Преобразование переменного тока в постоянный ток более высокого напряжения

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и

. Поскольку Ud считаем заданным, то

Из предыдущего выражения имеем:

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив

получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Способы получения электричества

Электроток производят с помощью таких устройств:

механические генераторы
. Состоят из двух частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Статор — постоянный или электрический магнит, ротор содержит обмотку из провода. При вращении ротора пересекающий его обмотку магнитный поток все время меняется, что приводит, согласно закону электромагнитной индукции, к возникновению ЭДС. Ротор приводится во вращение внешней силой: двигателем (автомобиль), потоком воды (гидроэлектростанция), давлением пара (атомные и тепловые электростанции), ветром и т.д. Ток на выходе генератора будет переменным. Для получения постоянного требуется дополнительное механическое устройство — коллектор;
гальванические элементы (ГЭ) и аккумуляторы. Превращают в электричество химическую энергию за счет окислительно-восстановительной реакции. Простейший ГЭ: медная и цинковая пластины, погруженные, соответственно, в растворы сернокислой меди и сульфата цинка, изолированные друг от друга пористой перегородкой (элемент Якоби-Даниэля). В результате окисления каждый атом цинка на цинковой пластине (анод) отдает 2 электрона, переходящие по электрической цепи на медную пластину (катод) и восстанавливающие на нем положительно заряженные ионы меди. ГЭ называют первичными химическими источниками тока (ХИТ). Аккумуляторы — вторичные ХИТ. Принцип работы схож, но химическую энергию им сначала нужно сообщить, подключив систему к источнику тока. Заряжать и разряжать аккумулятор можно многократно, тогда как ГЭ используется только один раз;
фотоэлементы. Действие основано на способности полупроводников генерировать ток при облучении светом. В этом можно убедиться, срезав верхнюю часть корпуса транзистора и поместив его под солнечные лучи: на выводах прибора мультиметр покажет напряжение;
термоэлементы. Действие основано на эффекте Зеебека: в замкнутой цепи из двух проводов, выполненных из разных металлов, при нагревании одной из двух зон контакта между ними возникает ЭДС. Такие цепи называют термопарами и в основном применяют в качестве термодатчиков. К примеру, для измерения температур от +00С до +1000С применяют пару медь – константан, в диапазоне +1000С – +6000С — серебро и константан.

Из всех перечисленных источников только механический генератор дает переменный ток. Если же ток поступает от аккумулятора, например, установленного в источнике бесперебойного питания (ИБП), его из постоянного превращают в переменный.

Выпрямительные схемы

Выпрямление электрических колебаний, это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.

Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.

В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.

При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученого на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Технические параметры выпрямителя:

— Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

— Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме, определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

— Коэффициент полезного действия, это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

—

Частотная пульсация выпрямителя, это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

Электроэнергия из воды

К большому сожалению, этот вид природной энергии, дающий возможность получать электричество, не везде имеется. Рассмотрим способ получения электричества там, где воды много.

Простейшая ГЭС, сделанная из дерева по принципу мельницы, размер которой порядка 1,5 метров, способна обеспечить электричеством, используемым и на отопление, частное подсобное хозяйство. Такую бесплотинную ГЭС сделал русский изобретатель, уроженец Алтая — Николай Ленев. Он создал ГЭС, перенести которую могут два взрослых мужчины. Все дальнейшие действия аналогичны получению электричества от ветряка.

Вырабатывают электричество и крупные электростанции и гидростанции. Для промышленного получения электричества применяют огромные котлы, дающие пар. Температура пара достигает 800 градусов, а давление в трубопроводе поднимается до 200 атмосфер. Этот перегретый пар с высокой температурой и огромным давлением поступает на турбину, которая начинает вращаться и вырабатывать ток.

То же самое происходит и на гидроэлектростанциях. Только здесь вращение происходит за счёт больших скорости и объема воды, падающей с огромной высоты.

Как из постоянного сделать переменный?

Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называют инвертором. Существует несколько видов этих аппаратов.

Инвертор с электродвигателем

Вал двигателя постоянного тока подсоединяется к скользящему контактному узлу, состоящему из двух частей:

вращающейся: состоит из нескольких кольцевых и сегментных пластин, упакованных в форме цилиндра;
неподвижной: графитовые щетки в щеткодержателях.

Одна пара щеток подключена к источнику постоянного тока, другая — к цепи переменного тока. Первая пара контактирует с кольцевыми пластинами, другая — с сегментными.

Часть последних электрически соединена с положительным кольцом, другая — с отрицательным. При вращении двигателя щетки цепи переменного тока по очереди контактируют с сегментными пластинами, в результате чего направление тока постоянно меняется. Более качественный переменный ток дает связка «двигатель постоянного тока – механический генератор», но у этого инвертора ниже КПД.

Релейный инвертор

Тут же пружина отбрасывает сердечник в исходное положение, так что к упомянутому контакту подключается катод. Такие колебания повторяются многократно, пока на катушку соленоида подается постоянный ток.

Электронный инвертор

С появлением и постепенным удешевлением полупроводников электромеханические инверторы перекочевали в разряд устаревших.

В их электронном аналоге ток перенаправляется ключевыми транзисторами, управляемыми микросхемой. Именно такие инверторы применяются в инверторных сварочных аппаратах, импульсных блоках питания, ИБП и др.

При использовании особых быстро переключающихся транзисторов такой инвертор способен создать из постоянного тока переменный с частотой в десятки кГц. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора и потери в нем (сварочные аппараты, импульсные блоки питания). Существует несколько видов электронных инверторов. Они описываются в последнем разделе.

Различия токов

Конечно же, главным различием переменного и постоянного тока является возможность переправки DC на большое расстояние. При этом, если таким же путем переправить постоянный ток, его просто не останется. По причине разности потенциалов он израсходуется. Так же стоит отметить то, что преобразовать в переменный очень сложно, в то время как в обратном порядке подобное действие вполне легко выполнимо.

Намного экономичнее преобразование электричества в механическую энергию именно при помощи двигателей, работающих от АС, хотя и имеются области, в которых возможно применение механизмов только прямого тока.

Ну и последнее по очереди, но не по смыслу — все-таки переменный ток безопаснее для людей. Именно по этой причине все приборы, используемые в быту и работающие от DC, являются слаботочными. А вот совсем отказаться от применения более опасного в пользу другого никак не получится именно по указанным выше причинам.

Все изложенное приводит к обобщенному ответу на вопрос, чем отличается переменный ток от постоянного — это характеристики, которые и влияют на выбор того или иного источника питания в определенной сфере.

Передача тока на большие расстояния

У некоторых людей возникает вопрос, на который выше был дан поверхностный ответ: почему по линиям электропередач (ЛЭП) приходит очень высокое напряжение? Если не знать всех тонкостей электротехники, то можно согласиться с этим вопросом. Действительно, ведь если бы по ЛЭП приходило напряжение в 380 В, то не пришлось бы устанавливать дорогостоящие трансформаторные подстанции. Да и на их обслуживание тратиться не пришлось бы, разве не так? Оказывается, что нет.

Построение графика переменного тока

Дело в том, что сечение проводника, по которому протекает электричество, зависит только от силы тока и от его потребляемой мощности и совершенно в стороне от этого остается напряжение. А это значит, что при силе тока в 2 А и напряжении в 25 000 В можно использовать тот же провод, как и для 220 В с теми же 2 А. Так что же из этого следует?

Здесь необходимо вернуться к закону обратной пропорциональности — при трансформации тока, т.е. увеличении напряжения, уменьшается сила тока и наоборот. Таким образом, высоковольтный ток отправляется к трансформаторной подстанции по более тонким проводам, что обеспечивает и меньшие потери при передаче.

Особенности передачи

Как раз в потерях и состоит ответ на вопрос, почему невозможно передать постоянный ток на большие расстояния. Если рассмотреть DC под этим углом, то именно по этой причине через небольшой отрезок расстояния электроэнергии в проводнике не останется. Но главное здесь не энергопотери, а их непосредственная причина, которая заключается, опять же, в одной из характеристик AC и DC.

Дело в том, что частота переменного тока в электрических сетях общего пользования в России — 50 Гц (герц). Это означает амплитуду колебания заряда между положительным и отрицательным, равную 50 изменений в секунду. Говоря простым языком, каждую 1/50 с. заряд меняет свою полярность, в этом и заключается отличие постоянного тока — в нем колебания практически либо совершенно отсутствуют. Именно по этой причине DC расходуется сам по себе, протекая через длинный проводник. Кстати, частота колебаний, к примеру, в США отличается от российской и составляет 60 Гц.

График разности постоянного и переменного тока

Генерирование

Очень интересен вопрос и о том, как же генерируется постоянный и переменный ток. Конечно, вырабатывать можно как один, так и другой, но здесь встает проблема размеров и затрат. Дело в том, что если для примера взять обычный автомобиль, ведь куда проще было бы поставить на него генератор постоянного тока, исключив из схемы диодный мост. Но тут появляется загвоздка.

Если убрать из автомобильного генератора выпрямитель, вроде бы должен уменьшиться и объем, но этого не произойдет. А причина тому — габариты генератора постоянного тока. К тому же и стоимость при этом существенно увеличится, потому и применяются переменные генераторы.

Вот и получается, что генерировать DC намного менее выгодно, чем АС, и тому есть конкретное доказательство.

Два великих изобретателя в свое время начали так называемую «войну токов», которая закончилась только лишь в 2007 году. А противниками в ней были Никола Тесла совместно с Джорджем Вестингаузом, ярые сторонники переменного напряжения, и Томас Эдисон, который стоял за применение повсеместно постоянного тока. Так вот, в 2007 году город Нью-Йорк полностью перешел на сторону Теслы, ознаменовав тем самым его победу. На этом стоит немного подробнее остановиться.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;
действующее значение
. Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;
форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
индукционные нагреватели;
дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Электроэнергия из воды

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Преобразование переменного тока в постоянный ток более высокого напряжения

Основные соотношения для выпрямителя