Jak probíhá usměrňování střídavého proudu » Informace pro elektrikáře

Jak víte, elektrárny vyrábějí střídavý proud. Střídavý proud se snadno převádí pomocí transformátorů, přenáší se po drátech s minimálními ztrátami, mnoho elektromotorů pracuje na střídavý proud, ostatně všechny průmyslové a domácí sítě dnes fungují na střídavý proud.

Pro některé aplikace je však střídavý proud zásadně nevhodný. Baterie je nutné nabíjet stejnosměrným proudem, elektrolýzy jsou napájeny stejnosměrným proudem, LEDky vyžadují konstantní proud a na mnoha místech se bez stejnosměrného proudu prostě neobejdete, nemluvě o vychytávkách, které zpočátku využívají baterie. Tak či onak, někdy je nutné získat stejnosměrný proud ze střídavého proudu jeho přeměnou, aby se tento problém vyřešil, uchýlí se k usměrňovacímu střídavému proudu.

Diodové usměrňovače se používají k usměrnění střídavého proudu. Nejjednodušší usměrňovací obvod, obsahující pouze jednu polovodičovou diodu, se nazývá půlvlnný usměrňovač. Střídavý proud zde prochází primárním vinutím transformátoru, jehož sekundární vinutí je připojeno jednou svorkou k anodě diody a druhou k zátěžovému obvodu, který je zase připojen ke katodě diody. , uzavírá sekundární obvod transformátoru.

Uvažujme, co se stane v prvním časovém okamžiku, když se na anodu diody přivede kladné napětí vzhledem k její katodě, působící během prvního půlcyklu střídavého proudu.

V tomto okamžiku se elektrony pohybují od katody k anodě diody, drátem sekundárního vinutí transformátoru, induktorem a následně zátěží – tím je obvod dokončen. Když začne opačný půlcyklus, elektrony od anody ke katodě nemohou proniknout, takže během tohoto půlcyklu není v obvodu žádný proud. S nástupem další půlperiody se proces opakuje.

Protože proud protéká obvodem pouze během jednoho z polovičních cyklů, nazývá se tento typ usměrnění půlvlnným usměrněním. A vzhledem k tomu, že během záporných půlcyklů proud nevstupuje do zatěžovacího obvodu, jeho tvar se ukazuje jako pulzující, protože působí jedním směrem, i když se mění ve velikosti.

V tomto obvodu je použit vyhlazovací filtr, který se skládá z tlumivky (induktoru) a kondenzátorů, aby se snížila úroveň zvlnění zátěže a proud byl téměř dokonale konstantní. V praxi filtrační obvod nepropouští proměnnou složku do zátěže, pouze prochází konstantní složka.

Cívka má indukční reaktanci, která závisí na frekvenci proudu a čím vyšší frekvence, tím větší je indukční reaktance cívky, takže cívka odolává střídavé složce pulzujícího proudu. Cívka snadno prochází stejnosměrnou složkou.

Kondenzátor prochází střídavou součástkou, ale nedovoluje průchod přímé součástce a čím vyšší je frekvence proudu, tím silnější jím kondenzátor prochází. Obecně platí, že čím větší je kapacita kondenzátoru a čím vyšší je indukčnost cívky induktoru, tím méně zbytečných změn ve složce stejnosměrného proudu protékající specificky zátěží.

Takže když v obvodu působí kladná půlvlna proudu, první kondenzátor se nabije na hodnotu amplitudy střídavého napětí sekundárního vinutí (minus úbytek napětí na diodě). Když záporná půlvlna funguje, do kondenzátoru neproudí žádná elektřina a vybíjí se do zátěže a udržuje v něm konstantní proud.

Pokud by neexistoval induktor, pak by se napětí na kondenzátoru během tohoto procesu snížilo, proud přes zátěž by tak či onak měl silné vlnění. Pro snížení zvlnění je do obvodu přidána tlumivka (cívka) a dokonce i s přídavným kondenzátorem umístěným za ní. Druhý kondenzátor přebírá proud procházející induktorem, který již neobsahuje téměř žádné zvlnění.

Pro ještě lepší vyhlazení vlnění se používá celovlnný usměrňovač. Celovlnný usměrňovač lze implementovat jedním ze dvou způsobů. Může být vyroben pomocí můstkového obvodu (skládajícího se ze čtyř diod), nebo obsahovat pouze dvě diody, ale pak sekundární vinutí transformátoru musí mít dvojnásobný počet závitů a uprostřed mezi polovinami vinutí svorku.

