2.1. Неуправляемые выпрямители

2.1.1. Однополупериодный выпрямитель

На рис.2.1, 2.2 приведены схема выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений. Характер электромагнитных процессов, протекающих в выпрямителе, зависит от вида нагрузки и протекает по-разному. При чисто активной нагрузке, когда L=0, работу выпрямителя отражают кривые токов и напряжений, приведенные на рис.2.2 – г.

Из их рассмотрения видно, что ток и напряжение на нагрузке имеют одинаковую форму и совпадают по фазе. При ток в нагрузке i_d и в сети снижаются до нуля, диод закрывается на отрезке времени и к нему прикладывается обратное запирающее напряжение.

Рис.2.1. Однофазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель

Включение в цепь нагрузки реактора L вносит существенные изменения в работу выпрямителя. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения сети u диод не закрывается, а проводит ток в течение некоторого времени в отрицательный полупериод напряжения.

Объясним это явление, обратившись к кривым мгновенных значений тока i, ЭДС самоиндукции и напряжения источника питания u, а также к напряжениям на индуктивном и на активном сопротивлениях (рис.2.2). В промежутке времени , поскольку производная тока . Векторы напряжений u и направлены встречно (полярность без скобок). На отрезке времени производная тока и напряжение меняют знак (полярность в скобках).

Это приводит к тому, что на участке ЭДС самоиндукции преодолевает противоположное по знаку напряжение источника питания u, проводит ток i и при отрицательных значениях u. Этот процесс протекает до тех пор, пока накопленная в индуктивном элементе L энергия расходуется частично в активном сопротивлении и частично возвратится (рекуперирует) в сеть. Это произойдет при . Этим объясняется протекание тока i через диод при отрицательном значении напряжения u, поскольку и к аноду диода приложен положительный потенциал . При ток и к диоду прикладывается отрицательное напряжение источника питания u.

Рис.2.2. Временные диаграммы токов и напряжений однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя: а, б, в – при активно – индуктивной нагрузке; г – при активной нагрузке

Для анализа схемы (рис.1.1) составим уравнения по второму закону Кирхгоффа:

или , (2.1)

откуда можно получить уравнение для тока i, справедливое на участке :

, (2.2)

где ,

.Угол отсечки тока определяется постоянной времени индуктивности нагрузки и может быть рассчитан из уравнения (2.2), положив в нем и . В результате получим:

. (2.3)

Уравнение (2.3) трансцендентное и его корень определяется методом итераций.

Среднее значение выпрямленного тока за период определяется выражением:

.

Проинтегрировав, получим:

. (2.4)

Среднее значение выпрямленного напряжения будет равно:

. (2.5)

Выражение (2.5) получено исходя из критерия, что вся активная мощность, отдаваемая источником питания , выделяется в активном сопротивлении . Действительно, поскольку активная мощность индуктивным элементом не потребляется, площади и будут равны между собой и среднее значение напряжения на дросселе будет равно нулю. Условие S_L1 = S_L2 называют критерием равенства площадей.

2.1.2. Однополупериодный выпрямитель с шунтирующим диодом

Рассмотрим работу такой схемы, обратившись к кривым мгновенных значений токов и напряжений, представленных на рис.2.3 для двух периодов частоты питающего напряжения. При этом примем, что установившийся процесс наступает на втором периоде. В первом полупериоде при электромагнитные процессы в схеме протекают, как и в выпрямителе без шунтирующего диода (рис.2.1). Отличия появляются при , когда напряжение источника питания u меняет знак (полярность в скобках). При изменении полярности нулевой диод Д₀ открывается и к диоду Д прикладывается запирающее напряжение источника. Возникает контур коммутации тока с диода Д на диод Д₀. Ток источника прерывается. Но запасенная в дросселе электромагнитная энергия, равная , где - значение тока i при вызовет появление ЭДС самоиндукции (полярность в скобках), которая будет проводить ток по цепи . Степень затухания тока будет определяться постоянной времени . К моменту значение тока станет равным I_d2. Таким образом, в промежутке времени ток в нагрузке при отключенном от нагрузки источником питания за счет запасенной электромагнитной энергии становится непрерывным, его пульсации снижаются. В начале второго периода при полярность напряжения u вновь приобретает положительное значение. В результате диод Д откроется, а Д₀ закроется, т.к. по отношению к нему напряжение u будет запирающим (к катоду Д₀ приложен положительный потенциал). Происходит переход тока с диода Д₀ на Д. Это явление называется коммутацией тока. Если принять, что индуктивность в цепи отсутствует, то процесс коммутации будет протекать мгновенно, т.е. ток диода Д₀ мгновенно снизится до нуля, а ток диода Д мгновенно нарастает до значения .

Таким образом, благодаря шунтирующему диоду ток в нагрузке становится непрерывным, в то время как ток источника питания i имеет прерывистый характер, поскольку диод Д открыт лишь в положительный полупериод частоты напряжения источника.

Следует отметить, что из-за наличия шунтирующего диода рекуперация энергии в сеть не происходит.

Рис.2.3. Схема выпрямителя с шунтирующим диодом (а) и его временные диаграммы (б, в)