1.6. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока

Коэффициент пульсации. Все схемы выпрямления дают выпрямленный ток и выпрямленное напряжение с различной степенью пульсации. Пульсирующий ток или напряжение можно представить в виде некоторой постоянной составляющей , равной среднему значению тока или напряжения, и суммы ряда синусоидальных токов или напряжений, имеющих различную частоту и амплитуду (так называемых гармонических составляющих). Синусоидальный ток или напряжение, изменяющееся с частотой, с которой происходит пульсация, называют первой, или основной, гармоникой; остальные гармонические состав­ляющие, у которых частота в 2, 3, 4 раза и более превышает первую, называют высшими гармониками - второй, третьей, четвертой и т. д. Сумма мгновенных значений первой и высших гармоник представляет собой переменную составляющую пульсирующего тока или напряжения.

Постоянная составляющая полезна и обеспечивает нормальную рабо­ту потребителей, включенных в цепь выпрямленного тока; переменная же составляющая оказывает вредное влияние на работу этих потребите­лей. Пульсацию принято оценивать коэффициентом пульсации. Коэффи­циент пульсации равен отношению амплитуды первой гармоники пере­менной составляющей к постоянной составляющей, т. е. к среднему значению данного тока или напряжения. Обычно его выражают в процен­тах. Например, амплитудное значение переменной составляющей пуль­сирующего тока

I_m=( I_max- I_min)/2

а среднее значение пульсирующего тока

I_cp=( I_max+ I_min)/2

Коэффициент пульсации выпрямленного тока

Pi = I_m/ I_cp =[( I_max- I_min)/ ( I_max+ I_min)]100

При однополупериодной схеме выпрямления и питания выпрями­теля переменным током частотой 50 Гц первая гармоника выпрямлен­ного напряжения также будет иметь частоту 50 Гц (рис. 23, а) и ампли­туду U_m1 = 0,5 U_m, где U_m - амплитуда напряжения источника пере­менного тока (сети). Следовательно, коэффициент пульсации

p_u = (U_m1/U_d)100 = (0,5U_m/0,318U_m)100=157%

При двухполупериодном выпрямлении частота первой гармоники выпрямленного напряжения становится равной 100 Гц (рис. 23, б), а амплитуда U_m1, = 0,42U_m. Следовательно, коэффициент пульсации

p_u = (U_m1/U_d)100 = (0,42U_m/0,637U_m)100=67%

Рис. 23. Разложение выпрямленного напряжения на ряд гармоник при однополупериодном (а) и двухполупериодном (б) выпрямлении:1 - пульсирующее напряжение; 2 - первая гармоника; 3 - вторая гармоника; 4 - постоянная составляющая.

Сглаживание выпрямленного тока реакторами. Для сглаживания пульсации выпрямительного тока могут применяться реакторы со стальным сердечником и без сердечника . Реакторы со стальным сердечником имеют большую индуктивность в области малых токов нагрузки. Для поддержания коэффициента пульсации постоянным во всем диапазоне нагрузок необходимо, чтобы индуктивность изменялась с изменением нагрузки по гиперболе. Т. Е. Чтобы произведение I_d L_d оставалась постоянным. Получить характеристику, близкую к гиперболе, можно, используя реакторы со стальным сердечником, которые нашли широкое применение на э.п.с. Полностью сгладить выпрямленный ток на электровозах или электропоездах не представляется возможным: сглаживающий реактор имел бы в этом случае большие размеры. Обычно ограничиваются уменьшением коэффициента пульсации до 25-30%. Выпрямленный ток i_d, проходящий через двигатель, равен сумме токов в соответствующих вентилях и в идеальном случае он будет полностью сглаженным. В действительности выпрямленный ток имеет некоторую пульсацию тем большую, чем меньше индуктивность L_d. Ток i₁ в первичной обмотке трансформатора будет иметь трапецеидальную форму.