Выпрямление однофазного переменного тока

Основными элементами выпрямителя являются вентили (диоды или тиристоры), которые пропускают ток по электрической цепи только в одном направлении - от анода к катоду. При изменении полярности напряжения, приложенного к вентилю, он запирается, т.е. не позволяет протекать току по цепи в обратном направлении. Таким образом, электрический вентиль действует наподобие клапана в трубопроводе, который пропускает поток жидкости или газа только в одном направлении. Вентили могут включаться по различным схемам, в зависимости от этого изменяется форма выпрямленного тока и напряжения. Характер изменения выпрямленного тока и напряжения не зависит от того, какие вентили применены в выпрямителе: полупроводниковые или электронные. Поэтому рассмотренные ниже электрические процессы имеют место как в полупроводниковых, так и в электронных выпрямителях.

Однополупериодная схема выпрямления. Рассмотрим вначале про­цессы, происходящие при выпрямлении переменного тока для наиболее простого случая, когда нагрузкой выпрямителя является резистор.

Для выпрямления переменного тока достаточно включить вентиль V в цепь, на которую подается переменная э.д.с. е (рис. 18, а). При этом вентиль будет пропускать ток только тогда, когда на его анод подан по­ложительный потенциал, т. е. в течение положительных полупериодов э.д.с. источника переменного тока (рис. 18, б). Выпрямленный ток i (рис. 18, в) будет изменяться пропорционально э.д.с. и проходить от ано­да к катоду вентиля, а через нагрузку R_н (см. рис. 18, а) — от точки Н к точке К.

В течение отрицательных полупериодов вентиль заперт и ток по нагрузке не проходит. Рассмотренный выпрямитель однополупериодный, так как он пропускает ток через потребитель только в течение одного полупериода. Выпрямленный ток в таком выпрямителе полу­чается сильно пульсирующим, состоящим из отдельных полусинусоидальных импульсов, которые повторяются через полупериод. Такую же пульсацию имеет и выпрямленное напряжение на нагрузке (рис. 18, г). За значение выпрямленного напряжения u_dна нагрузке принимают среднее значение U_ср пульсирующего напряжения и. Его можно опре­делить как площадь S_U заштрихованной фигуры, соответствующей одному периоду, поделенную на период Т = 2p. Пренебрегая падениями напряжения в источнике переменного тока и в вентиле, т. е. считая, что полуволны э.д.с. вторичной обмотки трансформатора непосредственно приложены к нагрузке, получим:

или

где E_m и Е – соответственно максимальное и действующее значение э.д.с. источника переменного тока.

Рис.18. Однополупериодный выпрямитель однофазного тока (а) и графики изменения э.д.с. (б), тока (в) и напряжения (г, д).

Напряжение, приложенное к вентилю, также изменяется при изменении э.д.с. источника переменного тока (рис.18, д ). В течение положительных полупериодов напряжение между анодом и катодом равно прямому падению напряжения на вентиле DU_n. При отрицательных же полупериодах к вентилю приложена вся э.д.с. источника тока, так как запертый вентиль образует в идеальном случае разрыв в цепи тока. Следовательно, вентиль должен выдерживать без пробоя обратное напряжение, равное амплитуде E_m э.д.с. источника тока.

Из-за большой пульсации тока и напряжения однополупериодная схема выпрямления не находит широкого применения.

Двухполупериодная схема выпрямления с нулевым выводом.Для уменьшения пульсации выпрямленного тока и улучшения использования трансформатора и вентилей обычно применяют двухполупериодные выпрямители. При однофазном токе в зависимости от схемы соединения их вентилей они могут быть выполнены с нулевым выводом или по мостовой схеме. В полупериодном выпрямителе по схеме с нулевым выводом (рис.19,а) вторичная (вентильная) обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам а и х подключены вентили VI и V2. Потребитель включен между точкой соединения их като­дов и средним выводом О вторичной обмотки трансформатора. Эта схе­ма называется схемой с нулевым выводом трансформатора. Трансфор­матор преобразует однофазное напряжение, подаваемое на его первич­ную обмотку, в двухфазное. При этом индуцированные в его фазных обмотках э.д.с. е_ао и е_хо сдвинуты друг относительно друга на 180°. Так как оба вентиля включены в две противоположные фазы вторичной обмотки трансформатора, то подаваемые в цепи этих вентилей э.д.с. е_ао и е_хо в любой момент времени будут противоположны по знаку.

В течение 1, 3, 5-го и т.д, полупериодов э.д.с. и токи в выпрямителе направлены, как показано на рис. 19, а. При этом напряжение на аноде вентиля VI будет положительным, поэтому в течение этих полупериодов работает вентиль VI. Ток i_n1 будет проходить через половину аО вто­ричной обмотки трансформатора, вентиль VI и нагрузку R_н к средней точке трансформатора О в направлении, указанном стрелкой. В это вре­мя вентиль V2 не пропускает ток, так как на его анод подается отрица­тельное напряжение.

Рис. 19. Двухполупериодный выпрямитель однофазного тока по схеме с нулевым выводом (а, б) и кривые э.д.с., токов и напряжений в различные периоды (в, г).

В течение 2, 4, 6-го и т.д. полупериодов э.д.с. е_ао и е_хо в обмотках трансформатора изменяют свое направление. При этом (рис. 19, б) поло­жительное напряжение будет подано на анод вентиля V2, а ток i_n2 станет проходить через вторую половину хО вторичной обмотки трансформа­тора, вентиль V2 и нагрузку. Вентиль VI в это время тока не пропускает. Через нагрузку ток проходит в том же направлении, что и в течение 1, 3, 5-го и т. д. полупериодов. Таким образом, несмотря на то, что каждый вентиль пропускает ток только в течение одного полупериода, через нагрузку R_H ток идет в течение обоих полупериодов в одном направле­нии — от точки К к точке О. Следовательно, точка К (общий катод схемы) - положительный полюс выпрямителя, а точка О — отрицательный полюс.

Выпрямленный ток i постоянен по направлению, но меняется по ве­личине (рис. 19, в). Такую же форму имеет выпрямленное напряжение и на нагрузке, действующее между точками О и К (рис. 19, г). Согласно принятому допущению оно изменяется так же, как соответствующие полуволны э.д.с. е_ао и е_хо , поочередно подаваемые от трансформатора в цепь нагрузки.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке u_d равно площади S_u заштрихованной фигуры, ограниченной кривой напряжения за период T и осью времени, поделенной на период Т = 2p,

или

где Е_m и Е — соответственно максимальное и действующее значения э.д.с. . е_ао и е_хо в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора.

Сравнивая формы кривых выпрямленного тока при одно- и двухполупериодном выпрямлении (см. рис. 18, в и 19, в), убеждаемся, что пу­льсации выпрямленного тока и напряжения при двухполупериодном выпрямлении меньше, чем при однополупериодном.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления. Выпрямитель, выполненный по такой схеме (рис. 20, а, б), состоит из четырех венти­лей VI - V4, подключенных к сети переменного тока или к вторичной обмотке трансформатора, который в этом случае не имеет среднего выво­да. В течение одного полупериода при положительных значениях э. д. с. е (стрелка е_ха) ток i (см. рис. 20,a) проходит от вывода a источника переменного тока через вентиль V1, нагрузку R_H и вентиль V3 ко второ­му выводу. В течение второго полупериода при отрицательных значениях э.д.с. е (стрелка е_ха) ток i (см, рис. 20, б) проходит от вывода х через вентиль V2, нагрузку R_Н и вентиль V4 к выводу а. В обоих случаях через нагрузку ток проходит в одном направлении. Следовательно, точка К (общий катод) — положительный полюс выпрямителя, а точка А (общий анод) — отрицательный полюс.

