Uklady prostownicze, Mechatronika, Elektrotechnika, Elektrotechnika

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Układy prostownicze i stabilizacyjne
1. Układy prostownicze i stabilizacyjne
opracował dr inŜ. Grzegorz Stępień
Układy prostownicze to układy, przetwarzające prąd zmienny na prąd stały w przypadku
konieczności zasilania urządzeń elektrycznych prądem stałym.
Źródłem energii elektrycznej jest najczęściej sieć energetyczna prądu zmiennego:
jednofazowa 230V lub trójfazowa: 3x230V / 3x400V.
Do prostowania prądu zmiennego stosowane są diody półprzewodnikowe; wykorzystuje się
tutaj właściwości jednokierunkowego przewodzenia prądu.
1.1. Prostownik jednopołówkowy
Najprostszym układem prostowniczym jest prostownik jednopołówkowy. Schemat takiego
układu zamieszczono na Rys.1.1, przebiegi napięć w układzie przedstawiono na Rys.1.2.
Napięcie zmienne pobierane jest z sieci energetycznej 230V za pośrednictwem transformato-
ra, co pozwala na uzyskanie dowolnej, od-
powiedniej dla prostownika wartości
napięcia zmiennego. Na uzwojeniu
wtórnym transformatora występuje
napięcie zmienne o wartości skutecznej U,
amplitudzie
Tr
i
D
i
o
220V
u
u
o
Ro
Rys.1.1. Schemat prostownika jednopołówkowego
U
m
=
2
i przebiegu:
t
u
(
(1.1)
Do transformatora dołączone jest
)
=
U
m
sin
w
t
=
2
U
sin
w
poprzez diodę D obciąŜenie, przedstawione jako rezystor R
o
.
Dioda przewodzi prąd tylko w jednym kierunku - wtedy, gdy do anody doprowadzone jest
napięcie dodatnie względem katody. Dioda przewodzi zatem prąd tylko w czasie dodatnich półokre-
sów napięcia zmiennego a prąd w obwodzie ma kształt dodatnich połówek sinusoidy.
W dodatniej połówce okresu:
i
=
u
-
u
d
=
2
U
sin
w
t
-
u
d
o
R
R
o
o
gdzie u
d
oznacza spadek napięcia na diodzie, określony przez charakterystykę i(u) diody.
Napięcie u
d
jest niewielkie, nie przekracza na ogół 1V. W wielu przypadkach moŜna pominąć
to napięcie wobec napięcia u. Przy takim uproszczeniu:
i
@
u
=
2
U
sin
w
t
o
R
R
o
o
W ujemnej połówce okresu napięcia zmiennego do anody diody doprowadzone jest napięcie
ujemne względem katody. W tych warunkach dioda nie przewodzi, prąd i
o
praktycznie równa się 0 a
całe napięcie zmienne odkłada się na diodzie.
Napięcie u
o
na obciąŜeniu R
o
jest równe róŜnicy między napięciem u i napięciem na diodzie
u
d
i ma taki sam przebieg jak prąd i
o
:
.
W dodatniej połówce okresu u
o
jest mniejsze od u o niewielki spadek napięcia na diodzie:
t
u
o
=
u
-
u
d
=
i
o
×
R
o
u
o
=
2
U
sin
w
t
-
u
d
@
2
sin
w
;
1
50Hz
t
Układy prostownicze i stabilizacyjne
U
m
u
u
w ujemnej połówce okresu u
o
.
Wartość średnia napięcia u
o
jest róŜna
od zera i wynosi:
u
o
u
d
t
[ms]
1
T
1
∫
p
(
)
0
U
=
∫
u
(
t
)
dt
@
2
U
sin
w
t
d
w
t
o
o
5
10
15
20
25
30
35
40
T
2
p
0
0
skąd:
-U
m
U
o
=
2
U
=
U
m
=
0
45
U
=
0
32
U
m
p
p
u
d
1V
t
[ms]
Napięcie u
o
podzielić moŜna na dwie
składowe: składową stałą o wartości U
o
i
składową zmienną, równą u
o
(t)-U
o
. Napięcie
u
o
jest sumą tych dwóch składowych.
Napięcie wyjściowe prostownika (U
o
)
nie jest stałe, lecz zmienne w czasie. Jest to
jednak
napi
ę
cie jednokierunkowe
, o róŜnej
od zera wartości średniej (składowej stałej).
Składowa ta jest poŜądanym efektem
działania prostownika. Oprócz składowej
stałej napięcie u
o
zawiera takŜe niepoŜądaną
składową zmienną, określaną jako
t
ę
tnienia
.
