Usměrňovač

Usměrňovač ( elektrický proud ) - měnič elektrické energie ; mechanické, elektrovakuové, polovodičové nebo jiné zařízení určené k přeměně vstupního elektrického proudu střídavého směru na stejnosměrný proud [1] (tj. jednosměrný proud), v konkrétním případě na stejnosměrný výstupní elektrický proud.

Většina usměrňovačů nevytváří přímý, ale pulzující proud , filtry se používají k vyhlazení vlnění .

Zařízení, které plní opačnou funkci – přeměňuje stejnosměrný proud na střídavý proud, se nazývá invertor .

Vzhledem k principu reverzibility elektrických strojů jsou usměrňovač a invertor dvě varianty stejného elektrického stroje (platí pouze pro invertor na bázi elektrického stroje).

Klasifikace

Usměrňovače jsou klasifikovány podle následujících kritérií:

podle typu spínače usměrňovače
- mechanický synchronní s proudovým spínačem kartáč-kolektor [2] ;
- mechanický synchronní s proudem kontaktního spínače (usměrňovače);
- s elektronicky řízeným spínáním proudu (např. tyristor );
- elektronické synchronní (například tranzistorové ) - jako druh řízených spínacích usměrňovačů;
- s elektronickým pasivním spínáním proudu (například dioda );
mocí
- výkonové usměrňovače [3] ;
- usměrňovače signálu [4] ;
podle míry využití půlcyklů střídavého napětí
- půlvlna - propustit do zátěže pouze jednu půlvlnu ;
- full-wave - předejte obě půlvlny do zátěže ;
- půlvlna - nevyužívejte plně sinusové půlvlny;
- full-wave - plně využít sinusové půlvlny;
podle rektifikačního schématu - můstek , s násobením napětí, transformátor, s galvanickým oddělením, bez transformátoru atd .;
počtem použitých fází - jednofázové, dvoufázové, třífázové a vícefázové;
podle typu elektronického ventilu - polovodičová dioda , polovodičový tyristor , lampová dioda ( kenotron ), gastron , ignitron , elektrochemický atd.;
z hlediska ovladatelnosti - neřízená (dioda), řízená (tyristor);
podle počtu kanálů - jednokanálový, vícekanálový;
velikostí usměrněného napětí - nízké napětí (do 100 V), střední napětí (od 100 do 1000 V), vysoké napětí (nad 1000 V);
po domluvě - svařování, pro napájení mikroelektronického obvodu, pro napájení anodových obvodů lampy, pro galvanické pokovování atd.;
podle stupně kompletnosti mostů - celý most, polomůstek, čtvrtmost;
přítomností stabilizačních zařízení - stabilizovaný, nestabilizovaný;
na ovládání výstupních parametrů - nastavitelné, neregulované;
indikací výstupních parametrů - bez indikace, s indikací (analogová, digitální);
způsobem připojení - paralelní, sériový, paralelně-sériový;
podle způsobu asociace - oddělené, spojené hvězdami, spojené prsteny;
frekvencí usměrněného proudu - nízkofrekvenční, středofrekvenční, vysokofrekvenční.

Aplikace

Usměrnění elektrického proudu

Usměrňovače se běžně používají tam, kde je potřeba převést střídavý proud na stejnosměrný. Použití usměrňovačů k přeměně střídavého proudu na stejnosměrný dal vzniknout konceptu průměrné hodnoty proudu modulo (tedy bez zohlednění znaménka pořadnice) za období. Při celovlnné rektifikaci je průměrná hodnota modulo určena jako aritmetický průměr všech pořadnic obou půlvln za celé období bez zohlednění jejich znamének (tj. za předpokladu, že všechny pořadnice za období jsou kladné, což je případ dvoupůlvlnného ideálního usměrnění).

Elektrické přijímače s nelineární charakteristikou jsou především všechny druhy AC/DC měničů s různými ventily.

To zahrnuje usměrňovače pro:

železniční trakce
městská elektrická doprava
elektrolýza (výroba hliníku, chloru, hydroxidu sodného atd., elektrochemická depozice kovů)
napájecí zdroj pro pohony válcoven
buzení generátorů elektráren

Donedávna se jako ventily používaly hlavně rtuťové usměrňovače (neřízené i řízené). V současné době jsou široce používány křemíkové polovodičové usměrňovače. Zavádějí se tyristorové usměrňovače.

Usměrňovače mají obvykle vysoký výkon a jsou připojeny přes speciální transformátory k napájecí síti při napětí 6-10 kV. Usměrňovací instalace malého výkonu se provádějí podle třífázového obvodu s nulovým výstupem.

Napájecí zdroje zařízení

Použití usměrňovačů v napájecích zdrojích pro rádiová a elektrická zařízení je způsobeno skutečností, že v napájecích systémech budov nebo vozidel (letadla, vlaky) se obvykle používá střídavý proud a výstupní proud jakéhokoli elektromagnetického transformátoru používaného pro galvanické oddělení obvodů nebo pro snižování napětí je vždy střídavé, přičemž ve většině případů jsou elektronické obvody a elektromotory cílového zařízení konstruovány na stejnosměrný proud .

Napájecí zdroje pro průmyslová a domácí rádiová a elektrická zařízení (včetně tzv. adaptérů ( AC-DC adaptér )) .
Napájecí zdroje pro palubní radioelektronické vybavení vozidel.

Usměrňovače elektrárny

Napájecí usměrňovače pro hlavní stejnosměrné motory autonomních vozidel a vrtných souprav.

Zpravidla se na autonomních vozidlech ( auta , traktory , lokomotivy , motorové lodě , lodě s jaderným pohonem , letadla ) používají k výrobě elektřiny alternátory , protože mají větší výkon s menšími rozměry a hmotností než stejnosměrné generátory . Pro pohony hnacích vozidel se však obvykle používají stejnosměrné motory , protože umožňují řídit směr pohybu pouhým přepínáním pólů napájecího proudu a mají požadovanou trakční charakteristiku (velký točivý moment při nízkých otáčkách rotoru). To eliminuje složité, těžké a nespolehlivé převodovky . Používá se také k pohonu vrtných souprav vrtných souprav .

Palubní stejnosměrné napájecí měniče pro autonomní vozidla: autotraktor, železniční, vodní, letecká a další zařízení.

Výroba elektřiny ve vozidle se obvykle provádí alternátorem, ale k napájení palubního zařízení je zapotřebí stejnosměrný proud. Například u osobních automobilů je palubní stejnosměrná síť napájena polovodičovým usměrňovačem zabudovaným v alternátoru.

Svářeči _

U stejnosměrných svařovacích strojů se nejčastěji používají můstkové obvody na výkonných křemíkových usměrňovacích diodách - ventilech, aby se získal konstantní svařovací proud. Od střídavého se liší tím, že při jeho použití se oblast oblouku v blízkosti kladného pólu ( ) jeho pólu více zahřívá, což umožňuje buď šetrné svaření dílů, které mají být svařovány převážně tavnou svařovací elektrodou, nebo úspora elektrod řezáním kovu svařováním elektrickým obloukem. V některých případech není při použití speciálních svařovacích elektrod svařování elektrickým obloukem střídavým proudem vůbec možné. $+$

Ventilové bloky měníren napájecích systémů

K napájení hlavních stejnosměrných motorů válcoven, jeřábů a dalších zařízení

Napájení továren je realizováno střídavou sítí, pro pohony válcoven a jiných agregátů je však výhodnější použít stejnosměrné motory ze stejného důvodu jako u motorových vozidel.

Pro galvanizační lázně ( elektrolyzéry ) pro výrobu neželezných kovů a oceli , nanášení kovových povlaků a galvanoplastiku.
Zařízení pro elektrostatické čištění průmyslových plynů ( elektrostatický filtr )
Zařízení na čištění a odsolování vody
Pro napájení kontaktních sítí stejnosměrné elektrické dopravy ( tramvaj , trolejbus , elektrická lokomotiva , metro )
Pro nesynchronní komunikaci střídavých napájecích systémů [5]
Pro dálkový přenos elektrické energie stejnosměrným proudem [6] .

Vysokofrekvenční usměrňovače

Jako součást rectenna :

u perspektivních modelů solárních baterií ( účinnost přes 80 %) [7] ;
v pokročilých systémech sběru energie elektromagnetických signálů okolního hluku;
v pokročilých systémech bezdrátového přenosu energie .

Detekce vysokofrekvenčního signálu

Balistický usměrňovač

Balistický usměrňovač popsaný v článku Ballistic Nanodevices pokojové teploty. Aimin M. Song [8] lze použít k detekci velmi vysokofrekvenčních signálů (až 50 GHz).

Charakteristika

Jmenovité stejnosměrné výstupní napětí a povolený rozsah jeho změny;
Jmenovitý zatěžovací proud;
Efektivní rozsah vstupního střídavého napětí (např. 220 V ±10 %);
Přípustné výstupní zvlnění, jeho amplitudově-frekvenční charakteristika;
Zátěžová charakteristika.
Ekvivalentní vnitřní komplexní (v první aproximaci aktivní) odpor.
Faktor využití celkového výkonu transformátoru.

Typická schémata

Celovlnný usměrňovač

Může být postaven na můstkovém nebo polomůstkovém obvodu (když se např. v případě usměrnění jednofázového proudu použije speciální transformátor s výstupem ze středu sekundárního vinutí a polovičním proudem -usměrňovací prvky ; takový obvod se nyní používá zřídka, protože je náročnější na kov a má větší ekvivalentní aktivní vnitřní odpor , to znamená velké ztráty pro ohřev vinutí transformátoru).

Při stavbě celovlnného usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem byste měli vždy pamatovat na to, že střídavé napětí se vždy měří v "efektivní" hodnotě, která je 1,41krát menší než jeho maximální amplituda , a usměrněné napětí na kondenzátoru v nepřítomnosti zátěže, bude vždy rovna amplitudě. To znamená, že např. při naměřeném jednofázovém střídavém napětí 12 voltů do jednofázového můstkového usměrňovače s vyhlazovacím kondenzátorem bude na kondenzátoru napětí až 17 voltů (při absenci zátěže ). Při zátěži bude efektivní usměrněné napětí nižší (ale ne nižší než průměrné usměrněné střídavé napětí, protože to bude nefiltrované napětí, pokud se předpokládá, že vnitřní odpor zdroje střídavého proudu je nulový) a bude záviset na kapacitě vyhlazovací kondenzátor.

Volba hodnoty střídavého napětí sekundárního vinutí transformátoru by tedy měla vycházet z maximální dovolené hodnoty dodávaného napětí a kapacita vyhlazovacího kondenzátoru by měla být dostatečně velká, aby napětí pod zátěží nekleslo. pokles pod minimální přípustnou hodnotu. V praxi se zohledňuje i nevyhnutelný úbytek napětí při zátěži - na odporu vodičů, vinutí transformátoru, diod usměrňovacího můstku i případná odchylka od jmenovité hodnoty napájecího napětí transformátoru.

U usměrňovačů s vyhlazovacím kondenzátorem se diody neotevřou na celou půlperiodu napětí, ale na krátkou dobu, kdy okamžitá hodnota střídavého napětí překročí stejnosměrné napětí na filtračním kondenzátoru (tedy v okamžicích blízko maxima sinusoidy). Proud protékající diodami (a vinutím transformátoru) jsou proto krátké silné pulsy složitého tvaru, jejichž amplituda výrazně převyšuje průměrný proud spotřebovaný zátěží usměrňovače. Tato skutečnost by měla být zohledněna při výpočtu transformátoru (možnost výpočtu pro práci ne na aktivní zátěži, ale na usměrňovači s kapacitním filtrem) a měla by být přijata opatření k potlačení výsledného impulsního šumu. $U(t)=U_{m}\sin(\omega t)$

Jednofázové usměrňovače

Půlvlnný usměrňovač (čtvrťový můstek)

Nejjednodušší obvod půlvlnného usměrňovače se skládá pouze z jednoho prvku usměrňujícího proud ( diody ). Výstupem je pulzující stejnosměrný proud. Na průmyslových frekvencích (50-60 Hz) není široce používán, protože pro napájení zařízení jsou vyžadovány vyhlazovací filtry s velkou kapacitou a indukčností, což vede ke zvýšení celkových hmotnostních charakteristik usměrňovače. Půlvlnný usměrňovací obvod však našel velmi širokou distribuci ve spínaných zdrojích s frekvencí střídavého napětí více než 10 kHz, které jsou široce používány v moderních zařízeních domácností a průmyslu. To je vysvětleno skutečností, že při vyšších frekvencích zvlnění usměrněného napětí jsou pro získání požadovaných charakteristik (daný nebo přípustný koeficient zvlnění) zapotřebí vyhlazovací prvky s nižšími hodnotami kapacity (induktance). Hmotnost a rozměry napájecích zdrojů klesají s rostoucí frekvencí vstupního střídavého napětí.

Půlvlnný usměrňovač nebo čtvrtmůstek je nejjednodušší usměrňovač a obsahuje jeden ventil (diodu nebo tyristor ).

Předpoklady: zátěž je čistě odporová, ventil je ideální elektrický spínač.

Napětí ze sekundárního vinutí transformátoru prochází ventilem do zátěže pouze v kladných půlcyklech střídavého napětí. V záporných půlcyklech je ventil uzavřen, celý pokles napětí nastane na ventilu a napětí na zátěži Un je nulové. Průměrná hodnota střídavého napětí ve vztahu k součtu proudu bude:

Us={\frac {1}{2\pi }}\int \limits _{0}^{\pi }{\sqrt {2}}U_{2}\sin(\omega t)d( \omega t)={\frac {{\sqrt {2}}U_{2}}{\pi }}=0,45U_{2}.

Tato hodnota je poloviční než u celomůstkového usměrňovače. Střední kvadratická hodnota (zastaralý název - efektivní, efektivní ) hodnota napětí na výstupu půlvlnného usměrňovače bude menší než součet proudu a výkon spotřebovaný zátěží je 2krát menší (pro sinusový průběh) . ${\sqrt {2}}$

Nevýhody [9] :

Velké množství zvlnění
Velké zatížení ventilu (vyžaduje diodu s velkým průměrným usměrněným proudem)
Nízký koeficient využití celkového výkonu transformátoru (asi 0,45) (nezaměňovat s účinností, která závisí na ztrátách v mědi a ztrátách v oceli a v půlvlnném usměrňovači je téměř stejná jako u celovlnného jeden)
Proud protékající vinutím transformátoru má konstantní složku, což zhoršuje magnetické vlastnosti jádra jeho předpětím [10] .

výhody:

Úspora počtu ventilů
Snížení úbytku napětí a ztrát výkonu na usměrňovači (v můstkovém obvodu proud zátěže protéká dvěma sériově zapojenými ventily, v půlvlnném obvodu - jedním).

Poloviční most

Na dvou diodách a dvou kondenzátorech, běžně známých jako „zdvojnásobení napětí“ nebo „ Latour -Delon-Grenacher doubler“.

Známé je také schéma zdvojení proudu: paralelně k jedinému sekundárnímu vinutí transformátoru jsou zapojeny dvě sériově zapojené tlumivky, přičemž střed spojení mezi nimi je použit jako střed v „půlvlnném středobodovém usměrňovači“. [jedenáct]

Celý most (Grätz)

Na čtyřech diodách, běžně známých jako "full-wave", vynalezených německým fyzikem Leo Graetzem . Plocha pod integrální křivkou je:

S=2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)=4\cdot E_{ m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {4\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {2\cdot E_{m}}{\pi }}={\frac {2{ \sqrt {2}}\cdot E_{d}}{\pi }}\cca 0,9\cdot E_{d},

tedy dvakrát tolik než ve čtvrtmůstkovém usměrňovači.

Ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je . $r$

Frekvence zvlnění je , kde je frekvence sítě. $2\cdot f$ $F$

Nejvyšší okamžité napětí na diodách je $U_{m}={\sqrt {2}}*U_{d}.$

Dvoufázové usměrňovače s fázovým posunem 180°

Dva čtvrtinové mosty paralelně ("full-wave mid-point")

Běžně známý jako „půlvlna středního bodu“, navržený v roce 1901 profesorem V. F. Mitkevichem . V tomto usměrňovači vytvářejí dvě protifázová vinutí dvoufázový střídavý proud s fázovým posunem o 180 stupňů. Dvoufázový střídavý proud je usměrněn dvěma půlvlnnými čtvrtmůstkovými usměrňovači zapojenými paralelně a pracujícími na jedné společné zátěži. Během jednoho půlcyklu proud teče do zátěže z jedné poloviny sekundárního vinutí přes jeden ventil, ve druhé půlcyklu - z druhé poloviny vinutí přes druhý ventil. Používal se, když byla měď levnější než diody. Nevýhodou obvodu je složitější a méně racionální (pro měď a ocel) provedení transformátoru [12] . V moderních podmínkách je jeho použití opodstatněné, když je amplituda usměrněného napětí srovnatelná s poklesem napětí na přechodu polovodičové diody (tj. usměrňovačů pro napětí v řádu několika voltů), protože za těchto podmínek má mnohem lepší účinnost ve srovnání s můstkovým obvodem.

Plocha pod integrální křivkou je:

S=2\cdot \int \limits _{0}^{\pi }E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)=4\cdot E_{ m}.

Průměrné EMF:

Esr={\frac {4\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {2\cdot E_{m}}{\pi }}.

Relativní ekvivalentní aktivní vnitřní odpor je roven , tedy dvakrát větší než u jednofázového celomůstkového usměrňovače, má tedy velké energetické ztráty na ohřev mědi vinutí transformátoru (neboli spotřebu mědi). $2\cdot r$

Pulzační frekvence:

2\cdot f,

kde je frekvence sítě.

F

Dva plné mosty paralelně

Umožňuje použití diod s průměrným proudem téměř polovičním oproti jednofázovému celomůstkovému usměrňovači.

Dvoufázové usměrňovače s 90° fázovým posunem

Dva plné mosty paralelně

Plocha pod integrální křivkou je:

S=8\cdot \int \limits _{\pi /4}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)= 8\cdot {\frac {\sqrt {2}}{2}}\cdot E_{m}=4\cdot {\sqrt {2}}\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {4\cdot {\sqrt {2}}\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {2\cdot {\sqrt {2}}\cdot E_{ m)){\pi )),

tedy krát více než u jednofázového plného můstku. ${\sqrt {2}}$

V klidovém režimu a v jeho blízkosti je EMF v můstku s největším EMF v daném segmentu období, můstkové diody jsou uzamčeny s menším EMF v daném segmentu období. V tomto případě je ekvivalentní vnitřní činný odpor roven. Při zvýšení zatížení, tj. při poklesu zatížení , se objevují a zvětšují části periody, na kterých oba mosty pracují paralelně k celkovému zatížení, ekvivalentní vnitřní aktivní odpor v tyto segmenty periody je V režimu zkratu pracují oba můstky paralelně k zátěži po celou dobu, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový. $2\cdot r.$ $Rn$ $r.$

Dva plné mosty v sérii

Plocha pod integrální křivkou je:

S=8\cdot \left(\int \limits _{\pi /4}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)+\int \limits _{0}^{\pi /4}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)\right)=8\cdot \left (-0+{\frac {\sqrt {2}}{2}}-{\frac {\sqrt {2}}{2}}+1\right)\cdot E_{m}=8\cdot E_{ m}.

Průměrné EMF je: to znamená dvakrát více než v jednofázovém celomůstkovém usměrňovači. $Esr={\frac {8\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {4\cdot E_{m}}{\pi }},$

Relativní ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je roven $4\cdot r.$

Třífázové usměrňovače

Nejběžnější jsou třífázové usměrňovače podle schématu Mitkevich V.F. (na třech diodách, které navrhl v roce 1901) a podle schématu Larionov A.N. (na šesti diodách, navržených v roce 1923). Usměrňovač podle Mitkevichova schématu je čtvrtmůstkový paralelní, podle Larionova schématu - poloviční můstek paralelní [13] .

Tři čtvrtinové mosty paralelně (Mitkevičovo schéma)

("Částečně tři půlvlny se středem"). Plocha pod integrální křivkou je:

S=6\cdot \int \limits _{\pi /6}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)= 6\cdot {\frac {\sqrt {3}}{2}}\cdot E_{m}=3{\sqrt {3}}\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}=1,17\cdot E_{2}eff.

Při volnoběhu a jeho blízkosti EMF ve větvi s největší v daném období periody uzavírá diody ve větvích s nejmenším EMF v daném období periody a relativní ekvivalentní aktivní odpor je roven odporu jedné větve.Při zvýšení (klesnutí ) zátěže se objevují a zvětšují části periody, na kterých obě větve pracují paralelně pro jednu zátěž a relativní ekvivalentní činný odpor na těchto částech je stejný.V režimu zkratu jsou tyto části maximum, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový. $3\cdot r.$ $Rn$ $3\cdot r/2.$

Frekvence zvlnění je , kde je frekvence sítě. $3\cdot f$ $F$

Tři polomůstky paralelně spojené prstencem/trojúhelníkem („Larionovův trojúhelník“)

V některé elektrotechnické literatuře někdy nerozlišují mezi obvody „trojúhelník-Larionov“ a „hvězda-Larionov“, které mají různé hodnoty průměrného usměrněného napětí, maximálního proudu, ekvivalentního aktivního vnitřního odporu atd.

V usměrňovači "trojúhelník-Larionov" jsou ohmické ztráty v měděném vinutí transformátoru větší než v usměrňovači "hvězda-Larionov", proto se v praxi častěji používá schéma "star-Larionov".

Navíc se Larionovovým usměrňovačům často říká můstkové, ve skutečnosti se jedná o paralelní polomůstky.

V některé literatuře se Larionovovým usměrňovačům a jim podobným říká "full-wave" ( angl. full wave ), ve skutečnosti jsou "tři sériové můstky" usměrňovače a podobně celovlnné.

Plocha pod integrální křivkou je:

S=12\cdot \int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)= 12\cdot {\frac {1}{2}}\cdot E_{m}=6\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

E_{sr}={\frac {6\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {3\cdot E_{m}}{\pi }}=1,35 \cdot E_{2eff}

, tedy více než v usměrňovači Mitkevich.

V práci schématu "trojúhelník-Larionov" jsou dvě období. Velká perioda je rovna 360° nebo malá perioda je rovna 60° a uvnitř velké periody se opakuje 6x. Malá perioda se skládá ze dvou malých půlcyklů po 30°, které jsou zrcadlově symetrické a proto stačí analyzovat činnost obvodu na jednom malém půlcyklu 30°. $2\cdot \pi .$ $(\pi /3),$ $(\pi /6),$

Při volnoběhu a v režimech jemu blízkých, EMF ve větvi s největší v daném segmentu periody, je na anodu diod přivedeno záporné napětí vzhledem ke katodě, které je uzavře menším EMF v daný úsek období.

V počátečním okamžiku ( ) je EMF v jedné z větví nulové a EMF v ostatních dvou větvích je stejné , zatímco dvě horní diody a jedna spodní dioda jsou otevřené. Ekvivalentní obvod se skládá ze dvou paralelních větví se stejným EMF (0,86) a se stejným odporem , ekvivalentní odpor obou větví je . ostatní se sníží na 0,5 a třetí roste z 0,0 na 0,5. Jedna ze dvou otevřených horních diod se uzavře a ekvivalentní obvod je paralelní zapojení dvou větví, z nichž v jedné je velké EMF a jeho odpor je stejný jako ve druhé větvi, vznikne sériové zapojení dvou menších EMF a jeho odpor je roven ekvivalentnímu odporu obou větví je $\omega \cdot t=0$ $0,86\cdot E_{m},$ $3\cdot r$ $3\cdot r/2.$ $3\cdot r,$ $2\cdot 3\cdot r=6\cdot r,$

3\cdot r\cdot 6\cdot r/(3\cdot r+6\cdot r)=18\cdot r^{2}/(9\cdot r)=2\cdot r.

Frekvence zvlnění je , kde je frekvence sítě. $6\cdot f$ $F$

Absolutní amplituda pulsací se rovná:

\left(1-{\frac {\sqrt {3}}{2}}\right)\cdot E_{m}=(1-0,87)\cdot E_{m}=0,13\ cdot E_{m }.

Relativní amplituda pulsací je rovna $0.13/0.95=0.14(14\%).$

Tři poloviční můstky paralelně spojené hvězdou ("Star-Larionov")

Star-Larionovův usměrňovač (šestipulzní) se používá v napájecích generátorech palubní sítě téměř ve všech dopravních prostředcích (traktor, voda, podvodní, vzduch atd.). U elektrického pohonu dieselových lokomotiv a dieselelektrických lodí prochází téměř veškerá energie přes hvězdicový usměrňovač Larionov.

Plocha pod integrální křivkou je:

S=12\cdot \left(\int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)+\int \limits _{\pi /6}^{\pi /3}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)\right)=12\ cdot \left({\frac {1}{2}}+{\frac {\sqrt {3}}{2}}-{\frac {1}{2}}\right)\cdot E_{m}= 6\cdot {\sqrt {3}}\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {6\cdot {\sqrt {3}}\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {3\cdot {\sqrt {3}}\ cdot E_{m}}{\pi }}=2,34\cdot E_{2}eff,

to je krát více než ve schématech „trojúhelník-Larionov“ a „tři paralelní plné mosty“ a dvakrát tolik než ve schématu Mitkevich. ${\sqrt {3}}$

Tento usměrňovač má dlouhou periodu 360° a krátkou periodu 60°. Ve velkém období je 6 malých období. Malá perioda 60° se skládá ze dvou zrcadlově symetrických částí po 30°, proto pro popis činnosti tohoto obvodu stačí analyzovat jeho činnost na jedné části 30° malé periody.

Na začátku krátké periody ( ) je EMF v jedné z větví nula, ve zbývajících dvou - by. Tyto dvě větve jsou zapojeny do série. V tomto případě je ekvivalentní vnitřní aktivní odpor roven Next, jedné z EMF. se zvýší z 0,86 na 1,0, další se sníží z 0,86 na 0,5 a třetina se zvýší z 0,0 na 0,5. $w\cdot t=0$ $0,86E_{m}.$ $6\cdot r.$

V tomto případě se ekvivalentní obvod skládá ze dvou sériově zapojených větví, z nichž jedna EMF a její odpor se rovná odporu jednoho vinutí, ve druhé dvě paralelně zapojené EMF s odporem , z nichž je ekvivalentní odpor dvě paralelní větve je Rovná se Ekvivalentní aktivní vnitřní odpor celého obvodu je V uzavřených režimech na volnoběh (při nízké zátěži) v paralelních větvích EMF ve větvi s vyšším EMF sepne diodu ve větvi s nižší EMF , zatímco ekvivalentní obvod se změní. S nárůstem zátěže se objevují a zvyšují segmenty periody, ve kterých obě větve pracují na zátěži paralelně. V režimu zkratu se segmenty paralelního provozu zvětšují na délku celé periody, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový. $3r,$ $3r$ ${\frac {3r}{2}}.$ ${\frac {3r}{2}}+3r={\frac {9r}{2}}=4,5\cdot r.$

Frekvence zvlnění je tam, kde je frekvence sítě. $6\cdot f,$ $F$

Absolutní amplituda pulsací je rovna $({\sqrt {3}}-1,5)\cdot E_{m}=(1,73-1,5)\cdot E_{m}=0,23\cdot E_{m}.$

Relativní amplituda pulsací je rovna ${\frac {0,23}{1,65}}=0,14(14\%).$

Tři dvoufázové paralelní Mitkiewiczovy usměrňovače se dvěma čtvrtěmi můstku paralelně (6 diod)

Někdy se v literatuře označuje jako "šestifázový" (viz také Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom obr. Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator) německy. .

Je to téměř obdoba usměrňovače "tři plné můstky paralelně" a má téměř stejné vlastnosti jako usměrňovač "tři plné můstky paralelně", ale ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je téměř dvakrát větší, počet diod je poloviční stejně tak je průměrný proud jednou diodou téměř dvakrát větší.

Plocha pod integrální křivkou je:

S=12\cdot \int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)= 12\cdot {\frac {1}{2}}\cdot E_{m}=6\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {6\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {3\cdot E_{m}}{\pi }}=1,35\cdot E_ {2 }eff,

to znamená, že je stejný jako ve schématu „trojúhelník-Larionov“ a je několikrát menší než ve schématu „hvězda-Larionov“. ${\sqrt {3}}$

Tři dvoufázové dvoučtvrteční paralelní Mitkiewiczovy usměrňovače v sérii (6 diod)

Je téměř analogický usměrňovači „tři plné můstky v sérii“ a má téměř stejné vlastnosti, ale ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je téměř dvojnásobný, počet diod je poloviční, průměrný proud jednou diodou je téměř dvakrát tolik.

Tři plné můstky paralelně (12 diod)

Méně známé jsou celomůstkové třífázové usměrňovače podle schématu „tři paralelní můstky“ (na dvanácti diodách), „tři sériové můstky“ (na dvanácti diodách) atd., které v mnoha ohledech předčí Larionovův usměrňovač.

Podle schémat usměrňovače je vidět, že Mitkevichův usměrňovač je neúplný Larionovův usměrňovač a Larionovův usměrňovač. je "tři paralelní můstky" neúplný usměrňovač.

Oblast pod křivkou pod integrandem je:

S=12\cdot \int \limits _{\pi /3}^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)=

=12\cdot {\frac {1}{2}}\cdot E_{m}=6\cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {6\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {3\cdot E_{m}}{\pi }}=1,35\cdot E_ {2eff },

to znamená, že je stejný jako ve schématu „trojúhelník-Larionov“ a je několikrát menší než ve schématu „hvězda-Larionov“. ${\sqrt {3}}$

V klidovém režimu EMF v můstku s největším EMF v daném segmentu dlouhé periody uzavírá diody v můstcích s menším EMF v daném segmentu dlouhé periody. V tomto případě je ekvivalentní vnitřní činný odpor roven odporu jednoho můstku Při zvýšení (snížení ) zátěže se objevují a zvětšují periody, ve kterých dva mosty pracují na zátěži paralelně, ekvivalentní vnitřní aktivní odpor v tyto úseky periody se rovnají odporu dvou paralelních můstků a úseky periody, ve kterých všechny tři můstky pracují na zátěži paralelně, se zvyšují, ekvivalentní vnitřní aktivní odpor na těchto úsecích periody je roven odporu ze tří paralelních můstků V režimu zkratu pracují všechny tři paralelní můstky na zátěži, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový. $3\cdot r.$ $Rn$ $3\cdot r/2=1,5\cdot r.$ $r.$

Usměrňovač „tři paralelní plný můstek“ naprázdno má stejné průměrné EMF jako v usměrňovači „trojúhelník-Larionov“ a stejné odpory vinutí, ale protože má obvod s diodami nezávislými na sousedních fázích, spínací momenty diod se liší od momentů přepínání diod v obvodu "trojúhelník-Larionov". Zatěžovací charakteristiky těchto dvou usměrňovačů jsou různé.

Frekvence zvlnění je , kde je frekvence sítě. $6\cdot f$ $F$

Absolutní amplituda pulsací je rovna $(1-{\frac {\sqrt {3}}{2}})\cdot E_{m}=(1-0,87)\cdot E_{m}=0,13\cdot E_{m}.$

Relativní amplituda pulsací je rovna $\ 0,13/0,95=0,14 (14\%).$

Tři plné můstky v sérii (12 diod)

Plocha pod integrální křivkou je:

S=12\cdot (\int \limits _{0}^{\pi /6}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)+\int \limits _{\pi /6}^{\pi /3}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t)+\int \limits _{\pi /3 }^{\pi /2}E_{m}\cdot \sin(\omega \cdot t)d(\omega \cdot t))=12\cdot (1-{\frac {\sqrt {3)){ 2))+{\frac {\sqrt {3}}{2}}-{\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}})\cdot E_{m}=12\ cdot E_{m}.

Průměrný EMF je:

Esr={\frac {12\cdot E_{m}}{2\cdot \pi }}={\frac {6\cdot E_{m}}{\pi }}=2,7\cdot E_ {2}eff

, tedy více než ve schématu "hvězda-Larionov".

Ekvivalentní vnitřní aktivní odpor se rovná odporu tří můstků zapojených do série s odporem , to znamená $3r$ $9\cdot r.$

Frekvence zvlnění je tam, kde je frekvence sítě. $6\cdot f,$ $F$

Tento usměrňovač má nejvyšší průměrné EMF a lze jej použít ve zdrojích vysokého napětí (v instalacích pro elektrostatické čištění průmyslových plynů atd.).

N-fázové usměrňovače

Stejně jako třífázové, vícefázové usměrňovače mohou být celomůstkové, polomůstkové a čtvrtmůstkové, paralelně dělené, paralelní kombinované hvězdice, paralelní kombinované prstence, sériové, paralelně-sériové.

Dvanáctipulzní statický usměrňovač

Jde o paralelní (nebo někdy sériové) zapojení dvou Larionovových usměrňovačů s fázovým posunem vstupních třífázových proudů. V tomto případě se počet usměrněných půlcyklů oproti klasickému Larionovu usměrňovači zdvojnásobí, díky čemuž se zmenšuje relativní amplituda zvlnění usměrněného napětí a zdvojnásobuje se frekvence usměrněného zvlnění napětí, což také usnadňuje vyhlazení usměrněného napětí. V praxi je takové schéma poměrně populární, používá se jak ve výkonných usměrňovačích trakčních měníren elektrické dopravy, kde je důležité zajistit napájení kolektorových trakčních motorů s minimálním zvlněním, tak v usměrňovacích zařízeních letadel, kde je elektromagnetická kompatibilita důležité [14] [15] .

Usměrňovače násobiče napětí

Usměrňovače pro násobení napětí se používají v případech, kdy z nějakého důvodu musí být vstupní střídavé napětí nižší než výstupní stejnosměrné. Například u domácích televizorů, počínaje některými modely z nejnovější řady ULPCT až po 4USCT, byl v anodovém obvodu kineskopu použit vysokonapěťový násobič .

Willardův usměrňovač

Navrhl Willard v roce 1901 [16] . Skládá se z kondenzátoru zapojeného do série s vinutím a diody zapojené paralelně se zátěží. Při záporné půlperiodě proud protéká obvodem: "Zdroj střídavého proudu - kondenzátor - dioda", kondenzátor se nabíjí. Během kladného půlcyklu je nabitý kondenzátor zapojen do série s vinutím transformátoru a napětí na kondenzátoru a vinutí se sečtou.

Zvláštností tohoto usměrňovače je, že jako vyhlazovací filtr musí být použita tlumivka, protože kondenzátor se vybije během záporného půlcyklu.

Usměrňovač Greinacher

Navrhl Greinacher v roce 1913 (publikoval v roce 1914 [17] ). Tento usměrňovač obsahuje 2 ventily. Princip činnosti je stejný jako u usměrňovače Willard, ale jako vyhlazovací filtr lze použít kondenzátor. Takový obvod se často používá jako amplitudový detektor v rádiových přijímačích.

Zdvojovač napětí můstku

Zdvojovač napětí můstku připomíná Graetzův můstek, ale na rozdíl od něj jsou v jednom z ramen můstku místo diod instalovány kondenzátory. Díky tomu je během každé půlvlny jeden nebo druhý kondenzátor připojen ke vstupnímu obvodu a napětí na výstupu usměrňovače je součtem napětí na dvou kondenzátorech.

Cockcroft-Waltonův multiplikátor

Multiplikátor Cockcroft-Walton umožňuje několikanásobné zvýšení výstupního napětí. Používá se v obvodech, kde je potřeba získat velmi vysoké napětí.

Nevýhody

Násobiče napětí mají oproti konvenčním usměrňovačům nevýhody:

vyšší úroveň pulsací;
obvykle větší vnitřní odpor, v závislosti na kapacitě v nich použitých kondenzátorů.

Tyto vlastnosti určovaly rozsah násobičů napětí - nejčastěji v nízkopříkonových a vysokonapěťových zařízeních, která jsou nenáročná na kvalitu napájení.

Viz také

Poznámky

↑ TSB, 1970 .
↑ Mechanické synchronní usměrňovače s proudovým spínačem kartáč-kolektor se používají v kolektorových stejnosměrných generátorech, v mechanických usměrňovačích při výrobě hliníku .
↑ Výkonové usměrňovače se používají ve výkonové elektronice , v energetice.
↑ Usměrňovače signálu se používají v radioelektronice a automatizaci.
↑ NIIPT. Vyborg Converter Substation (nedostupný odkaz) (nedostupný odkaz od 13-05-2013 [3451 dní])
↑ Rozvinul se projekt unikátního stejnosměrného přenosu energie Ekibastuz-Center o výkonu 6000 MW, napětí 1500 kV pro dopravu elektřiny z Ekibastuz GRES do centrálních oblastí země na vzdálenost přes 2400 km na NIIPT (nepřístupný odkaz od 13-05-2013 [3451 dní) ] Archivováno 23. prosince 2008 na Wayback Machine ]
↑ První optická rektenna – kombinovaný usměrňovač a anténa – převádí světlo na stejnosměrný proud (Georgia Institute of Technology) . Získáno 8. června 2017. Archivováno z originálu 27. května 2017. (neurčitý)
↑ Balistická nanozařízení při pokojové teplotě. Píseň Aimin M. Katedra elektrotechniky a elektroniky, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester M60 1QD, Anglie http://personalpages.manchester.ac.uk/staff/A.Song/publications/Enn.pdf Archivováno 5. března 2016 v Wayback Machine
↑ Filenko N. Usměrňovače pro střídavé napětí. . Technický portál radioamatérů v Rusku - Cqham.ru . Y. Bogdanov (2004). - Při přípravě článku byla použita literatura: V. Ya. Bruskin "Nomogramy pro radioamatéry" MRB 1972, B. Bogdanovich, E. Vakser "Brief Radio Engineering Reference" Belarus 1968 .. Datum přístupu: 22. ledna 2010. Archivováno 20. února 2012 . (Ruština)
↑ Možné řešení problému: použití transformátoru se dvěma nezávislými sekundárními vinutími, ke kterému v protifázi (jedno vinutí má připojen výstup diody na začátek, výstup vyhlazovacího kondenzátoru na konec a naopak, druhé má půlvlnné usměrňovače s přibližně stejným zatěžovacím proudem, což vede ke kompenzaci magnetizačního efektu jádra transformátoru. Zároveň se tím odstraňuje problém neúplného využití celkového výkonu transformátoru.
↑ Kastrov M. Celovlnné usměrňovače se zdvojovačem proudu. . Získáno 29. prosince 2008. Archivováno z originálu 21. prosince 2008. (neurčitý)
↑ [1] Archivováno 20. února 2012 na usměrňovačích střídavého napětí Wayback Machine .
↑ http://andserkul.narod2.ru/tryohfaznie_vipryamiteli/ Archivováno 4. září 2012 ve Wayback Machine Třífázové usměrňovače
↑ Letecké vybavení. Ed. Dobrolensky Yu. P. - M .: Vojenské nakladatelství, 1989
↑ http://www.css-rzd.ru/zdm/02-1999/8073.htm (nedostupný odkaz) Měnič pro napájení trakční napájecí sítě. Obr.3.
↑ Villard, P. (1901), Transformateur à haut voltage. A survolteur cathodique , Journal de Physique Théorique et Appliquée , 4. řada vol. 10:28–32, doi : 10.1051/jphystap:019010010002801 , < https://archive.org/stream/journalgo/2801 . Willardovo schéma je znázorněno na Obr. 1 na straně 31.
↑ Greinacher, H. (1914), Das Ionometer und seine Verwendung zur Messung von Radium- und Röntgenstrahlen , Physikalische Zeitschrift T. 15: 410–415 , < https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=ny .33433090815022 ;view=1up;seq=450 > Archivováno 24. května 2021 na Wayback Machine 4 na str. 412. Použil elektrochemické usměrňovače, které jsou označeny „Z“ ( Zellen , články).

Literatura

Usměrňovač / M.M. Gelman // Bari - náramek. - M . : Sovětská encyklopedie, 1970. - ( Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / šéfredaktor A. M. Prochorov ; 1969-1978, sv. 3).
Tarasov F. I. Jak postavit usměrňovač . - M. : Gosenergoizdat, 1949. - 50 000 s. (nedostupný odkaz)
Veresov GP Napájení domácích radioelektronických zařízení . - M . : Rozhlas a komunikace, 1983. - 128 s. — 60 000 výtisků. Archivováno 27. července 2009 na Wayback Machine
Kitaev VV aj. Napájení komunikačních zařízení . - M .: Komunikace, 1975. - 328 s. — 24 000 výtisků. Archivováno 17. března 2013 na Wayback Machine
Kostikov V. G. Parfenov E. M. Shakhnov V. A. Zdroje energie pro elektronická zařízení. Obvod a design: učebnice pro střední školy. - 2. - M . : Horká linka - Telecom, 2001. - 344 s. - 3000 výtisků. — ISBN 5-93517-052-3 .
Abdullaev G. B. Polovodičové usměrňovače. Ed. AN Az. SSR, Bakı, Azərb. SSR Elmlər Akademiyası Nəşriyatı 1958, 204 s.

Odkazy

GOST R 52907-2008 „Napájecí zdroje pro radioelektronická zařízení. Termíny a definice"

Slovníky a encyklopedie

V bibliografických katalozích
BNF : 11966722s GND : 4021239-7 J9U : 987007535942805171 LCCN : sh85041638 NDL : 00570368 NKC : ph136801