Celovlnný usměrňovač funguje následovně. Během jednoho z půlcyklů (řekněme kladného) je proud směrován z anody na katodu horní diody v obvodu a spodní dioda v obvodu v tuto chvíli neprochází proudem, je uzamčena. (stejně se chová jediná dioda v půlvlnném usměrňovači při záporné půlvlně proudu ).

Proud je uzavřen přes filtr, zátěž a poté přes střední svorku do vinutí transformátoru. Když nastane druhá polovina cyklu, polarita proudu je taková, že spodní dioda v obvodu prochází proudem přes filtr a zátěž a horní dioda je blokována. Poté se procesy opakují.

Protože proud je zde dodáván do zátěže během každé ze dvou period, toto usměrnění se nazývá celovlnné usměrnění a usměrňovač se nazývá celovlnný usměrňovač. Zvlnění na výstupu je zde dvakrát menší než u půlvlnného usměrnění, protože frekvence usměrněných pulzů je dvakrát vyšší, indukční reaktance induktoru je dvakrát větší a kondenzátory se nestihnou vybít. výrazně.

Typické obvody různých usměrňovačů jsou podrobněji rozebrány zde: Obvody jednofázových usměrňovačů elektrického proudu

• Příčiny poruch asynchronních motorů a způsoby jejich odstranění
• Povolení k práci v elektroinstalacích
• Klasifikace elektromotorů

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie v každodenním životě i v práci » Pomoci začínajícím elektrikářům

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli:

Usměrňovač elektrického napětí je zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný proud. To znamená, že proud na výstupu zařízení není konstantní, ale pulzující.

U stejnosměrného proudu se napětí a síla v průběhu času nemění, ale u pulzujícího proudu jejich hodnoty kolísají v malých mezích striktně v kladné oblasti, zatímco střídavý proud zahrnuje i záporné hodnoty. Aby byl pulzující proud konstantní, jsou v síti za usměrňovačem napětí dodatečně instalovány filtry.

Toto zařízení je také střídač na bázi elektrického stroje – to znamená, že jej lze použít ke zpětné přeměně stejnosměrného proudu na střídavý. Vyrábí polovodičové, elektrovakuové a mechanické typy tohoto zařízení.

Rozsah použití usměrňovačů

V různých obvodech se usměrňovače střídavého napětí používají v následujících oblastech:

• v železničních komunikacích, městské a příměstské elektrické dopravě pro napájení kontaktních sítí tramvají, metra, trolejbusů, elektrických lokomotiv;
• na generátorových soustrojích elektráren pro zahájení výroby proudu;
• v chemické výrobě v elektrolytických zařízeních pro elektrochemické vylučování kovů, dále výroba alkálií, chlóru, čistého hliníku;
• v hutních provozech dodávat silové kabely do válcoven;
• v alternativní energetice ke zvýšení účinnosti solárních panelů, bezdrátovému přenosu elektřiny, k řešení dalších specifických problémů průmyslu.

Miniaturní usměrňovače napětí jsou zabudovány do napájecího obvodu domácích spotřebičů, včetně elektronických a rádiových zařízení. Taková zařízení jsou součástí adaptérů pro domácnost.

Princip činnosti usměrňovačů

Princip činnosti napěťových usměrňovačů je založen na vlastnostech polovodičů. Jde o látky s průměrnou schopností vést proud, která se však zvyšuje s rostoucí teplotou pracovního prostředí. Jednou z jejich vlastností je přenos elektronů striktně od anody (záporný pól) ke katodě (kladný). Střídavý proud se šíří v sinusových vlnách, z nichž polovina je v kladné oblasti a druhá polovina v záporné oblasti.

Díky popsané vlastnosti usměrňovač napětí odřízne zápornou část vlny, zkrátí interval jejího kmitání a dobu průchodu zařízením. To má za následek pulzující proud, který je blíže stejnosměrnému než střídavému proudu. Záporná půlvlna může být invertována, to znamená přeměněna na pozitivní. Tento proces umožňuje konstrukce usměrňovače napětí sestávající ze čtyř ventilů nazývaných můstek.

Technické parametry usměrňovačů

Toto zařízení je popsáno následujícími hlavními technickými charakteristikami:

• Napájení. Určuje povolené limity zatížení na zařízení. Vypočítá se tak, že se sečte standardní výkon elektrických spotřebičů připojených k síti a připočte se dalších 30 %. Jednotky měření jsou voltampéry nebo watty. 1 watt se rovná 0,7 až 1 voltampéru.
• Fázování. Jedná se o počet fází v síti, ke kterým je připojeno stabilizační zařízení. Jednofázové usměrňovače jsou určeny pouze pro sítě s napětím 220 voltů (V), třífázové lze připojit k systémům libovolné fáze, s napětím 220 nebo 380 V.
• Vstupní napětí. Jedná se o intervalovou hodnotu, ve které je zařízení schopno stabilizovat proud. Rozsah je přibližně 50 až 120 % jmenovitého napětí. Například při 220 voltech bude interval od 130 do 270 voltů, při 380 – od 200 do 450.
• Rychlost stabilizace. Dalším názvem je rychlost. Toto je čas v milisekundách potřebný k neutralizaci přepětí. Čím rychleji zařízení převádí proud ze střídavého na stejnosměrný, tím spolehlivěji, bezpečněji a efektivněji funguje.
• Přesná stabilizace. To je dovolená chyba, tedy rozdíl mezi jmenovitou hodnotou výstupního napětí a skutečnou. V ideálním případě má tendenci k nule, ale v praxi je rozdíl 10 % považován za dobrou přesnost, velmi dobrou – 7 %, vynikající – 2 %.

V praxi je třeba při výběru stabilizátorů napětí brát v úvahu takové parametry, jako jsou rozměry, hmotnost, indikační prostředky (nejčastěji světlo) a ovládací prvky. U velkých modelů je důležitý také způsob instalace (na podlahu, na stěnu nebo do racku).

Hlavní klasifikační kritéria

Pro systematizaci napěťových usměrňovačů se používají různá kritéria. Kombinované klasifikace jsou založeny na následujících pěti nejdůležitějších parametrech:

• počet period oscilací sinusoidy střídavého proudu zahrnutých v práci (jedno- a dvoupůlvlnné modely s plným nebo neúplným využitím elektrické vlny);
• počet fází (hlavní typy jsou jedno- a třífázové, popsané výše; méně často se používají dvoufázové a N-fázové provedení, které vyžadují neomezený počet fází);
• základní typ zařízení (usměrňovače s elektronickým můstkem, s násobením napětí, stejně jako modely s transformátory nebo bez nich);
• typ prvku přenášejícího sinusovou elektrickou vlnu (rtuťové, vakuové, mechanické, tyristorové a diodové polovodičové struktury);
• typu vysílané vlny (existují pulzní, analogové a digitální převodníky).

Uvedené typy napěťových usměrňovačů zahrnují jejich nejběžnější obvody, popsané níže.

Jediný čtvrtinový most

Správnější název je půlvlnný usměrňovač. Nejjednodušší možnost je založena na jediném polovodičovém ventilu, kterým je dioda. Produkují chybu stabilizace proudu větší než 10 %, proto je potřeba je doplnit filtry pro vyhlazení pulzujícího proudu na konstantní. Z tohoto důvodu se obvod stává příliš složitým a vyžaduje více energie, takže takové modely se v průmyslu používají jen zřídka. Ale jsou vhodné pro počítačové vybavení se sinusovou frekvencí asi 10 hertzů. Dalšími nevýhodami je malý výkon, postupná magnetizace za provozu, časté pulzování. Hlavní výhodou je nízká cena.

Dva čtvrtinové mosty paralelně

Tento obvod usměrňovače napětí je jednoduchou mechanickou komplikací předchozího. Chcete-li jej sestavit, vezměte dva čtvrtinové můstky se stejnými vlastnostmi (doba průchodu vlny, výkon atd.). Jsou zapojeny do obvodu tak, že kladná půlvlna je rozdělena na další dvě části, z nichž každá prochází současně jedním ze čtvrtmůstků dvojice. Zvyšuje se tak rychlost stabilizace střídavého proudu a jeho chyba se snižuje přibližně o 30-40 %, protože frekvence pulsace půlvlny je samozřejmě nižší než u celé půlvlny. Hlavní nevýhody čtvrťových mostů zde ale zůstávají.

Dva plné mosty v sérii

Jedná se o poměrně vzácný obvod dvoufázového usměrňovače napětí. Obsahuje dva plné diodové můstky, z nichž každý se skládá ze čtyř výkonových diod. Jeden můstek může být anodový a procházet kladnou půlvlnou střídavého proudu, druhý může být katodový, přes který bude procházet záporná polovina sinusovky. Můstky jsou zapojeny paralelně tak, aby obě části vlny procházely současně. V tomto případě je každá z polovin rozdělena do čtyř proudů, z nichž každý pulzuje mnohem slaběji. A celkový elektrický odpor obvodu s touto konstrukcí se zvyšuje čtyřikrát, což také snižuje zvlnění proudu na výstupu systému.

