2. Принцип работы схемы выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой

При работе на нагрузку, потребляющую небольшие токи от выпрямителя, часто используют фильтры, включающие конденсатор; в наиболее простом виде — этоС-фильтры. Такие фильтры для выпрямителя представляют емкостную нагрузку, которая заметно изменяет характер процессов в вентильном комплекте.

Рис. 2.1. Однофазный нулевой выпрямитель с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (б, в)

При включении выпрямителя рис. 2.1,анапряжение на конденсаторе и нагрузкеu_dот периода к периоду будет увеличиваться (рис. 2.1,б). На интервалах, когдаe₂>U_d,например при 0<<₁, вентильV1отпирается и конденсатор заряжается импульсом токаi_a1(рис. 1,в). При этом разность напряженийе₂—u_dприкладывается к сопротивлениюr, равному сумме сопротивления вентиля и приведенного суммарного сопротивления обмоток трансформатора. Когдаe₂<u_dпри₁<<₂, вентиль запирается, и конденсатор частично разряжается на нагрузку.

По мере увеличения напряженияU_dдлительность импульса тока заряда конденсатора уменьшается, а время разряда конденсатора увеличивается, поэтому спустя некоторое время напряжениеu_dначнет изменяться около своего среднего установившегося уровняU_d.

Амплитудное значение тока вентиляI_amиз-за малого времени проводимости в установившемся режиме может в 5...7 раз превосходить его среднее значениеI_a(рис.2.1,в). При включении схемы это превышение еще больше и для ограничения начального броска зарядного тока конденсатора иногда вводят дополнительное ограничивающее сопротивлениеr, которое вместе с конденсатором образует Г-образныйRС-фильтр (см. рис. 2.1,а).

Чем больше сопротивление нагрузкиR_н, тем больше постоянная времени цепи разряда конденсатора=СR_ни вышеU_d, которое при холостом ходе (R _н =) равноU_dxx=E_2m=E₂. С увеличениемуменьшается пульсация выходного напряжения.

Таким образом, при емкостной нагрузке выпрямитель отличают по сравнению с выпрямителем с активной нагрузкой:

• малая длительность и большая амплитуда анодного тока;

• увеличенное выходное напряжение;

• малые пульсации выходного напряжения;

• сильная зависимость среднего значения выходного напряжения от сопротивления нагрузки.

Рис. 2.2. Диаграммы напряжений и токов при работе выпрямителя на противо-ЭДС (а) и зависимости расчетных коэффициентов от параметраА (б)

Расчет выпрямителя с С-фильтром производят методом Терентьева, при котором пренебрегают пульсациями выходного напряжения, считая, что выпрямитель работает на неизменную противо-ЭДС Ud (рис. 2.2, а). При таком допущении импульс анодного тока симметричен. Обозначим его длительность 2, где уголназовем углом отсечки анодного тока. Мгновенное значение анодного тока может быть определено по падению напряжения e2—ud на резисторе r, через который протекает этот ток

i_a = (e₂ -u_d)/r. (1)

Здесь напряжение на вторичной обмотке трансформатора e₂=E₂ cos, а напряжение на нагрузке может быть выражено через угол отсечки (рис.2.2,а).

Подставим U_d=E₂ cos в (1):

.

Среднее значение тока нагрузки

(2)

где m- число пульсаций в периоде;

А— расчетный коэффициент, зависящий от угла:

A= tg-.

Из (2) .

Порядок расчетавыпрямителя следующий:

1) по известным R_ниrопределяютА;

2) находят ;

3) определяют все токи и напряжения в выпрямителе.

Для удобства расчета используют вспомогательные коэффициенты В, FиD, являющиеся функциями коэффициентаА(рис. 2.2,б). Расчетные соотношения для выпрямителей приведены в таблице.

Все основные электрические параметры выпрямителя могут быть выражены как функции угла отсечки либо величиныА() =tg  - .Ниже приведен расчет для однофазной мостовой схемы.

Максимальное значение тока диода

I_am=FI_a ,

где F- коэффициент максимального тока:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

,

где D- коэффициент формы тока:

Действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора

E₂ = BU_d,

где B - коэффициент фазной ЭДС:

Рис. 2.3. Графические зависимости к

инженерному расчету выпрямителя

при активно-емкостной нагрузке.

ЗависимостиВ, D, F, Нот коэффициентаАприведены также на рис. 2.3,б, в, г.

Полная мощность вторичной обмотки трансформатора

Мощность S₂максимальна при= 37°, поэтому режим работы выпрямителя следует выбирать при значении угла= 35...45°, что соответствуетА=0,1...0,2.

Полная мощность вторичной обмотки и типовая мощность трансформатора равны друг другу.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике при конечном, но достаточно большом значении емкости конденсатора

q=Н/(Cr), (3)

где С— в микрофарадах;

.

Функция Hпредставлена графически на рис. 2.3,гпри различной кратности пульсацийm(для однофазного мостового выпрямителяm=2).

Выражение (3) позволяет также по заданному коэффициенту пульсаций qопределить необходимую величину емкости конденсатора.

Внешняя характеристика выпрямителя определяется уравнениями:

или в относительных единицах

cos = f(sin-cos)(4)

Выражение (4) представляет обобщенную внешнюю характеристику выпрямителя, представленную графически на рис. 2.3,д.

Внешняя характеристика крутопадающая, поэтому не рекомендуется использовать такой выпрямитель для питания потребителей с переменной нагрузкой, так как напряжение на выходе выпрямителя будет изменяться по величине.

Рассмотренная методика анализа выпрямителей пригодна, если =3...4.

Для более мощных выпрямителей (<3) необходимо учитывать влияние индуктивности рассеянияL_a. ИндуктивностьL_aнужно учитывать и для выпрямителей малой мощности при повышенных частотах питающего напряжения.

Индуктивность L_aспособствует увеличению длительности зарядного тока конденсатора, что вызывает изменение формы кривой выпрямленного напряжения, а следовательно, и среднего значения выпрямленного напряжения. В результате функцияB=E₂/U_dизменяется. На рис. 2.3,еприведено семейство функцийB, построенных для различных значений угла, равного arctg (L_a /r).

Изменение других функций с учетом величины L_aотносительно малы и при расчете их можно не учитывать.

Таблица 2.1- Расчетные коэффициенты

Тип выпрямителя	Kr	Kl
Однофазный мостовой	3.5