1.1. Однофазные выпрямители с активной нагрузкой
Однофазные выпрямители широко применяются на электроподвижном составе железных дорог, в технологических установках технического обслуживания и ремонта локомотивов, в устройствах вторичного электропитания, в электроприборах производственного, административного и бытового назначения.
Для изучения работы выпрямителя и для получения расчетных соотношений можно рассмотреть частный случай его работы, когда в качестве нагрузки применяется активное сопротивление, резистор R. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис.1.1) применяется в системах управления, в устройствах малой мощности, а также для проверки класса по напряжению силовых диодов и тиристоров при рабочем напряжении. Он отличается предельной простотой устройства.
Рис. 1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель
Когда высокий потенциал вторичной обмотки преобразовательного трансформатора TV прикладывается к аноду диода, а низкий потенциал через резистор RН прикладывается к катоду диода VD (прямое включение диода), объемный заряд на p-n переходе уменьшается, потенциальный барьер перехода снижается до нуля, и диод становится хорошим проводником. При прямом включении диода ток в цепи ограничивается практически электрическим сопротивлением резистора RH. В другой полупериод переменного напряжения высокий потенциал вторичной обмотки трансформатора прикладывается через резистор к катоду диода, а низкий потенциал – к аноду диода. Объемный заряд на p-n переходе диода возрастает с увеличением разности потенциалов на электродах, и он препятствует прохождению носителей электрических зарядов через p-n переход, а диод приобретает свойства диэлектрика. Ток в цепи равен нулю. Временные диаграммы напряжений, токов представлены на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Временные диаграммы напряжений, токов в схеме (рис. 1.1)
Синусоидальная форма мгновенных значений напряжения во вторичной обмотке может быть записана аналитически в виде
u2 = U2m ·sin ωt,
где U2m – амплитуда синусоидального напряжения;
ω = 2πf – угловая частота напряжения;
t – текущее время.
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud можно выразить через амплитуду синусоидального напряжения:
Udо
=
=
=
=
0,318·U2m,
(1.1)
Так как действующее значение синусоидального
напряжения на вторичной обмотке
трансформатора U2
=
,
то
Udо
=
·U2m
=
;
(1.2)
Выпрямленный ток повторяет форму выпрямленного напряжения и протекает по элементам электрической цепи, в том числе и по вторичной обмотке трансформатора TV. Частота пульсаций выпрямленного напряжения и выпрямленного тока равна частоте переменного напряжения на входе выпрямителя. Если мощность технологической установки большая, то за счет большого выпрямленного пульсирующего тока во вторичной обмотке происходит намагничивание сердечника трансформатора. Из-за намагничивания магнитопровода индуктивное сопротивление обмоток уменьшается, что ведет к увеличению тока, потребляемого трансформатором из сети, без увеличения мощности на выходе выпрямителя, то есть потери мощности в трансформаторе TV увеличатся. Происходит нагрев трансформатора. Так как кривую мгновенного значения выпрямленного тока (рис.1.2) можно разложить в ряд Фурье, который содержит кроме постоянной составляющей четные гармоники, то электрическая энергия затрачивается на нагрев металлических деталей и бака трансформатора. Провода и кабель нельзя прокладывать в металлических трубах, нельзя применять экранированные кабели в данной выпрямительной установке, так как электрическая энергия затрачивается на нагревание труб и экрана. Частота пульсирующего выпрямленного тока в однополупериодном выпрямителе равна частоте переменного напряжения и ниже частоты тока у выпрямителей других конструкций. Поэтому масса и габаритные размеры сглаживающего фильтра на выходе такого выпрямителя получаются больше, чем при применении других выпрямителей. По этой причине, а также из-за повышенного коэффициента пульсаций выпрямленного тока данные выпрямители не применяются для питания электропривода и в технологических установках большой мощности.
Среднее значение выпрямленного тока Idо можно рассчитать по формуле
Idо
=
.
Действующий выпрямленный ток равен
.
(1.3)
Мощность нагрузки выпрямителя равна
Pd = Ud · Id = Udo·Ido+Ud2·Id2·cosφ2+ Ud4·Id4·cosφ4+ Ud6·Id6·cosφ6+…
Pd
=
U2·I2.
(1.4)
Параметры СПП для данного выпрямителя выбираются по условиям: