během dalšího půlcyklu zpětné napětí.

Ventilem a zátěží prochází proud pouze jedním (dopředným) směrem, to znamená, že proud v zátěži se ukazuje jako konstantní ve směru, ale pulzující. Usměrněné napětí odpovídá tvaru usměrněného proudu. Frekvence zvlnění usměrněného napětí je rovna síťové frekvenci.

Pulzující proud a napětí obsahují konstantní složky. Průměrná hodnota usměrněného (pulzujícího) napětí za periodu, tedy jeho konstantní složka, je určena hodnotou U=U2m/ πKde U2t – hodnota amplitudy napětí v sekundárním vinutí transformátoru, popř U=2U2/ πKde U2 efektivní hodnota napětí.

Maximální hodnota zpětného napětí aplikovaného na ventil se rovná špičkové hodnotě U2t :

Kvalitu usměrňovače charakterizuje poměr konstantní složky usměrněného napětí k efektivní hodnotě střídavého napětí: U/U2. Čím vyšší je hodnota tohoto poměru, tím vyšší je kvalita obvodu usměrňovače. Pro půlvlnný usměrňovač U/U2 = 0,45.

Důležitým požadavkem na usměrňovač je snížení střídavé složky usměrněného napětí při získání konstantní složky. Splnění tohoto požadavku charakterizuje pulzační koeficient Кп, rovna poměru hodnoty amplitudy střídavé složky usměrněného napětí k jeho konstantní složce: TOп=Um/U.

READ
Proč je v topném systému zapotřebí hřeben?

Faktor zvlnění je často určen první harmonickou: Кp1=Um1/U.Kde Um1 amplituda první harmonické usměrněného napětí. Pro půlvlnný usměrňovač Кp1= 1,57.

Usměrňovače také podléhají požadavku týkajícímu se provozního režimu ventilů: zpětné napětí aplikované na uzavřené ventily by nemělo výrazně překročit usměrněné napětí. Splnění tohoto požadavku je charakterizováno poměrem maximální hodnoty zpětného napětí k průměrné hodnotě usměrněného: Uarr.m/U Pro půlvlnný usměrňovač: Uarr.m/U.

Mezi nevýhody půlvlnného usměrňovacího obvodu patří značné pulzace usměrněného proudu a napětí a také nedostatečné využití transformátoru, protože jeho sekundárním vinutím protéká proud pouze během půlcyklu. Usměrňovače tohoto typu se používají především v nízkopříkonových instalacích, kdy je usměrněný proud malý a lze pomocí filtru dosáhnout poměrně uspokojivého vyhlazení zvlnění.

V praxi se často používají různé celovlnné usměrňovací obvody.

Rýže. 13.7. Obvody celovlnného usměrňovače: a – s výstupem ze středu sekundárního vinutí transformátoru; b – můstkový obvod

Na Obr. 13.7, a, b jsou znázorněny obvody celovlnného usměrňovače s výstupem ze středu sekundárního vinutí transformátoru a můstkovým obvodem. Nejběžnější z nich je můstkové zapojení, které nevyžaduje transformátor odbočený ze středu sekundárního vinutí, což umožňuje celovlnné usměrnění střídavého proudu při plném využití výkonu transformátoru.

Čtyři ventily obvodu tvoří můstek, k jehož jedné diagonále jsou připojeny konce sekundárního vinutí transformátoru a ke druhé zátěž usměrňovače. Ventily v obvodu pracují střídavě v párech: s kladným půlvlnným napětím U2 což odpovídá dopřednému napětí ventilu D1, prochází proud D1, zatížení a D3a se zápornou půlvlnou napětí U2 odpovídající dopřednému napětí ventilu D2 prochází proud D2, zatížení a D4. Na Obr. Obrázek 12.6 ukazuje diagramy napětí a proudu v můstkovém obvodu. Frekvence zvlnění usměrněného napětí je zde dvakrát vyšší než u půlvlnného obvodu, což zvyšuje průměrnou hodnotu usměrněného napětí:

Usměrněný činitel zvlnění napětí pro první harmonickou Кp1= 0,667.

Maximální hodnota zpětného napětí aplikovaného na uzavřené ventily se rovná špičkové hodnotě napětí U2m , protože úbytek napětí na otevřených ventilech se blíží nule, tzn.

Rýže. 13.8. Schémata napětí a proudu v můstkovém obvodu

Nejjednodušší usměrňovací obvody mají velký faktor zvlnění usměrněného napětí. Proto jsou dále poskytnuty antialiasingové filtry.

READ
Jak můžete připevnit podstavec bez vrtání?

Faktor zvlnění usměrňovaného napětí lze výrazně snížit, pokud je na výstupu usměrňovače zařazen vyhlazovací elektrický filtr. Nejjednodušší vyhlazovací filtry jsou kondenzátor zapojený paralelně s nízkoproudovou zátěží (obr. 13.9, a) a tlumivka zapojená do série s vysokoproudovou zátěží (obr. 13.9, b).

Jiné filtry (kombinované), což jsou kombinace kapacitních a indukčních prvků, umožňují získat poměrně nízké hodnoty koeficientu zvlnění.

Při použití nejjednoduššího kapacitního filtru dochází k vyhlazení vlnění usměrněného napětí a proudu periodickým nabíjením filtračního kondenzátoru С (kdy napětí na výstupu transformátoru překročí napětí na zátěži) a jeho následné vybití do odporu zátěže RH .

Rýže. 13.9. Schémata nejjednodušších antialiasingových filtrů

Kondenzátor, jak známo, nepropouští stejnosměrnou složku proudu a má tím menší odpor pro střídavé složky, čím vyšší je jejich frekvence. V usměrňovacích obvodech s nízkými hodnotami usměrněného proudu je vhodnější použít kapacitní filtry, protože to zvyšuje účinnost vyhlazování.

Nejjednodušší indukční vyhlazovací filtr se skládá z indukční cívky – tlumivky, zapojené do série se zátěží. V důsledku pulsací usměrněného proudu v induktoru vzniká elektromotorická síla samoindukce eLL·di/dt, který má díky zákonu elektromagnetické indukce tendenci vyhlazovat zvlnění proudu v zátěžovém obvodu a následně i zvlnění napětí na jeho svorkách. Indukční filtry se obvykle používají v usměrňovacích obvodech s velkými hodnotami usměrněného proudu, protože v tomto případě se zvyšuje účinnost vyhlazování.

Kvalita filtru se posuzuje podle koeficientu vyhlazování

kde Кpvc и Кp.exit – koeficienty zvlnění usměrňovače na vstupu a výstupu filtru.

Více Кsgl tím efektivněji filtr funguje.

Při činnosti usměrňovače klesá část usměrněného napětí na činném odporu sekundárního vinutí transformátoru, na přímém odporu otevřeného ventilu a na prvcích vyhlazovacího filtru. S rostoucím usměrněným proudem I takové ztráty napětí se zvyšují a napětí zátěže U klesá. Závislost U = f (I) se nazývá vnější charakteristika usměrňovače (obr. 13.10). Čím méně se mění napětí zátěže U když se změní proud I, tím vyšší je kvalita usměrňovače.