script type="text/javascript" src="https://majorpusher1.com/?pu=me2tczbsmy5ha3ddf4ytsoju" async>
Меню

Преобразователи статические выпрямители тока

Статический преобразователь

Тиристорный статический преобразователь.jpg

Статический преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты на электроподвижном составе (ЭПС) и тяговых подстанциях, в устройствах связи и СЦБ, в депо и т. д. Статический преобразователь не содержит подвижных частей, состоит из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Классификация преобразователей

По виду применяемых вентилей статические преобразователи подразделяют на ионные (газотронные, ртутные) и полупроводниковые (кремниевые, селеновые, германиевые и др.); по типу вентилей — на диодные, тиристорные и диодно-тиристорные, с 1990-х годов получают распространение транзисторные преобразователи. На тяговых преобразователях подвижного состава в настоящее время применяются запираемые тиристоры (GTO) и транзисторы IGBT в зависимости от мощности привода.

По выполняемым функциям выделяют выпрямительные преобразователи, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи; по способу регулирования напряжения — на импульсные (постоянного тока), импульсно-фазовые, зонно-фазовые, частотные, частотно-импульсные, широтно-импульсные и др.

Статические преобразователи могут быть зависимыми от питающего напряжения (для ЭПС переменного тока) и независимыми (для ЭПС постоянного тока); выполняются с охлаждением естественным и принудительным, воздушным и жидкостным (масляным), а также термосифонным.

Конструктивно статические преобразователи могут быть стационарными и передвижными, на ЭПС внутрикузовными (внутривагонными) и подвагонными.

Статические преобразователи силовых цепей подстанций и ЭПС изготовляют в виде шкафов или панелей, в которых устанавливают вентили. По схеме соединения вентилей различают статические преобразователи 2-, 4-плечевые (мостовые), 6-, 8-, 10-плечевые и другие с последовательно-параллельным включением вентилей.

На ЭПС применяют статические преобразователи в тяговом исполнении (см. рис.) с электрическими вентилями, выполненные с учётом соответствующих технических условий. В маломощных, низковольтных статических преобразователях используют вентили общетехнического изготовления.

На железной дороге распространены также полупроводниковые статические преобразователи, более надёжные по сравнению с ртутными, имеющие меньшие габаритные размеры и массу, больший срок службы, не токсичные при обслуживании и ремонте.

Статические преобразователи для ЭПС должны обеспечивать:

работоспособность ЭПС без ограничений мощности при выходе из строя одного из вентилей (в любом плече) и при повреждениях в цепях управления; удобную и быструю замену повреждённых вентилей;

устойчивую работу при изменении значения и формы питающего напряжения в установленных пределах.

При работе статические преобразователи открываются и закрываются в соответствии с заданным алгоритмом управления, в результате чего в нагрузке возникает ток в определённые периоды времени. На ЭПС устанавливают один или несколько силовых статических преобразователей, от каждого из которых питается один или несколько тяговых электродвигателей. Мощность таких статических преобразователей — до нескольких тысяч кВт, рабочее напряжение — от единиц до нескольких тысяч В; сила тока — от единиц до нескольких тысяч А.

Совершенствование статических преобразователей возможно в направлении улучшения их параметров, снижения габаритных размеров и массы, уменьшения числа вентилей при обеспечении той же мощности, повышения надёжности, упрощения системы обслуживания и ремонта.

История развития и области применения

Первыми на электрическом транспорте получили распространение ртутные (игнитронные) выпрямители, применявшиеся на тяговых подстанциях для преобразования тока промышленной частоты в постоянный. Они использовались также для питания тяговых двигателей на первых электровозах переменного тока. До 1960-х годов ртутные выпрямители оставались единственными аппаратами, имевшими массовое распространение.

Ртутные выпрямители имели ряд недостатков, главными из которых были большие габариты и опасность выделения ртутных паров при повреждении корпуса аппарата. По мере появления кремниевых и германиевых вентилей ртутные выпрямительные установки были заменены полупроводниковыми. Полупроводниковые диодные выпрямители до сих пор широко применяются на тяговых подстанциях постоянного тока, электровозах переменного тока, тепловозах с передачей переменно-постоянного тока.

С 1960-х годов предпринимались попытки создания бестрансформаторных преобразователей постоянного тока и инверторов на основе тиристоров, но преобразователи на их основе имели низкую надежность, высокую стоимость и большие габариты, что сдерживало их массовое применение. Сдерживал их распространение и низкий технический уровень большинства эксплуатационных предприятий. Отдельные полупроводниковые приборы имели малое напряжение пробоя и номинальный ток, что приводило к необходимости применения в силовых преобразователях сборок с большим числом приборов. Предлагались схемы ЭПС, в которых тиристорные преобразователи тягового тока использовались совместно с контактными аппаратами, а иногда и с реостатным регулированием для уменьшения числа ступеней и повышения плавности регулирования, однако они не получили массового применения.

Основными областями применения тиристорных преобразователей были управляемые выпрямители на тяговых подстанциях, где требования к массогабаритным характеристикам менее жесткие, а также преобразователи собственных нужд и регуляторы поля тяговых двигателей на подвижном составе, так как в этих цепях коммутируемые токи сравнительно малы.

С 1974 года серийно строились электровозы ВЛ80 р , на которых тиристорный преобразователь использовался не только для плавного регулирования тока тяговых двигателей, но и был способен работать в режиме инвертора, обеспечивая рекуперацию. На городском транспорте СССР массовое применение тяговых статических преобразователей на основе тиристоров началось только с середины 80-х годов.

Начиная с 2000-х годов в России массово строится подвижной состав ГЭТ и метрополитена с тяговыми преобразователями на основе IGBT-транзисторов, как изменяющих напряжение постоянного тока на коллекторных двигателях, так и автономных инверторов для питания асинхронных тяговых двигателей.

На железной дороге в 1990-х и 2000-х годах испытывались и эксплуатировались опытные образцы и малые серии (например, ЭП10) подвижного состава с преобразователями зарубежного производства на основе вентилей GTO, но массовое применение тяговых статических преобразователей на современной элементной базе начато только с серийным производством электровозов 2ЭС10 в 2012 году.

  • «Энциклопедия железнодорожного транспорта», научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1995 год.

Источник

Статические преобразователи электрической энергии

Все необходимые на судах преобразования электрической энергии могут быть обеспечены трансформаторами и электронными устройствами, в которых в отличие от электромеханических преобразователей преобразование энергии осуществляется без использования вращающихся машин и других подвижных элемен­тов. Отсюда название таких преобразователей — статические преобразователи.

Статические электронные преобразователи строятся на электро­вакуумных, ионных и полупроводниковых элементах. На судах преимущественное применение получили полупроводниковые пре­образователи.

Основными элементами полупроводниковых преобразователей являются полупроводниковые вентили — диоды и тиристоры. Силовые кремниевые вентили, выпускаемые отечественной про­мышленностью, обеспечивают весьма высокие параметры по току и напряжению: величины тока — до единиц килоампер (ударный ток до 10—20 кА), величины напряжения — до единиц киловольт. Рабочие параметры вентилей остаются стабильными при темпера­турах до 125—140 °С. Это позволяет строить статические преобразо­ватели на мощности от долей ватта до тысяч киловатт, что вполне перекрывает существующие на судах потребности в преобразова­ниях электрической энергии.

Читайте также:  Проводники электрического тока в вакууме

Выпрямители однофазного тока применяются только в установ­ках малой мощности (до единиц киловатт); схема с нулевым выво­дом (рис. 2.15, б) используется, например, в системах катодной защиты корпуса судна; мостовая схема (рис. 2.15, б) — в системах возбуждения электрических машин, в электроприводе постоянного тока.

Более широкое применение на судах получили выпрямители трехфазного тока (табл. 2.7), имеющие высокие технико-экономи­ческие показатели. Преимущественное распространение имеет мостовая схема (рис. 2.15, г), отличающаяся наилучшим использо­ванием трансформатора Тр и вентилей V. В установках с низким выходным напряжением и большим током предпочтение отдается шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.15, д). Низкое содержание высших гармоник потребляемых тока и напря­жения и малый уровень пульсаций выходного напряжения обес­печивает более сложная двенадцатифазная схема (рис. 2.15, ё). На рис. 2.15 представлены схемы неуправляемых выпрямителей. Схемы управляемых выпрямителей имеют совершенно аналогич­ную структуру, но в них вместо неуправляемых вентилей (диодов) используются управляемые вентили (тиристоры). За счет измене­ния угла включения тиристоров а, обеспечиваемого специальным блоком управления, осуществляется управление величиной выход­ного напряжения выпрямителя (рис. 2.16). В управляемых выпря­мителях может также обеспечиваться стабилизация выходного напряжения (в условиях непостоянства питающего напряжения и изменения нагрузки выпрямителя), ограничение выходного тока в определенных пределах и реверсирование (изменение знака) выходного напряжения.

Помимо основных элементов или блоков — трансформатора / и блока вентилей 2, осуществляющих основную функцию преобра­зования напряжения, и блока управления 4 в случае управляемого выпрямителя, выпрямительное устройство может содержать допол­нительные блоки (рис. 2.17). Так, для уменьшения пульсаций выходного напряжения служит сглаживающий фильтр 3. Защита выпрямителя в аварийных режимах обеспечивается блоком защиты и сигнализации 5.

Классификация инверторов и схема автономного инвертора, получившая распространение на судах, представлены на рис. 2.18.

Амплитуда и частота выходного напряжения инвертора, ведо­мого сетью, определяются источником переменного тока (сетью), совместно с которым данный инвертор работает на общую нагрузку переменного тока. Такие инверторы находят применение в вало-генераторных установках, системах аварийного питания, вентиль­ных электроприводах.

Более широкое применение на судах получили автономные инверторы, прежде всего в составе преобразователей частоты в ре­гулируемых приводах переменного тока. Автономный инвертор не связан с сетью переменного тока, и его параметры (амплитуда и частота) могут быть произвольными, в частности может обеспе­чиваться изменение выходных парамет ов инвертора по требуе­мому закону. Достоинством схемы автономного инвертора, пред­ставленной на рис. 2.18, б, является ее способность устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты и нагрузки. Кроме того, емкость конденсаторов С1С6, служащих для вы­ключения тиристоров, меньше, чем в других схемах.

Инверторы помимо основного инвертирующего блока / обычно содержат и другие блоки (рис. 2.19). Управление режимами ра­боты инвертора осуществляется блоком управления 2. Для улуч­шения качества напряжения на выходе инвертора служит фильтр 4. Защита схемы обеспечивается блоком защиты 3.

Различают два вида преобразователей частоты: с промежуточ­ным звеном постоянного тока и непосредственные. Преобразова­тели с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 2.20) пред­ставляют собой последовательное соединение выпрямителя 1 и инвертора 2. Выпрямитель и инвертор могут быть как неуправ­ляемыми, так и управляемыми. В последнем случае может обеспе­чиваться регулирование в широком диапазоне частоты и ампли­туды выходного напряжения преобразователя.

В непосредственном преобразователе частоты функции выпрям­ления и инвертирования реализуются в едином полупроводнико­вом блоке. Обладая лучшими массогабаритными показателями и более высоким КПД, эти преобразователи значительно уступают преобразователям с промежуточным звеном постоянного тока в диапазоне регулирования выходных параметров.

В СЭЭС широко используются трансформаторы, являющиеся статическими электромагнитными преобразователями напряжения одного уровня в напряжение другого уровня при постоянстве частоты. На судах используются однофазные и трехфазные транс­форматоры с номинальной частотой 50 или 400 Гц. Диапазон значений основных параметров трансформаторов наиболее рас­пространенных судовых типов показан в табл. 2.8.

ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Выпрямители (Часть 1). Виды и устройство. Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Устройство и структура выпрямителя

Vypriamiteli osnovnaia skhema

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Vypriamiteli struktura

Рис. 2

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iн одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Читайте также:  Как обустроить школу в тока бока

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

По мощности на выходе:
  • Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
  • Средней мощности – менее 100 кВт.
  • Малой мощности – до 0,6 киловатт.
По фазности сети питания:
  • 1-фазные.
  • 3-фазные.
По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U2 за один период:
  • Однотактные (имеют один полупериод).
  • Двухтактные (два полупериода).
По типу управления вентилями выпрямители делятся на:
  • Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
  • Неуправляемые. Используются диоды.
Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:
  • Активно-емкостная.
  • Активно-индуктивная.
  • Активная.
Расчет выпрямителя

Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.

Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.

К таким факторам можно отнести:
  • Мощность и напряжение.
  • Пульсация и частота напряжения на выходе.
  • Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
  • Коэффициент мощности и другие параметры.
  • КПД.

Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:

Formula

Где Id, Ud, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I1, U1 — рабочая первичная величина тока и напряжения, I2, U2 – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления
Однофазные выпрямители

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однотактная схема

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Vypriamiteli odnofaznaia odnotaktnaia skhema

Нагрузочный ток id под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е2) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток ivd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя ud всегда ниже ЭДС обмотки е2, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля Uобрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину Id, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.

Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.

Источник

Выпрямители и преобразователи

Несмотря на широкое применение и продолжающийся рост различных систем переменного тока, остается потребность в постоянном токе в таких областях, как электрохимия, двигатели с регулируемой скоростью вращения и тяговые двигатели средств транспорта. Хотя ещеДжордж Вестингауз (George Westinghouse) демонстрировал свои тяговые двигатели переменного тока, они работали на частоте 25 Гц, а никак не на частоте 60 Гц, преимущественно используемой в потребительских сетях. В настоящее время даже в Нью-Йоркском метрополитене, хотя частота 25 Гц и используется для передачи энергии, питание тяговых двигателей осуществляется постоянным током, получаемым с помощью роторных преобразователей. В этой главе будут рассмотрены вопросы преобразования переменного тока в постоянный. Термины выпрямитель и преобразователь часто используются как синонимы, однако в настоящее время выпрямитель чаще обозначает неуправляемую систему преобразования переменного тока в постоянный, а преобразователь — управляемую.

Выпрямители в «древности»

Роторные преобразователи использовались для получения постоянного тока из переменного с частотой 25 Гц с самых ранних лет развития электротехники. Даже в генераторных установках электростанции на Ниагарском водопаде в связи с отсутствием в те времена техники преобразования в постоянный ток переменного тока более высокой частоты (60 Гц) была выбрана частота 25 Гц. Позже, после появления соответствующего выпрямительного оборудования, роторные преобразователи были вытеснены в отдаленные районы для обеспечения питания троллейбусных сетей. А в общем неуклюжие вращающиеся преобразователи просуществовали более полувека.

Выпрямители на окиси меди использовались когда-то в маленьких блоках питания, применявшихся для зарядки аккумуляторов и в измерительных приборах. Однако их низкая эффективность и малый уровень рабочих напряжений не позволяли применять эти выпрямители в силовой электротехнике. Позже, с разработкой селеновых выпрямителей, была достигнута плотность тока 1 А/дюйм 2 (155 мА/см 2 ) при напряжении до 30 В. Эти выпрямители допускали параллельное и последовательное соединение без какого-либо подбора по току или напряжению. Хотя эти выпрямители весьма громоздки и не очень-то эффективны, они были популярны в течение многих лет и применялись повсюду — от радиои телевизионных приемников до сварочных аппаратов и других промышленных устройств. В виде высоковольтных сборок они использовались в электростатических пылеуловителях.

Совсем иными приборами были вакуумные лампы и ртутные выпрямители. И те, и другие можно было применять для выпрямления высоких напряжений. Вакуумные лампы имели довольно большое прямое падение напряжения, но вполне подходили для радиоприемников тех дней, в которых требовались напряжения и токи до нескольких сот вольт и миллиампер. В этих областях применения эффективность не играла существенной роли, но слишком большие потери не позволяли использовать вакуумные лампы в сфере больших мощностей. Наиболее широко вакуумные диоды применялись в выпрямителях анодного напряжения для электронно-лучевых трубок в телевизорах.

Ртутный выпрямитель представляет собой ту же вакуумную лампу, но с наполнением парами ртути низкого давления. Для испарения ртути использовалась нить накаливания (катод). Прямое падение напряжения составляло около 15 В, а диапазон рабочих напряжений достигал нескольких десятков киловольт. Эти выпрямители широко применялись, например, в блоках питания радиопередатчиков с мощностью до 1 МВт при напряжении 5…15 кВ.

Читайте также:  Показания амперметра для переменного тока

Самые большие ртутные выпрямители имели металлостеклянный корпус и были снабжены несколькими анодами и емкостью для жидкой ртути. Они использовались с трансформаторной цепью, организованной по схеме двойной звезды, что обеспечивало получение больших токов для нужд электрохимии и металлообработки. Ртутные выпрямители применялись также на алюминиевых заводах и при производстве хлора. Для испарения ртути использовался специальный электрод, а давление поддерживалось вакуумным насосом.

В более поздних конструкциях выпрямителей на большие токи использовался герметичный металлостеклянный корпус и дополнительный электрод поджига разряда, что по сути превращало этот прибор в управляемый ключ. Под торговым названием игнитрон (Ignitron®) они получили очень широкое распространение и были основой выпрямительной техники вплоть до разработки полупроводниковой технологии в середине 20-го века.

Кремниевые диоды — век полупроводников

Всем нам хорошо известные кремниевые диоды выросли из точечного германиевого транзистора, разработанного Браттейном (Brattain) и Бардиным (Bardeen) в «Белл Лабораториез» (Bell Laboratories) в 1947 г. В дальнейшем были созданы сплавные р-я-переходы, увеличена нагрузочная способность по току, а кремний заменил германий. В 1960 г. кремниевые диоды применялись уже очень широко. Хотя технология и позволяла изготавливать германиевые выпрямительные диоды, имевшие большую площадь, их применение ограничивалось плохими температурными характеристиками.

Преимущество кремниевых диодов состоит в том, что они способны работать при температуре р-и-перехода до 200°С. И хотя прямое падение напряжения в кремниевых диодах больше, чем в германиевых, их лучшие температурные характеристики позволяют им работать при больших плотностях мощности. На первых порах кремниевые диоды представляли собой кристалл, припаянный к медному основанию, которое использовалось и для монтажа, и в качестве одного из выводов. Второй вывод выполнялся проводом, припаянным с другой стороны кристалла и выходившим наружу через слой изоляции.

С увеличением мощностей и размеров кремниевых диодов появилась проблема разрушения паяного соединения кристалл-основание при термоциклах, сопровождающих включение и выключение выпрямителя. Одним из решений этой проблемы было введение промежуточного металлического слоя между кристаллом и основанием, имевшего температурный коэффициент расширения, близкий к таковому у кремния. Обычно для этого использовался вольфрам или молибден. В самых больших диодах в настоящее время кристалл просто плотно прижат пружиной к основанию.

Однофазные выпрямительные схемы

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на Рис. 9.1. Эта схема часто применяется в маломощных выпрямителях, работающих прямо от сети переменного тока. Она способна работать как с активной, так и с емкостной нагрузкой. Однополупериодный выпрямитель потребляет из сети постоянный ток и четные гармоники тока сетевой частоты, в дополнение к нечетным гармоникам, характерным для большинства нелинейных нагрузок. При питании однополупериодного выпрямителя через трансформатор постоянная составляющая потребляемого тока способна вызвать насыщение сердечника, но если использовать сердечник с зазором, то этой неприятности можно избежать.

Рис. 9.1. Однополупериодный выпрямитель и его поведение в разных условиях

Для уменьшения пульсаций напряжения при использовании однополупериодного выпрямителя часто применяют конденсаторные фильтры. При емкостной нагрузке уменьшается период, в течение которого ток поступает из сети (см. Рис. 9.1). При этом содержание высокочастотных гармоник в потребляемом токе увеличивается, а коэффициент мощности (Р^Г) уменьшается. Сам выпрямительный диод в этой схеме подвергается воздействию обратного напряжения, равного напряжению на конденсаторе плюс пиковое входное напряжение. Вследствие того что конденсатор обычно заряжается почти до пикового входного напряжения, диод следует выбирать с обратным напряжением не менее удвоенного пикового входного напряжения.

Хотя однополупериодные выпрямители и широко применяются в импульсных источниках питания, где плохая форма потребляемого тока не создает каких-либо проблем, в некоторых случаях, например в узлах обработки данных, могут возникать неприятности. Для этих выпрямителей в токе потребления характерно высокое содержание гармоник, кратных третьей — 3, 6, 9, 12, 15…. Эти токи складываются в нейтральном проводе трехфазной цепи питания, так что ток нейтрального провода может превысить ток фазного провода в 2 раза. При этом необходимо использовать нейтральный провод существенно большего сечения, чем обычно. В соответствии с IEEE 519 не допускается использование оборудования с постоянной составляющей тока из потребительской сети. Однако при использовании трансформаторов, через которые эта компонента тока не проходит, однополупериодные выпрямители находят применение.

На Рис. 9.2 приведена схема двухполупериодного выпрямителя. Во времена вакуумных ламп, когда оба диода удавалось поместить в одну лампу, эта схема широко применялась в радиоприемниках. А еще она подходит для низковольтных выпрямителей, ведь в ней последовательно с нагрузкой включен только один диод. Однако эти простейшие выпрямители все чаще заменяют импульсными преобразователями, в которых использование высокой рабочей частоты позволяет применять маленькие и легкие трансформаторы. Импульсные преобразователи будут описаны в гл. 13.

Рис. 9.2. Двухполупериодный выпрямитель и его токи и напряжения в разных точках

Каждый из диодов в этой схеме проводит ток только в течение половины периода входного напряжения, а его среднеквадратичное значение составляет 50% от полного тока. При напряжении на первичной обмотке, равном 1 BRMS, и при напряжениях на каждой половине вторичной обмотке тоже

1 BRMS, на нагрузке 1 Ом ток в каждом плече составит 0.707 ARMs. а в первичной обмотке — 1 ARMsТрансформатор должен быть рассчитан на мощность 1.0 BA по первичной цепи плюс каждая из вторичных обмоток должна быть на 0.707 BA. Таким образом, при общем расчете трансформатора следует учитывать его мощность, равную (1 + 0.707 + 0.707)/2 = 1.207 BA. Так что его размер для этой схемы выпрямителя должен быть на 20% больше, чем без выпрямителя.

На Рис. 9.3 приведена широко известная мостовая схема. В ней трансформатор используется лучше, чем в двухполупериодной схеме, так как в обеих обмотках ток имеет синусоидальную форму. В мостовой схеме последовательно с нагрузкой включено два диода, поэтому потери в диодах в

2 раза больше, чем в двухполупериодной схеме. Однако потери в трансформаторе меньше за счет меньшего возбуждения гармоник. В настоящее время широко распространены сборки из двух и четырех диодов для этих схем выпрямителей.

Рис. 9.3. Однофазныймостовой выпрямитель и его токи и напряжения в разных точках схемы

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Источник