Выпрямительные устройства: структурная схема и режимы работы

Выпрямительное устройство (ВУ) – это статический прибор, который преобразует поступающую на вход электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока. ВУ входит с состав систем электроснабжения и аппаратуры связи. Условное обозначение, применяемое в функциональных и структурных схемах изображено на рисунке 1.

Условное обозначение выпрямительного устройства

Рисунок 1 – Условное обозначение ВУ

В зависимости от числа фаз устройства источником электроэнергии U1(t) может служить однофазная или трёхфазная промышленная сеть. Знакопеременное напряжение U1(t) проходя через ВУ преобразуется в напряжение постоянного тока U0(t). Помимо постоянной составляющей U0 в преобразованном напряжении содержится переменная составляющая, которая называется пульсацией — Uп(t)=u0(t)-U0. Необходимый уровень пульсаций определяется параметрами подключаемой аппаратуры.

Структурная схема выпрямительного устройства

Выпрямители собираются по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием. Вторая схема в некоторых источниках называется схемой с бестрансформаторным входом. Рассмотрим традиционную схему, изображённую на рисунке 2.

Структурная схема традиционного выпрямительного устройства

Рисунок 2 – Структурная схема традиционного ВУ

Выпрямитель состоит из трёх компонентов: трансформатора (Т), диодного блока (ДБ) с подключённым на выходе сглаживающим фильтром (СФ). На вход схемы подаётся знакопеременное напряжение. В трансформаторе обеспечивается преобразование поступившей электроэнергии U1 в нужный уровень напряжения U2, которое необходимо на выходе. Помимо этого, трансформатор обеспечивает гальваническую развязку для изоляции подключённого оборудования от источника энергии.

Вентильный блок необходим для преобразования переменного напряжения U2 полученного с выхода трансформатора в постоянное напряжение u01. Диодный блок — это набор диодов, собранный по одной из однофазных или трёхфазных схем выпрямления. В управляемых выпрямителях для этой цели служат тиристоры.

Для снижения уровня пульсаций, после диодного блока идёт сглаживающий фильтр. Он сглаживает пульсации до требуемого уровня, который удовлетворяет требованиям подключаемой аппаратуры.

Большое применение в электропитании аппаратуры связи нашёл выпрямитель с двойным преобразованием, структурная схема которого изображена на рисунке 3.

Структурная схема выпрямительного устройства с двойным преобразованием

Рисунок 3 – Структурная схема ВУ с двойным преобразованием

Отличительной чертой этого выпрямителя является отсутствие на входе устройства силового трансформатора. Электроэнергия подаётся напрямую на диодный блок (ДБ1) к выходу которого подключен сглаживающий фильтр (СФ1). В некоторых случаях возможна установка корректора коэффициента мощности.

Затем выпрямленное напряжение поступает на регулирующий инвертор (РИ), который преобразует в знакопеременное напряжение высокой частоты и подаётся на ДБ2, где снова выпрямляется. Трансформатор высокой частоты, входящий в состав РИ обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от источника напряжения.

ВУ построенные по традиционной схеме просты в обслуживании и обладают высокой надёжностью, но имеют низкие массо-объёмные показатели и низкие энергетические показатели. ВУ с двойным преобразованием обладают высокими удельными массо-объёмными параметрами и высоким коэффициентом полезного действия.

Режимы работы

В любом выпрямителе после ДБ находится СФ. Он формирует форму токов протекающих по всем элементам ВУ, которые находятся после ДБ, а также определяет энергетические показатели ВУ в целом. Следовательно, существует три режима работы ВУ работающих на емкостную, индуктивную и смешанную нагрузку (Рисунок 4). Вкратце рассмотрим приведённые выше нагрузки.

Режимы работы выпрямительных устройств

Рисунок 4 – Режимы работы выпрямительных устройств

Работа выпрямителя на емкостную нагрузку означает, что конденсатор является первым элементом СФ. Сопротивление конденсатора в этом случае значительно меньше сопротивления стоящих следом за ним элементов, включая нагрузку, даже на частоте первой гармоники пульсации. Режим можно охарактеризовать низким коэффициентом полезного действия (КПД) и применяется в реальных устройствах, в которых потребляемая мощность не более двадцати ватт.

Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку означает, что дроссель является первым элементом СФ. Индуктивное сопротивление дросселя даже на частоте первой гармоники пульсации значительно больше результирующего сопротивления всех последующих элементов схемы, включая нагрузку. В этом режиме работы предполагает безразрывность тока, протекающего по обмоткам дросселя, даже при небольшом потреблении тока аппаратурой. Характеризуется минимальной потерей во всех элементах устройства по сравнению с другими режимами работы.

Режим работы выпрямителя на смешанную нагрузку предполагает, что в СФ используются как индуктивные элементы, так и емкостные. Во время небольшого потребления электроэнергии аппаратурой, выпрямительное устройство работает на нагрузку емкостного характера, а при большом потреблении на нагрузку индуктивного характера.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *