Najpopularniejsze schematy prostowania prądu przemiennego na prąd stały
Prostownik to urządzenie elektroniczne przeznaczone do przetwarzania energii elektrycznej z prądu przemiennego na prąd stały. Prostowniki oparte są na elementach półprzewodnikowych z przewodzeniem jednostronnym - diodach i tyrystorach.
Przy małej mocy obciążenia (do kilkuset watów) konwersja prądu przemiennego na prąd stały odbywa się za pomocą prostowników jednofazowych. Takie prostowniki są przeznaczone do zasilania różnych urządzeń elektronicznych prądem stałym, uzwojeń wzbudzenia silników prądu stałego małej i średniej mocy itp.
Aby łatwiej zrozumieć działanie obwodów prostownika, przejdziemy od obliczeń, że prostownik działa na obciążeniu rezystancyjnym.
Jednofazowy, półfalowy (jednocyklowy) obwód prostowania
Rysunek 1 pokazuje najprostszy obwód prostowania. Obwód zawiera prostownik podłączony między uzwojeniem wtórnym transformatora a obciążeniem.
Rysunek 1 - Jednofazowy prostownik półfalowy: a) obwód - dioda otwarta, b) obwód - dioda zamknięta, c) schematy czasowe działania
Napięcie u2 zmienia się sinusoidalnie, tj.zawiera dodatnie i ujemne półfale (półokresy). Prąd w obwodzie obciążenia przepływa tylko w dodatnich półcyklach, gdy do anody diody VD przyłożony jest potencjał dodatni (ryc. 1, a). Przy odwrotnej polaryzacji napięcia u2 dioda jest zamknięta, prąd w obciążeniu nie płynie, ale do diody przykładane jest odwrotne napięcie Urev (ryc. 1, b).
Che. tylko jedna półfala napięcia uzwojenia wtórnego jest uwalniana przez obciążenie. Prąd w obciążeniu płynie tylko w jednym kierunku i jest prądem stałym, chociaż ma charakter pulsujący (ryc. 1, c). Ta forma napięcia (prądu) nazywana jest impulsem DC.
Wyprostowane napięcia i prądy zawierają składową stałą (użyteczną) i składową przemienną (tętnienia). Jakość pracy prostownika oceniana jest na podstawie zależności między składową użyteczną a napięciem i prądem wzbudzenia. Współczynnik tętnienia tego obwodu wynosi 1,57. Średnia wartość skorygowanego napięcia dla okresu Un = 0,45U2. Maksymalna wartość napięcia wstecznego diody Urev.max = 3,14Un.
Zaletą tego układu jest jego prostota, wady: słabe wykorzystanie transformatora, duże napięcie wsteczne diody, duży współczynnik tętnienia napięcia wyprostowanego.
Jednofazowy obwód prostownika mostkowego
Składa się z czterech diod połączonych mostkiem. Uzwojenie wtórne transformatora jest podłączone do jednej przekątnej mostka, a obciążenie do drugiej (rys. 2). Wspólny punkt katod diod VD2, VD4 jest biegunem dodatnim prostownika, wspólny punkt anod diod VD1, VD3 jest biegunem ujemnym.
Rysunek 2 - Jednofazowy prostownik mostkowy: a) obwód prostownika półfalowego dodatniego, b) prostownik półfalowy ujemny, c) schematy czasowe działania
Biegunowość napięcia w uzwojeniu wtórnym zmienia się wraz z częstotliwością sieci zasilającej. Diody w tym obwodzie działają parami szeregowo. W dodatnim półokresie napięcia u2 diody VD2, VD3 przewodzą prąd, a napięcie wsteczne jest przykładane do diod VD1, VD4 i zamykają się. Podczas ujemnego półokresu napięcia u2 prąd płynie przez diody VD1, VD4, a diody VD2, VD3 są zwarte.Prąd obciążenia płynie cały czas w jednym kierunku.
Obwód jest pełnofalowy (przeciwsobny), ponieważ oba półokresy napięcia sieciowego Un = 0,9 U2, współczynnik tętnienia — 0,67 są rozłożone na obciążenie.
Zastosowanie mostka przełączającego diody umożliwia użycie transformatora jednofazowego do prostowania dwóch półcykli. Ponadto napięcie wsteczne przyłożone do diody jest 2 razy mniejsze.
Odbiorcy średniej i dużej mocy są zasilani prądem stałym z prostowniki trójfazowe, którego użycie zmniejsza obciążenie prądowe diod i zmniejsza współczynnik tętnienia.
Trójfazowy obwód prostownika mostkowego
Obwód składa się z sześciu diod, które są podzielone na dwie grupy (ryc. 2.61, a): katoda - diody VD1, VD3, VD5 i anoda VD2, VD4, VD6. Obciążenie jest podłączone między punktami połączenia katod i anod diod, tj. do przekątnej stojącego mostu. Obwód jest podłączony do sieci trójfazowej.
Rysunek 3 — Trójfazowy prostownik mostkowy: a) obwód, b) schematy czasowe działania
W dowolnym momencie prąd obciążenia przepływa przez dwie diody.W grupie katodowej dioda o najwyższym potencjale anodowym działa przez co trzecią część okresu (ryc. 3, b). W grupie anodowej w tej części okresu pracuje dioda, której katoda ma największy potencjał ujemny. Każda z diod działa przez jedną trzecią okresu. Współczynnik tętnienia tego obwodu wynosi tylko 0,057.
Prostowniki sterowane – prostowniki, które wraz z korekcją napięcia (prądu) przemiennego zapewniają regulację wartości korygowanego napięcia (prądu).
Sterowane prostowniki służą do sterowania prędkością silników prądu stałego, jasnością świecenia żarówek, podczas ładowania akumulatorów itp.
Sterowane układy prostownikowe zbudowane są na tyrystorach i polegają na sterowaniu momentem otwarcia tyrystorów.
Rysunek 4a przedstawia schemat prostownika sterowanego jednofazowo. Dla możliwości korekcji dwóch półfal napięcia sieciowego stosuje się transformator z dwufazowym uzwojeniem wtórnym, w którym powstają dwa napięcia o przeciwnych fazach. Tyrystor jest włączany w każdej fazie. Dodatni półcykl napięcia U2 prostuje tyrystor VS1, ujemny - VS2.
Obwód sterujący CS generuje impulsy otwierające tyrystory. Czas impulsu otwierającego określa, jaka część półfali jest uwalniana w ładunku. Tyrystor otwiera się, gdy na anodzie występuje dodatnie napięcie i impuls otwierający na elektrodzie sterującej.
Jeśli impuls nadejdzie w czasie t0 (ryc. 4, b), tyrystor jest otwarty przez cały półcykl i maksymalne napięcie na obciążeniu, jeśli w czasach t1, t2, t3, to tylko część napięcia sieciowego jest zwolniony do ładunku.
Rysunek 4 — Prostownik jednofazowy: a) obwód, b) schematy czasowe działania
Kąt opóźnienia, mierzony od momentu naturalnego zapłonu tyrystora, wyrażony w stopniach, nazywany jest kątem sterowania lub regulacji i oznaczany jest literą α. Zmieniając kąt α (przesunięcie fazowe impulsów sterujących względem napięcia anod tyrystorów), zmieniamy czas stanu otwartego tyrystorów i odpowiednio skorygowane napięcie w obciążeniu.