Випрямлення змінного струму

Ви́прямлення  — перетворення змінного струму у постійний. Для випрямлення використовуються електричні пристрої, які пропускають струм тільки в одному напрямку — вентилі або діоди.

Випрямляч електричної енергії - механічний, електровакуумний, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм.

Пристрій, що виконує зворотну функцію - перетворення постійних напруги і струму в змінні напругу і струм - називається інвертором. За принципом оборотності електричних машин випрямляч і інвертор є двома різновидами однієї і тієї ж електричної машини (справедливо тільки для інвертора на базі електричної машини - двомашинного агрегату).

Типи випрямлячів

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

• за видом перемикача (комутатора)
  • механічні синхронні з щітковоколекторним комутатором струму;
  • механічні синхронні з контактним перемикачем (випрямлячем) струму;
  • з електронною керованою комутацією струму (наприклад, тиристорні);
  • з електронною пасивною комутацією струму (наприклад, діодні);
• за потужністю
  • силові випрямлячі;
  • випрямлячі сигналів;
• за рівнем використання напівперіодів змінної напруги
  • однопівперіодні - пропускають в навантаження тільки одну півхвилю;
  • двопівперіодні - пропускають в навантаження обидві напівхвилі;
  • неповноперіодні - не повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
  • повноперіодні - повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
• за схемою випрямлення - мостові, з множенням напруги, трансформаторні, з гальванічною розв'язкою, бестрансформаторні тощо;
• за кількістю використовуваних фаз - однофазні, двофазні, трифазні і багатофазні;
• за типом електронного вентиля - напівпровідникові діодні, напівпровідникові тиристорні, лампові діодні (кенотрони), газотрони, ігнітрони, електрохімічні тощо;
• за керованістю - некеровані (діодні), керовані (тиристорні);
• за кількістю каналів - одноканальні, багатоканальні;
• за величиною випрямленої напруги - низьковольтні (до 100 В), средневольтні (від 100 до 1000 В), високовольтні (понад 1000 В);
• за призначенням - зварювальний, для живлення мікроелектронної схеми, для живлення лампових анодних кіл, для гальваніки тощо;
• за ступенем повноти мостів - повномостові, півмостові, чвертьмостові;
• за наявностю пристроїв стабілізації - стабілізовані, нестабілізовані;
• за управлінням вихідними параметрами - регульовані, нерегульовані;
• за індикацією вихідних параметрів - без індикації, з індикацією (аналоговою, цифровою);
• за способом з'єднання - паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;
• за способом об'єднання - роздільні, об'єднані зірками, об'єднані кільцями;
• за частотою випрямляємо струму - низькочастотні, середньочастотні, високочастотні.

Схемотехнічні рішення

Напівперіодний випрямляч

На рисунку показана схема й принцип дії напівперіодного випрямляча. Використовуючи односторонню провідність напівпровідникового діода, струм у зворотному напрямку відтинається. Недоліком даної схеми є втрата потужності.

Двоперіодний випрямляч

Недоліком цієї схеми є неповне використання трансформатора - в кожен момент часу працює лише одна половина вторинної обмотки.

Місткова схема

Для збільшення потужності випрямленого струму використовується місткова схема. Чотири діоди під'єднані таким чином, що під час половини періоду працюють лише два з них, а під час наступної половини — два інші, даючи корисний струм в тому ж напрямку.

Трифазні випрямлячі

Найбільш поширені трифазні випрямлячі за схемою Миткевича В.Ф. (на трьох діодах, запропонована ним у 1901 р.) і за схемою Ларіонова А.Н. (на шести діодах, запропонована в 1923 р.). Випрямляч за схемою Миткевича є четвертьмостовим паралельним, за схемою Ларіонова - напівмостовим паралельним.

Схема Миткевича

Три четвертьмоста паралельно. Схема Миткевича В.Ф.

Вид ЕРС на вході (точками) і на виході (суцільний)

«Частично трёхполупериодный с нулевым выводом». Площадь под интегральной кривой равна:

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

где $E_{\text{m}}={\sqrt {2}}E_{\text{2eff}}$ — максимальное (наибольшее) мгновенное значение ЭДС, $E_{\text{2eff}}$ — эффективное (действующее) значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора или генератора.

Средняя ЭДС равна: $E_{\text{sr}}={\frac {3{\sqrt {3}}E_{\text{m}}}{2\pi }}=0{,}83E_{\text{m}}=1{,}17E_{\text{2eff}}.$

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в ветви с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Относительное эквивалентное активное сопротивление при этом равно сопротивлению одной ветви 3r. При увеличении нагрузки (уменьшении R_n) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно. Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках равно 3r/2. В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Отрицательные полупериоды в выпрямителе Миткевича не используются. Из-за этого выпрямитель Миткевича имеет очень низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора и применяется при малых мощностях.

Частота пульсаций равна 3f, где f — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна $0{,}5E_{\text{m}}$.

Относительная амплитуда пульсаций равна 0,5/0,83 = 0,6 (60 %).

Фільтрація

Більшість випрямлячів створює не постійні, а пульсуючі односпрямовані напругу і струм, для згладжування пульсацій яких застосовують низькочастотні фільтри.

Області використання

Застосування випрямлячів у блоках живлення радіо- і електроапаратури зумовлено тим, що зазвичай у системах електропостачання будівель або транспортних засобів (літаків, поїздів) застосовується змінний струм, і вихідний струм будь-якого електромагнітного трансформатора, застосованого для гальванічної розв'язки кіл або для зниження напруги, завжди змінний, тоді як у більшості випадків електронні схеми і електродвигуни цільової апаратури розраховані на живлення струмом постійної напруги.

У зварювальних апаратах постійного струму застосовуються найчастіше мостові схеми на потужних кремнієвих випрямних діодах - вентилях, з метою отримання постійної зварювальної напруги та струму. Він відрізняється від змінного тим, що при використанні його сильніше нагрівається область дуги близько позитивного (+) її полюсу, що дозволяє або здійснювати ощадливе зварювання деталей, або заощаджувати електроди, здійснюючи різання металу електродуговим зварюванням.

Випрямлячі автономних транспортних засобів

Як правило, на автономних транспортних засобах (автомобілях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, літаках) для отримання електроенергії застосовують генератори змінного струму, так як вони мають велику потужність при менших габаритах і вазі, ніж генератори постійного струму. Але для приводів рушіїв транспорту зазвичай застосовуються двигуни постійного струму, так як вони дозволяють простим перемиканням полюсів живильного струму управляти напрямком руху. Це дозволяє відмовитися від складних, важких і ненадійних коробок перемикання передач. Також застосовується і для приводу бурильних верстатів бурових вишок.

Перетворювачі бортового електропостачання постійного струму автономних транспортних засобів використовуються для автотракторної, залізничної, водної, авіаційної та іншої техніки.

Генерація електроенергії на транспортному засобі зазвичай проводиться генератором змінного струму, але для живлення бортової апаратури необхідний постійний струм. Наприклад, в легкових автомобілях застосовуються електомеханічні або напівпровідникові випрямлячі.

Випрямлячі електросилових установок

Енергопостачання заводів здійснюється електромережею змінного струму, але для приводів прокатних станів та інших агрегатів вигідніше використовувати двигуни постійного струму з тієї ж причини, що і для двигунів транспортних засобів.

Для гальванічних ванн (електролізерів) для отримання кольорових металів і сталі, нанесення металевих покриттів і гальванопластики.

Зварювальні апарати

У зварювальних апаратах постійного струму застосовуються найчастіше мостові схеми на потужних кремнієвих випрямних діодах - вентилях, з метою отримання постійної зварювальної напруги і струму. Він відрізняється від змінного тим, що при використанні його сильніше нагрівається область дуги близько позитивного її полюса, що дозволяє або здійснювати зварювання деталей, що зварюються, переважно, плавким зварювальним електродом, або економити електроди, здійснюючи різання металів електродуговим зварюванням.

Дивіться також

• Інвертор автономний
• Зварювальний автомат