Miarą zawartości tętnień jest tzw.
współ-
czynnik zawarto
ś
ci t
ę
tnie
ń, zdefiniowany
jako stosunek wartości skutecznej napięcia
tętnień (wartości skutecznej składowej
zmiennej) do wartości średniej (składowej
stałej) napięcia na obciąŜeniu:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-U
m
U
m
o
R
o
i
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
U
m
u
o
U
o
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
składowa stała
u
o
U
o
0
t
[ms]
5
10
15
20
25
30
35
40
U
t
składowa zmienna
u
o
t
=
U
m
-U
o
U
o
W omawianym układzie prostownika
jednopołówkowego t = 1,21. Występują tu
duŜe tętnienia (wartość skuteczna tętnień jest
większa od składowej stałej!) i przetwarzanie
napięcia zmiennego na stałe jest dalekie od
doskonałości. Pomimo to prostowniki takie
są uŜywane do zasilania niektórych rodzajów
urządzeń elektrycznych (np. pewnych typów silników elektrycznych prądu stałego) lub ładowania
akumulatorów (przebiegi w układzie ulegają przy tym modyfikacji ze względu na występowanie w
obwodzie siły elektromotorycznej).
Dioda, pracująca w prostowniku musi mieć dostateczną dopuszczalną wartość prądu anodo-
wego I
amax
, dostateczną dopuszczalną wartość średnią prądu wyprostowanego I
omax
(dla wygody
uŜytkowników moŜliwości prądowe diod prostowniczych określa się przez podanie dopuszczalnego
średniego prądu wyprostowanego) oraz dostatecznie duŜe dopuszczalne napięcie wsteczne –U
Rmax
.
W prostowniku jednopołówkowym wymagane parametry diody są następujące:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
-U
o
Rys.1.2. Przebiegi napięć i prądu w prostowniku
jednopołówkowym
2
Układy prostownicze i stabilizacyjne
I
³
U
m
=
2
U
,
I
³
U
o
,
-
U
³
U
=
2
U
.
a
max
o
max
R
max
m
R
R
R
o
o
o
1.2. Prostownik dwupołówkowy
Prostownik dwupołówkowy dostarcza do obciąŜenia prąd jednokierunkowy w obu połówkach
okresu przebiegu zmiennego, co zapewnia bardziej efektywne przetwarzanie prądu zmiennego na
prąd stały.
Na Rys.1.3 przedstawiono schemat prostownika dwupołówkowego z dwoma uzwojeniami
wtórnymi transformatora (a-b i b-c) połączonymi szeregowo. Uzwojenia te dostarczają takie same
napięcia zmienne:
i
i
o przebiegu sinusoidalnym, określonym
równaniem (1.1).
Uzwojenie a-b, dioda D1 i obciąŜe-
nie R
o
tworzą prostownik jednopołówko-
wy zgodny z układem z Rys.1.1, zasilany
napięciem zmiennym u
1
. Punkt b stanowi
punkt odniesienia (masę) układu. Uzwoje-
nie c-b, dioda D2 i obciąŜenie R
o
tworzą
drugi prostownik jednopołówkowy, zasila-
ny napięciem zmiennym u
2
. Względem
punktu odniesienia b (masy układu) napię-
cie u
2
ma przeciwną biegunowość niŜ u
1
(jest przesunięte w fazie o 180
o
względem napięcia u
1
). Dzięki temu diody przewodzą prąd na
przemian w kolejnych połówkach okresu (Rys.1.5). W połówce okresu, w której końcówka a ma
potencjał dodatni względem punktu b (masy), prąd i
1
przewodzi dioda D1. Końcówka c ma
wówczas potencjał ujemny względem punktu b i dioda D2 nie przewodzi. W drugiej połówce
okresu biegunowość napięć na końcówkach a i c względem b jest przeciwna i prąd i
2
przewodzi
dioda D2. W obu półokresach prąd przez R
o
płynie w tym samym kierunku. Prąd obciąŜenia
i
a
1
D1
o
u
ab
=
u
bc
=
u
1
=
-
u
2
Tr
u
1
u
o
Ro
220V
50Hz
b
u
2
c
i
2
D2
Rys.1.3. Prostownik dwupołówkowy z dwoma
uzwojeniami wtórnym transformatora
.
Przy pominięciu spadków napięcia na diodach wartość średnia (składowa stała) napięcia U
o
wynosi:
1 2
a napięcie na obciąŜeniu ma wartość u
o
=
i R
o o
1
T
1
∫
p
(
)
2
2
U
2
U
U
=
∫
u
(
t
)
dt
@
2
2
U
sin
w
t
d
w
t
=
=
m
=
0
U
=
0
64
U
. (1.2)
o
o
m
T
2
p
p
p
0
0
Współczynnik tętnień w układzie ma wartość t = 0,482. Przy prostowaniu dwupołówkowym
uzyskuje się, jak widać, większą składową stałą i mniejsze tętnienia niŜ w układzie prostownika
jednopołówkowego, niemniej jednak wartość chwilowa napięcia wyprostowanego okresowo na
krotko osiąga wartość równą zero (Rys. 1.4).