Mostový okruh

Jedná se o design celovlnného usměrňovače napětí. Skládá se z transformátoru a dvou diod, které umožňují vedení elektřiny během obou částí cyklu střídavého proudu. To znamená, že jedna půlvlna prochází jednou diodou, současně další – druhou, zatímco kladná část sinusové vlny protéká jedním polovodičovým prvkem a záporná část druhým. Tento systém umožňuje snížit amplitudu kmitů střídavého proudu na polovinu. Technicky je toho dosaženo připojením diod k sekundárnímu vinutí transformátoru, přičemž vinutí má centrální odbočku a poskytuje vysokou odolnost proti příchozímu proudu.

Obvod 12 diod

Další typ paralelních obvodů pro usměrňovače elektrického napětí. Tato konfigurace je poměrně neobvyklá, takže je méně běžná než jiné typy obvodů. K obvodu je paralelně zapojeno 6 jednoduchých diod, což znamená, že půlvlnná sinusovka střídavého proudu vstupující do sítě je rozdělena do 12 nebo 6 paralelních proudů. O 12 – pokud vám konstrukce umožňuje převrátit zápornou půlvlnu, o XNUMX – pokud je záporná půlvlna jednoduše odříznuta. V důsledku toho mají oscilace půlvlny procházející obvodem tendenci k nule a výstup produkuje stejnosměrný proud s minimálním nebo žádným zvlněním.

Tři plné mosty v sérii

Toto je další verze obvodu třífázového sériového usměrňovače napětí. Skládá se z 12 diod, seskupených do tří úplných můstků po čtyřech diodách. Výhodou této konstrukce je, že celková úroveň odporu v systému je devětkrát vyšší než hodnota tohoto parametru pro samostatnou jedinou diodu. Odpor na každém můstku je třikrát vyšší než na každé diodě. To umožňuje snížit amplitudu kmitů příchozí vlny tak, aby další úsilí o normalizaci pulzujícího proudu bylo minimální. Zařízení vyrábí proud o vysoké síle a napětí, což je důležité pro výkonné elektrické generátory.

Larionovovo schéma

Jedná se o třífázový můstkový usměrňovací obvod vyvinutý sovětským profesorem A. N. Larionovem v roce 1924. Skládá se ze šesti diod a normalizuje kladné půlvlny, invertuje a stabilizuje i záporné části střídavých sinusoid. Šest diod je uspořádáno do můstku a dvou třífázových skupin: spodní katoda a horní anoda. Záporný proud protéká katodovou skupinou, kladný proud přes anodovou skupinu. Každá půlvlna je rozdělena do tří proudů, takže se zvlnění na výstupu obvodu výrazně sníží, někdy až na nulu, tedy na ideální stejnosměrný proud. V tomto případě není transformátor během provozu magnetizován.

Mitkevičovo schéma

Dřívější verze třífázového můstkového usměrňovacího obvodu byla navržena v roce 1901 ruským, později sovětským profesorem V.F. Ve své nejjednodušší podobě se skládá ze tří čtvrtin můstků (tj. jednotlivých výkonových diod) zapojených paralelně. Ve skutečnosti je to polovina okruhu Larionov a pracuje zpravidla s pozitivní půlvlnou, jednoduše odřízne negativní. Kladná část sinusoidy je rozdělena do tří proudů, což zvlnění přirozeně snižuje, i když jej zcela neodstraňuje – stále jsou potřeba malé filtry. Diody jsou připojeny k obvodu přes sekundární vinutí třífázového transformátoru.

Pro více informací

Někdy je obvod usměrňovače napětí doplněn o galvanické oddělení včetně akumulačních prvků pro akumulaci energie. Tato úprava zlepšuje charakteristiku proudu na výstupu stabilizátoru: akumulovaný výkon umožňuje částečně snížit kolísání pulzujícího proudu. Navíc se dodávka usměrněného proudu stává kontinuální: pokud model neinvertuje zápornou půlvlnu, pak během jejího průchodu není na výstupu žádný proud.

A použití galvanického oddělení s bateriemi a kondenzátory umožňuje v době nečinnosti dodávat na výstup proud akumulovaný při průchodu kladné půlvlny. Trvání takových period je milisekundy, ale pro napájení jsou to významné časové intervaly. Popsaný obvod usměrňovače je relevantní pro napěťové zesilovače, u kterých je důležitá absence takových technologických prostojů.