Рис. 20. Двухполупериодный выпря­митель однофазного тока по мосто­вой схеме выпрямления (а, б) и кривые э.д.с„ токов и напряже­ния (в)

Характер изменения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока при мостовой схеме включения вентилей (рис. 20,в) такой же, как и при схеме с нулевым выводом. Среднее значение выпрямленного на­пряжения определяется в этом случае по той же формуле

U_d = U_cp = 0,63 / E_m = 0,9E

Мостовую схему называют двухтактной, а схему с нулевым выво­дом - однотактной. Подобные схемы применяют также и для выпрям­ления многофазных токов (трехфазного, шестифазного и др.).

Для однотактных схем характерно протекание токов в фазах вторичной обмотки трансформатора только в одном направлении и подключе­ние нагрузки в каждый момент времени через вентиль на фазное напря­жение этой обмотки. Для двухтактных схем характерно протекание то­ков в фазах вторичной обмотки в обоих направлениях и подключение нагрузки через два вентиля на межфазное (линейное) напряжение.

При мостовой схеме выпрямления обратное напряжение, прихо­дящееся на каждый вентиль при том же значении выходного напряжения u_d вдвое меньше, чем при схеме с нулевым выводом. Поэтому на э.п.с. и в других электрических установках, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяют полупроводниковые выпрямители с мос­товой схемой выпрямления. Суммарное падение напряжения в вентилях и потери мощности в них в обеих схемах одинаковы, если учесть, что в мостовой схеме работают последовательно вентили, включенные в два плеча моста,

Раньше на э.п.с. с ртутными вентилями применяли схему выпрямле­ния с. нулевым выводом, в которой катоды вентилей двух фаз электри­чески соединены между собой. В ртутных вентилях катод непосредствен­но соединен с корпусом и при применении схемы с нулевым выводом не требовалось изолировать друг от друга корпуса вентилей.

При работе выпрямительной установки ток нагрузки протекает по­переменно через вентили, включенные в каждую из фаз схемы с нуле­вым выводом или в каждое из плеч мостовой схемы. Следовательно, средний ток, проходящий через вентиль, равен половине среднего тока, проходящего через потребитель, поэтому можно считать, что ток нагруз­ки в этих схемах проходит как бы через два параллельно включенных вентиля. По степени же загрузки источника переменного тока (транс­форматора) мостовая схема более выгодна и позволяет уменьшить его габариты и массу по сравнению со схемой с нулевым выводом.

Коммутация тока при работе выпрямителя. Обычно в выпрямитель­ных установках, кроме сопротивления нагрузки R_H, в цепях вентилей и в цепи выпрямленного тока имеются еще индуктивности L_T и l_d (рис 21). Практически индуктивности L_T создаются обмотками транс­форматора, а индуктивность l_d — сглаживающим реактором, который включается в цепь нагрузки, а также самой нагрузкой, если ею является электрический двигатель.

Наличие индуктивности l_d приводит к тому, что ток i_d,, проходящий через нагрузку, оказывается сильно сглаженным, таккак индуцируемая в реакторе э.д.с. самоиндукции e_d согласно правилу Ленца препятствует изменению тока (на рис. 21, а направления э.д.с. e_d и е_T показаны в мо­менты времени, когда токи i_d и i_n увеличиваются). При рассмотрении явления коммутации в выпрямителе примем в первом приближении, что ток i_d не изменяется, т. е. токи i_n1, i_n2, i_n3, i_n4 проходящие через венти­ли и вторичную обмотку трансформатора, имеют прямоугольную форму. Это теоретически будет иметь место при условии l_d =¥.

Рис.21 . Схема работы двухполупериодного мостового выпрямителя (а} и кривые изменения э.д.с. (б), токов (в} и напряжений (г, д) при наличии индуктивностей в цепи вентилей и нагрузки

Наличие индуктивности L_T приводит к тому, что переход тока с одной пары вентилей мостовой схемы, например, VI, V3, на другую пару V2, V4 не происходит мгновенно в момент перехода через нуль переменного напряжения питания (изменения направления э.д.с. во вто­ричной обмотке трансформатора). В этот момент ток в вентилях VI, V3 не уменьшается до нуля, так как э.д.с. самоиндукции e_T возникаю­щая в индуктивности L_T, стремится поддержать прежнее направление то­ка. Поэтому в рассматриваемый момент времени ток продолжает еще протекать через вентили VI, V3 и спадает до нуля только через некоторый промежуток времени, называемый периодом коммутации. Период коммутации измеряется углом g. В течение этого периода ток проходит i одновременно через обе пары вентилей VI, V3 и V2, V4. Аналогичный процесс коммутации возникает во второй полупериод напряжения питания при переходе тока с вентилей V2, V4 на вентили VI, V3. В результате по замкнутому контуру, образованному вторичной обмоткой транс­форматора и двумя парами вентилей, потечет ток i_К, называемый током коммутации. Этот ток представляет собой внутренний ток короткого замыкания, возникающий при замыкании накоротко вторичной обмотки одновременно открытыми вентилями VI, VЗ и V2, V4. Ток коммутации ограничивается в основном индуктивным сопротивлением трансформатора, т. е. индуктивностью L_Т. В промежуток времени от точки А до точки В ток коммутации направлен против токов i_n2, i_n4 и совпадает направлению с токами i_n1, i_n3. В следующий период коммутации (между точками С и D) направление тока коммутации будет противоположным. Ток коммутации всегда направлен против тока вентилей, заканчивающих свою работу, и совпадает по направлению с током вентилей, вступающих в работу. Когда встречный ток коммутации i_K в вентилях, оканчивающих свою работу, станет равным проходящему через них прямому току, обусловленному сопротивлением нагрузки R_Н, протекание тока через эти вентили прекратится и процесс коммутации закончится. Таким образом, продолжительность процесса коммутации (угол g) зависит от тока нагрузки I_d выпрямителя. Кроме того, угол g будет тем больше, чем больше индуктивное сопротивление х_а анодной цепи вентилей. Это сопротивление определяется в основном индуктивностью трансформатора i_T.

В период коммутации результирующая э.д.с„ которую выпрямитель вводит в цепь выпрямленного тока, равна нулю, так как вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко через одновременно открытые вентили VI — V4.

В результате этого выпрямленное напряжение приобретает форму, показанную жирной линией. При такой форме площадь, ограничена горизонтальной осью и полусинусоидами фазных э.д.с. е_ахи е_ха, которая определяет среднее значение выпрямленного напряжения, будет меньше, чем при холостом ходе, на величину, пропорциональную заштрихованной площади S (см. рис. 18, в).

Следовательно, среднее значение выпрямленного напряжения U_d при нагрузке получается ниже его значения при холостом ходе U_d0. Разность напряжения U_d0 - U_d = DU_K называется потерей напряжения в выпрямителе от коммутации.

Величина DU_K возрастает с увеличением тока нагрузки выпрямителя и индуктивного сопротивления х_а. Процесс коммутации привод не только к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения, но и к снижению коэффициента мощности выпрямителя.

Из-за процесса коммутации напряжение на вентиле имеет несколько иную форму, чем при работе выпрямителя на активное сопротивление (см. рис. 18, д). В момент окончания коммутации между анодом и катодом вентиля возникает скачок обратного напряжения U_{обр. нач.}Этот скачок характерен для работы выпрямителей на э.п.с., и вентили должны надежно выдерживать такие скачки.

Работа выпрямителя на электрический двигатель при неполном сглаживании выпрямленного тока. На э.п.с. нагрузкой выпрямителя является не сопротивление, а электрический двигатель М (рис. 22, а), имеющий некоторую э.д.с. Е_Д, направленную против напряжения U_d выпрямите­ля. В цепи вентилей и цепи выпрямленного тока имеются индуктивности L_T (индуктивность обмоток трансформатора) и L_d (индуктивность дви­гателя и сглаживающего реактора). Однако индуктивности l_d, как правило, недостаточно для полного сглаживания выпрямленного тока, т. е. ток остается пульсирующим даже в зонах одиночной работы венти­лей. Наличие в цепи э.д.с. двигателя и индуктивности L_d приводит к то­му, что токи, проходящие через вентили и нагрузку, не имеют форму полусинусоид, а изменяются по более сложному закону.

Э.д.с. е_ax и е_xaво вторичной обмотке трансформатора изменяются по синусоиде. Э.д.с. двигателя Е_Д имеет постоянное значение (рис.22, б). При открытии соответствующих вентилей она направлена всегда против э.д.с. трансформатора е_ax и е_xa. Разности э.д.с. е_ax - Е_Д и е_xa - Е_Д в момент протекания тока через вентиль воспринимаются индуктивностями L_Т и l_d, в которых индуцируются соответствующие э.д.с. самоиндук­ции е_Т и е_d. Э.д.с. самоиндукции е_T зависит от скорости изменения тока, проходящего через вентили и вторичную обмотку трансформатора, поэ­тому по ее значению можно судить об этой скорости. Напряжение и,действующее на выходе выпрямителя между катодами К и анодами А вентилей, может быть получено как разность е_ах-е_Т и соответственно е_ха- е_Т или же как сумма Е_Д + е_d (см. кривую, показанную на рис. 22, б жирной линией). Следовательно, потенциалы анодов вентилей VI и V2 соответствуют точкам кривых е_ах и е_ха, а потенциалы катодов вентилей V3 и V4 — точкам кривой u_d (при этом пренебрегают малым падением напряжения в самих вентилях).

В момент времени, соответствующий точке А, вентили VI и V3 вступают в работу, так как потенциал анода VI становится выше потенциала катода V3 (в этой точке пересекаются кривые е_ах и u_d). Вэтотмомент вентили V2 и V4 еще проводят ток под действием э.д.с. самоиндукции е_Т.

В период времени между точками А и В (период коммутации g) ток проводят все вентили. При этом ток, проходящий через вентили V 1 и V3, увеличивается, а ток, проходящий через V2 и V4, уменьшается (рис. 22, в и г), так как э.д.с. е_ах растет, а э.д.с. е_ха изменяет свой знак.Чем больше разность е_ах - е_ха е-у и чем меньше L_T, тем быстрее нарасают и спадают токи в вентилях.

В период коммутации вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко вентилями

Рис. 22. Схема работы двухполупериодного выпрямителя на электрический двигатель (а) и кривые изменения э.д.с, напряжений и токов с учетом комму­тации токов и наличия индуктивностей

и ток в них ограничен только индуктивностью L_Т, выпрямленное напряжение и_d близко к нулю. После окончания периода коммутации (правее точки Б) ток снова начинает протекать через цепь нагрузки, причем э.д.с. двигателя Е_Д и э.д.с. самоиндукции е_d сглаживающего реактора l_d замедляют скорость нарастания тока i_d,так как направлены ему встречно. Форма тока, проходящего через вентили VI и V3, на участке между точками Б и В в значительной степени определяется э.д.с. двигателя Е_Д и индуктивностью l_d сглаживающего реактора. В момент времени, соответствующий точке В, э.д.с. е_ах будет равной напряжению и_d, а затем становится меньше его, поэтому ток, проходящий через вентили VI и V3, начинает уменьшаться. Когда выпрямленное напряжение и_d становится равным э.д.с. е_xa (точка Г), снова проходит коммутация тока с вентилей VI и V3 на вентили V2 и V4.

В дальнейшем рассмотренный процесс повторяется. Ток i_dв цепи двигателя может быть представлен как сумма токов, проходящих через вентили VI, V3 и V2, V4 в оба полупериода, этот ток пульсирует, но значительно меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку (см. рис. 20, в). Ток i₁ в первичной обмотке трансформатора (рис.22,e) является переменным и несинусоидальным; форма его подобна форме токов, проходящих через вентили, и симметрична относительно оси времени.