Diody pracujące w prostowniku dwupołówkowym muszą wytrzymywać przepływ prądu ano-
dowego o wartości maksymalnej
3
i i
= +
o
Układy prostownicze i stabilizacyjne
U
m
u
u
1
u
2
u
d1
u
o
1V
t
[ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
-U
m
U
m
i
1
R
o
-2U
m
u
d2
1V
t
[ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
I
1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
U
m
i
2
R
o
I
2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
-2U
m
U
m
i
o
R
o
=
i
1
+
i
2
U
o
składowa stała
u
o
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
U
m
u
o
U
m
-U
o
składowa zmienna
u
o
U
o
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t
[ms]
-U
o
Rys.1.4.
Przebiegi napięć i prądów w prostowniku dwupołówkowym z podwójnym uzwojeniem wtórnym
transformatora
I
@
U
m
=
2
U
a
max
R
R
o
o
(takiej samej jak w układzie jednopołówkowym), przepływ średniego prądu wyprostowanego
I
=
1
I
@
1
U
o
o
max
o
2
2
R
o
o wartości dwa razy mniejszej niŜ w układzie jednopołówkowym (na całkowity prąd obciąŜenia
składa się tutaj prąd dwóch diod) oraz wytrzymywać napięcie wsteczne o wartości równej dwóm
amplitudom zmiennego napięcia zasilającego:
.
Tak duŜa wartość napięcia wstecznego, dwa razy większa niŜ w układzie jednopołówkowym,
wynika z występowania na anodzie diody napięcia ujemnego o wartości
-
U
R
max
=³
2
U
m
=
2
2
U
-
U
m
w chwili, gdy do
4
Układy prostownicze i stabilizacyjne
.
Na Rys.1.5 przedstawiono schemat prostownika dwupołówkowego mostkowego z pojedyn-
czym uzwojeniem wtórnym transformatora. Do końcówek a-b tego uzwojenia dołączony jest układ
mostkowy, złoŜony z czterech diod
D1...D4. Do drugiej przekątnej mostka
dołączone jest obciąŜenie R
o
.
Uzwojenie wtórne transformatora dostar-
cza napięcie zmienne u o przebiegu
sinusoidalnym, określonym równaniem
(1.1). W półokresie napięcia u, w którym
potencjał punktu a jest dodatni względem
punktu b (Rys.1.6.a), diody D1 i D3
polaryzowane są w kierunku
przewodzenia a diody D2 i D4 w
kierunku zaporowym. Płynie wówczas
prąd i
1
o kształcie połówki sinusoidy od
punktu a poprzez diodę D1, obciąŜenie
R
o
, diodę D3 do punktu b. W drugim
półokresie napięcia u, w którym potencjał
punktu a jest ujemny względem punktu b
(Rys.1.6.b), diody D1 i D3 polaryzowane
są w kierunku zaporowym a diody D2 i
D4 w kierunku przewodzenia. Płynie przy
tym prąd i
2
o kształcie połówki sinusoidy
od punktu b poprzez diodę D2, obciąŜenie
R
o
, diodę D4 do punktu a. W obu
półokresach przez R
o
płynie w tym
samym kierunku prąd i
+
U
m
a
i
Tr
D4
D1
i
220V
o
50Hz
u
b
D3
D2
u
o
Ro
Rys.1.5. Schemat prostownika dwupołówkowego most-
kowego
a)
i
i
1
a
+
Tr
D4
D1
i
1
i
220V
o
u
50Hz
b
-
D3
D2
u
o
Ro
i
1
b)
i
i
2
a
-
Tr
D4
D1
i
2
i
220V
o
o
=
1 2
.
i i
u
ma taki sam
przebieg, wartość średnią i współczynnik
tętnień jak w prostowniku dwupo-
łówkowym z dwoma uzwojeniami
wtórnymi transformatora.
Przebiegi napięć i prądów w ukła-
dzie zamieszczono na Rys.1.7. Wartości
szczytowe i
1
, i
2
, i
o
i u
o
są nieco
mniejsze niŜ w układzie z podwójnym uzwojeniem wtórnym transformatora gdyŜ napięcie u
o
jest
mniejsze od napięcia u o spadek napięcia nie na jednej lecz na dwóch diodach (
Napięcie u
=
i R
o
o o
b
+
D3
D2
u
o
Ro
i
2
Rys.1.6. Drogi przepływu prądu w dodatnim (a) i ujem-
nym (b) półokresie napięcia zmiennego u
).
Maksymalne napięcie wsteczne diod jest dwa razy mniejsze niŜ w układzie z podwójnym
uzwojeniem wtórnym transformatora i równa się w przybliŜeniu amplitudzie napięcia zmiennego
U
u
o
=
u
-
2
u
d
U
m
= . Całe napięcie zmienne odkłada się na dwóch przewodzących diodach i obciąŜeniu R
o
i
w przybliŜeniu to samo napięcie występuje na diodach nie przewodzących (Rys.1.6).
2
5
katody diody doprowadzane jest przez drugą, przewodząca diodę, napięcie dodatnie o wartości
prawie równej
50Hz
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •