VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выпрямитель электрического тока
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.
Так же большое применение выпрямители переменного тока получили в области автотранспорта, как зарядное устройство аккумуляторов для машин.
Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.
Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель иинвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрическоймашины).
Целью данного реферата является изучение видов выпрямителей переменного тока и области их применения. Для решения данной цели нужно изучить следующие задачи:
Изучить литературу по даннойтеме
Изучить классификацию выпрямителей переменноготока
Изучить применение данногоустройства
Изучить основные характеристикивыпрямителей
Изучить типовые схемыустройства
Классификациявыпрямителейпеременноготока
Рис.1. Ртутный выпрямитель
Выпрямители классифицируют по следующим признакам:
по виду переключателя выпрямляемоготока
механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока;
механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем)тока;
с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);
электронные синхронные (например, транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемойкоммутацией;
с электронной пассивной коммутацией тока (например,диодные);
по мощности
силовыевыпрямители;
выпрямителисигналов;
по степени использования полупериодов переменногонапряжения
однополупериодные— пропускают в нагрузку только одну полуволну;
двухполупериодные — пропускают в нагрузку обеполуволны;
неполно волновые — не полностью используют синусоидальные полуволны;
полно волновые — полностью используют синусоидальные полуволны;
по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, бес трансформаторные и пр.;
по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;
по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические ипр.;
по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);
по количеству каналов — одноканальные,многоканальные;
по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100В), средневольтовые (от 100 до 1000В), высоковольтные (свыше1000В);
по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники ипр.;
по степени полноты мостов — полно мостовые, полу мостовые, четверть мостовые;
по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные;
поуправлениювыходнымипараметрами—регулируемые,нерегулируемые;
по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой,цифровой);
по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно- последовательные;
по способу объединения— раздельные, объединённые звёздами, объединённыекольцами;
по частоте выпрямляемого тока— низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.
Применение выпрямителей переменноготока
Выпрямление электрическоготока
Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.
Блоки питанияаппаратуры
Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.
Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые адаптеры (англ. AC-DCadaptor)).
Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортных средств.,
Выпрямители электросиловыхустановок
Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровыхстанков.
Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют большую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели
постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.
Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другойтехники.
Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.
Сварочныеаппараты
Всварочныхаппаратахпостоянноготокаприменяютсячащевсегомостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговойсваркой.
Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т.е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т.е. полагая все
ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.
Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.
Сюда относятся выпрямительные установки для:
железнодорожнойтяги
городского электротранспорта
электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра идр.)
питания приводов прокатныхстанов
возбуждения генераторовэлектростанций
В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.
Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.
Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения
Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другойтехники
Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, нодляприводовпрокатныхстановидругихагрегатоввыгоднееиспользовать
двигателипостоянноготокапотойжепричине,чтоидлядвигателейтранспортных средств.
Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.
Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатическийфильтр)
Установки очистки и обессоливанияводы
Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз,метро)
Для несинхронной связи энергосистем переменноготока.
Для дальней передачи электроэнергии постояннымтоком].
Выпрямители высокочастотныхколебаний
В составе ректенн:
в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.
в перспективных системах беспроводной передачиэлектроэнергии.
Детектирование высокочастотногосигнала
В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.
Простейший диодный АМдетектор
Рис.2. Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя.
Демодулятор амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов ёмкости и сопротивления выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты, при превышении амплитуды полупериодовнесущейвышенапряжениянаконденсатореёмкостьзаряжается,при уменьшенииамплитудыполупериодовнесущейниженапряжениянаконденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал. При демодуляции сигнала звуковых частот (20—20000 Гц) как правило, применяется кремниевый или германиевый диод и конденсатор ёмкостью порядка 10—47нФ.
Основныехарактеристики
Номинальное выходное напряжение постоянного тока и допустимый диапазон егоизменения;
Номинальный токнагрузки;
Диапазон эффективного входного напряжения переменного тока (например 220 В ±10%);
Допустимая выходная пульсация, её амплитудно-частотныехарактеристики;
Нагрузочнаяхарактеристика;
Эквивалентное внутреннее комплексное (в первом приближении активное) сопротивление.
Коэффициент использования габаритной мощноститрансформатора.
Рис.3 Пример выпремителя (преобразователя )
Типовые схемыустройства
Однополупериодныйвыпрямитель
Простейший выпрямитель переменного тока состоит из трансформатора и полупроводникового диода (рис. 4.11 а).
Для простоты будем считать трансформатор и диод идеальными, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, прямое сопротивление диода также равно нулю, а обратное сопротивление диода равно бесконечности (обратным током можнопренебречь).
На вход выпрямителя со вторичной обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение (рис.4.11б). В первый полупериод, когда на верхней (по схеме) точке обмотки положительный потенциал относительно нижней точки, диод открыт и через нагрузочный резистор протекает ток. Во второй полупериод (полярность напряжения указана в скобках) диод закрыт и ток в резисторе отсутствует. Таким образом, выходное напряжение (оно снимается с нагрузочного резистора) имеет форму половинок синусоиды (рис. 4.11в). Оно называетсяпульсирующим.
Рассмотренный выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используются только половины каждого из периодов сетевого напряжения. Схема однополупериодного выпрямителя в практике применяется очень редко, поскольку получается большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (по сравнению с двухполупериодным выпрямителем при одинаковых сопротивлениях нагрузки).
Двухполупериодныйвыпрямитель
В практике применяются двухполупериодные выпрямители. Они бывают мостовыми и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. В двухполупериодных выпрямителях используются оба полупериоданапряжения сети, поэтому они являются более эффективными, чем однополупериодные.
Рассмотрим работу двухполупериодного выпрямителя с двумя диодами и выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 4.12а). Его можно рассматривать как совокупностьдвух однополупериодных выпрямителей, к которым подсоединен один и тот же резистор нагрузки.
Пусть в первый полупериод на верхней (по схеме) точке обмотки трансформатора оказался положительный потенциал относительно нижней точки и, соответственно, относительно средней точки. Тогда ток будет протекать от верхней точки обмотки через диод VD1 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке обмотки. Во второй полупериод на нижней (по схеме) точке обмотки окажется положительный потенциал относительно средней и верхней точки. Ток в этом случае будет протекать от нижней точки обмотки через диод VD2 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, ток через резистор все время протекает в одном направлении и на выходе получается форма напряжения, изображенная нарисунке
в.
Недостатком рассмотренного выпрямителя является то, что в каждый из полупериодов напряжение снимается только с половины вторичной обмотки трансформатора. Более экономичным является двухполупериодный выпрямитель, собранный на четырех диодах (рис. 4.13 а). Эта схема называется мостовой, поскольку в ней применен диодный мост. К одной из диагоналей моста присоединяют вторичную обмотку трансформатора, а к другой - нагрузочный резистор. Иногда на схемах диодный мост изображают с помощью одного диода (рис. 4.13б).
Для питания операционных усилителей необходимо иметь два источника питания разной полярности, имеющих общую точку. На рисунке 4.13в показана схема выпрямителя, обеспечивающего двухполупериодное выпрямление каждого из напряжений на резисторах RН1, RН2
Однофазные выпрямители
Четвертьмост
Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим по исполнению выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).
Недостатки:
НизкийКПД
Высокий уровеньпульсаций
Сильная нагрузка на вентиль Преимущества:
Экономия на количествевентилей.
Полумост
На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура-Делона-Гренашера».
Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».
Полный мост (Гретца)
На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный».
Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°
Два четвертьмоста параллельно ("двухполупериодный со средней точкой")
Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе. Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.
Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.
Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов.
Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшем КПД по сравнению с мостовой схемой . Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функцииy=Em*(sin(w*t))².
V.Применение
Выпрямление электрического тока
Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.
Блоки питания аппаратуры
Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.
Блоки питания промышленной и бытовой радио- и электроаппаратуры (в т.ч. так называемые адаптеры (англ. AC-DCadaptor)).
Блоки питания бортовой радиоэлектронной аппаратуры транспортныхсредств.
Выпрямители электросиловых установок
Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровыхстанков.
Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют бо́льшую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровыхвышек.
Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другойтехники.
Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток.
Например, в легковых автомобилях применяются электомеханические или полупроводниковые выпрямители.
Сварочные аппараты
В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.
Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.
Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.
Сюда относятся выпрямительные установки для:
железнодорожнойтяги
городскогоэлектротранспорта
электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра идр.)
питания приводов прокатныхстанов
возбуждения генераторовэлектростанций
В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.
Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.
Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения
Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другойтехники
Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортныхсредств.
Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий игальванопластики.
Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)
Установки очистки и обессоливанияводы
Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянноготока
(трамвай, троллейбус, электровоз, метро)
Для несинхронной связи энергосистем переменноготока[3]
Для дальней передачи электроэнергии постояннымтоком[4].
Выпрямители высокочастотных колебаний
В составе ректенн:
в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитныхсигналов.
в перспективных системах беспроводной передачиэлектроэнергии.
Детектирование высокочастотного сигнала
В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящий момент на мировом рынке существует огромное количество выпрямителей переменного тока, разных фирм для более узкого применения в той или иной сфередеятельности.
Большое применение выпрямители переменного тока нашли в автотранспортной промышленности, где служат зарядным устройством для автомобильных аккумуляторов.
Таких устройств, как правило, существует огромное множество, с разными показателями и характеристиками, но особенностью исследуемого устройства является то, что по средствам напряжения в 12V(Вольт) автомобильный аккумулятор будет заряжаться сутки и по истечению времени зарядки его можно будет не торопясь установить в автомобиль, не торопясь и не боясь потерять некоторый заряд аккумулятора.
Большинствотакихзарядныхустройствимеюнапряжениев14V,изаряжают аккумулятордополногозначениетакжеровнозасутки,норазницавтом,чтотакое устройство требует некоторого отслеживания его работы, так как поступающий постоянный ток в 14 Вольт нагревает аккумулятор и как правило, после зарядки аккумулятор нужно установить в автотранспорт и сразу же его завести, для того, чтобы не было потерь в емкостиаккумулятора.
В результате проделанной работы были рассмотрены:
Классификация выпрямителей переменного тока, их применение, основные характеристики и типовые схемы. Рассмотрели более узкий профиль применения данного устройства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Васильев, Л. А. Газотронный выпрямитель [Текст]: краткое руководство к лабораторной работе / Л.А. Васильев. - Тюмень: [б. и.], 1952. - 13 с. - (Тюменский гос. пед.ин-т).
Геллер, И. Х. Селеновые выпрямители [Текст]: к изучению дисциплины / И. Х. Геллер. - М.-Л.: Энергия,1964.
Елизаров, К. Н. Переменный ток в курсе физики средней школы [Текст] / Пособие для учителей. - Л.: Учпедгиз, 1957. - 277с.
Батраков, А. Д. Элементарная электротехника для радиолюбителей [Текст]: к изучению дисциплины / А. Д. Батраков. - М-Л: [б. и.], 1950. - 176 с.2
Малов,Н.Н.Курсэлектротехникиирадиотехники[Текст]:учебноепособие: для пед. ин-тов / Н.Н. Малов. - М.: Госфизмат, 1959. - 424с.
Справочник по пайке [Текст]: справочник / Под ред. И.Е. Петрунина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1984. - 400с.
Изюмов, Н. М. Основы радиотехники [Текст] / Н. М. Изюмов, Д. П. Линде. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : Радио и связь, 1983. - 376 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1059).
Новиков, Юрий Витальевич. Основы цифровой схемотехники [Текст]: базовые элементы и схемы. Методы проектирования / Ю. В. Новиков. - М: Мир, 2001. - 379 с.: ил. - (Современная схемотехника). - ISBN 5- 03-003449-8: 130.79р.
Апушкинский, Г. П. Электрические и радиотехнические цепи [Текст] : учеб. пособие для нерадиотехн. спец. физ.-мат. фак. ун-тов / Г.П. Апушкинский. - Л.: Ленингр. ун-т, 1972. - 131с.
Добротворский,И.Н.Теорияэлектрическихцепей[Текст]:учеб.пособиедля электротехн.связи,спец.2109,2305,2306,2307/И.Н.Добротворский.-М.:Радио и связь, 1989. - 472с