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.
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.
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].
Usměrňovač neboli měnič střídavého proudu na stejnosměrný je v elektrotechnice široce používán, neboť na stejnosměrný proud pracuje mnoho elektrických zařízení v městské a železniční dopravě, v chemickém a radiotechnickém průmyslu, v neželezné metalurgii atd. Jak již bylo naznačeno výše, v nejjednodušším případě je střídavý proud usměrněn elektrickým ventilem, který propouští proud (například sinusový) pouze nebo převážně v jednom směru. Podle typu použitých ventilů se usměrňovače dělí na elektrické kontaktní, kenotronové, gastro, tyratronové, rtuťové, polovodičové a tyristorové.
Existují obvody usměrňovače proudu: půlvlnné, celovlnné s nulovou svorkou a můstek. Na Obr. Obrázek 3.4 (a) ukazuje půlvlnný obvod jednofázového usměrňovače proudu. Hlavní prvky usměrňovače: transformátor (Tr), ventil (B) a vyhlazovací filtr (C). Napětí, obvykle sinusové, ze zdroje střídavého proudu přes transformátor Tr je přiváděno do ventilu B. Zátěžový proud teče pouze při kladné polaritě přiváděného napětí, tzn. při otevření B. KondenzátorС se nabíjí kladnými půlvlnami pulsujícího proudu a v pauzách odpovídajících časově záporným půlvlnám se vybíjí do zátěže a pulsující proud se vyhlazuje a zprůměruje. Takové obvody se používají v zařízeních s nízkým výkonem.
V celovlnném usměrňovacím obvodu se používá transformátor se středem v sekundárním vinutí (viz obr. 3.4, b). Díky tomuto spojení vinutí s ventily vzniká usměrněný proud z obou půlvln proudu. V tomto případě se frekvence zvlnění usměrněného proudu ve srovnání s půlvlnným usměrňovačem zdvojnásobí, což usnadňuje vyhlazování.
Obvod můstkového usměrňovače (obr. 3.4, c) je také celovlnný, ale sekundární vinutí transformátoru je vyrobeno bez středového bodu a má poloviční počet závitů ve srovnání se sekundárním vinutím proudového transformátoru na obr. 3.4. (b).
Dodatečné vyhlazení usměrněného proudu v těchto obvodech zajišťují indukčně-kapacitní nebo odporově-kapacitní filtry. Tyto obvody byly široce používány v automatizačních a telemechanických zařízeních.
V třífázových obvodech pro napájení zvláště výkonných průmyslových instalací, aby se zabránilo nesymetrickému zatížení napájecí sítě, se používají obvody třífázového usměrňovače proudu.
Rýže. 3.4. Obvody jednofázového usměrňovače:
Rýže. 3.5. Obvody usměrňovače třífázového proudu: a) půlvlnné; b) celovlnný most.
Primární vinutí transformátoru v takových usměrňovačích je zapojeno do hvězdy nebo trojúhelníku. Podle počtu sekundárních vinutí transformátoru se rozlišují 3-, 6-, 12-, 18-fázové atd. půlvlnné a můstkové usměrňovače pro třífázový proud. Na Obr. 3.5, (a) znázorňuje třífázový půlvlnný obvod. Primární vinutí transformátoru je zapojeno do trojúhelníku a sekundární vinutí je zapojeno do hvězdy. Fázové proudy jsou usměrněny a sečteny, aby vytvořily usměrněný výstupní proud. V třífázovém můstkovém obvodu (viz obr. 3.5, b) jsou obě vinutí transformátoru spojena hvězdou. Tento usměrňovací obvod je široce používán v mnoha odvětvích techniky. To je vysvětleno jeho dobrými technickými a ekonomickými ukazateli: efektivní využití transformátoru, nízké zpětné napětí na ventilu, relativně nízký koeficient zvlnění, vysoká účinnost atd. Třífázový můstkový usměrňovací obvod se používá stejným způsobem jako prvek složitějších kombinovaných usměrňovacích obvodů.Na Obr. Schémata 3.4 a 3.5 mají vzdělávací charakter, protože jasně ukazují principy konstrukce jednofázových a třífázových usměrňovačů s různými konstrukcemi (jedno-, celovlnné, můstkové).
Třífázový můstkový usměrňovací obvod je široce používán v mnoha oblastech techniky. To je vysvětleno jeho dobrými technickými a ekonomickými ukazateli: efektivní využití transformátoru, nízké zpětné napětí na ventilu, relativně nízký koeficient zvlnění, vysoká účinnost atd. Třífázový můstkový usměrňovací obvod se používá stejným způsobem jako prvek složitějších kombinovaných usměrňovacích obvodů.
