3. Системы выпрямления переменного тока

3.1. Общие сведения.

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители классифицируются:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз;

по схеме выпрямления;

по способу регулирования выходного напряжения.

По мощности выпрямители делятся на: маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт, мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В, высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

с одним вентилем (однофазные однополупериодные);

со средней точкой (однофазные двухполупериодные и трехфазные);

мостовые (однофазные двухполупериодные и трехфазные).

По способу регулирования выходного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Управляемые выпрямители должны быть собраны на управляемых вентилях, например, тиристорах. Наиболее распространенным способом регулирования напряжения или тока на выходе управляемого выпрямителя является непосредственное воздействие на вентильные элементы.

На тепловозах применяются в основном мостовые схемы выпрямления, поэтому принцип работы схем выпрямления со средней точкой здесь не рассматриваются, а их сравнительные характеристики приведены в таблице 3.1.

3.2. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Неуправляемая однополупериодная схема выпрямления состоит из источника переменного напряжения (например, однофазного трансформатора Тр), диода В и нагрузки. Рассмотрим простейший случай работы схемы на активную нагрузку – резистор R_d (рис. 3.1, а).

На вторичной обмотке трансформатора Тр формируется синусоидальное напряжение

,

где и - амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.1, б);

- угловая частота напряжения источника, и - частота и период напряжения источника.

В соответствии со II законом Кирхгофа для цепи нагрузки можно записать:

, (3.1)

где - падение напряжения на диоде; - выпрямленный ток в нагрузке, - сопротивление диода.

Когда к диоду приложено прямое напряжение _, диод открывается и во вторичной цепи протекает ток . В проводящем состоянии диод имеет очень малое сопротивление , поэтому для проводящего состояния цепи , и напряжение источника будет приложено к нагрузке:

,

а ток через нагрузку определится как

. (3.2)

Диод будет находиться в проводящем состоянии, пока проходящий через него ток не снизится до нуля. При активной нагрузке (когда ток и напряжение совпадают по фазе), диод закроется, когда напряжение поменяет полярность и станет . В этом случае , и в соответствии с (3.1)

,

т.е. все напряжение источника будет приложено к диоду в обратном направлении - обратное напряжение на диоде.

Таким образом, в соответствии с (3.1) напряжение источника с действующим значением в течение положительного полупериода будет приложено к нагрузке R_d, а в течение отрицательного полупериода – к диоду В в обратном направлении.

В результате через нагрузку будет протекать постоянный пульсирующий ток (ток и напряжение считаются постоянными, если они не меняют направления) (рис. 3.1, в). Максимальное значение выпрямленного напряжения на R_d будет равно амплитудному значению фазного напряжения вторичной обмотки Тр:

.

Среднее значение выпрямленного напряжения представляет собой постоянную составляющую в напряжении (см. § 3.7). Оно определяется путем деления площади кривой величины на период повторяемости этой же величины. Для неуправляемой однополупериодной схемы выпрямления среднее значение выпрямленного напряжения на интервале периода :

(3.3)

Значение геометрически может быть представлено высотой прямоугольника с основанием равным периоду (косая штриховка), площадь которого численно равна площади, ограниченной кривой выпрямленного напряжения на периоде (прямая штриховка) (рис. 3.1 в).

Соответственно среднее значение выпрямленного тока в данной системе выпрямления

(3.4)

где - максимальное значение выпрямленного тока, которое в соответствии с (3.2) определится как

. (3.5)

С учетом (3.3) и (3.5) среднее значение выпрямленного тока:

(3.6)

Для получения действующего значения выпрямленного тока I_B нужно приравнять электрические потери, создаваемые этим током, потерям, создаваемым током на периоде его повторяемости

,

После интегрирования и с учетом (3.4) получим, что

.

В общем случае, мощность, выделяемая на нагрузке R_d, определяется мгновенными значениями тока и напряжения:

(3.7) или электрическими потерями на нагрузке действующего значения тока.

Учитывая что , мощность на активной нагрузке выразится как:

. (3.8)

В то же время, мощность постоянного тока системы выпрямления определяется произведением средних значений выпрямленных тока и напряжения и при активной нагрузке будет равно:

.

Важно отметить, что значения P_d и P совпадают только в случае идеально сглаженного выпрямленного напряжения. Во всех других случаях .

Для сравнения различных схем неуправляемых выпрямителей используют коэффициент схемы , который определяется как отношение между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением переменного напряжения на входе выпрямителя :

. (3.9)

Однофазная однополупериодная схема выпрямления в соответствии с (3.3) имеет значение .

Во всех схемах выпрямления для выбора вентильного элемента необходимо знать максимальное и среднее значения тока, протекающего через него, а также максимальное значение обратного напряжения , определяющее его класс (см. § 1.6.1). В данной схеме выпрямления:

.

Максимальное значение тока, проходящего по вентилю (максимальный анодный ток) в соответствии с (3.4):

.

Среднее значение тока вентиля (средний анодный ток) равно току нагрузки

Если вместо диода в схеме выпрямления установлен тиристор Т, неуправляемая схема выпрямления преобразуется в управляемую схему выпрямления (рис. 3.2, а). Характер процессов в такой схеме остается прежним, с той лишь разницей, что ток в нагрузку будет поступать с момента подачи управляющего импульса на тиристор - (рис. 3.2, б). Закроется тиристор, как и диод, при снижении тока через него до нуля. Изменяя _, можно регулировать значения выпрямленного напряжения на нагрузке (рис. 3.2, в).

При увеличении время пропускания тока тиристором за полупериод сокращается, поэтому для однополуперионой управляемой схемы выпрямления среднее напряжение на нагрузке:

,

По значению и зависимостям (3.4) и (3.7) можно вычислить значения I_d, P и другие параметры режима работы схемы.

Очевидно, что значение соответствует режиму работы неуправляемой схемы выпрямления.

Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы. Таким образом, исходными данными при расчете выпрямителя являются: выпрямленные значения напряжения , тока и мощность на нагрузке .

При проведении анализа схем выпрямления необходимо учитывать, что на их работу оказывает существенное влияние характер нагрузки: активная, активно-индуктивная или активно-емкостная. Для большей части выпрямителей средней и большой мощности характерна активная и активно-индуктивная нагрузка (например, электродвигатель).

Поскольку энергетические показатели однополупериодной схемы выпрямления низкие ( ), она распространения не имеет.