ВЫПРЯМЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Теперь познакомимся с работой электрического вентиля в цепях переменного тока. Рассмотрим процесс выпрямления переменного тока при использовании лишь одного вентиля. Вентиль В включается последовательно с нагрузкой Rн, в которой должен быть получен постоянный ток (рис. 233, а). В качестве источника питания используем генератор, вырабатывающий переменный синусоидный ток (рис. 233, г). При положительных значениях напряжения генератора ток I в цепи, а следовательно, и в нагрузке Rн будет изменяться прямо пропорционально этому напряжению (рис. 233, д). В течение отрицательных полупериодов напряжения генератора направление тока в цепи должно измениться на противоположное. Однако вентиль в обратном направлении ток не пропускает. Поэтому при отрицательных значениях напряжения генератора цепь окажется обесточенной.
Такие схемы выпрямления тока получили название однополупериодных. Выпрямленный ток будет постоянным по направлению, но пульсирующим по величине. Среднее значение тока в цепи при однополупериодном выпрямлении составляет лишь около 1/3 максимального. В связи с этим использование мощности источника переменного тока оказывается весьма низким.
Для более рационального использования источника электрической энергии, уменьшения пульсаций тока разработаны различные двухполупериодные схемы выпрямления. На рис. 233, б показана схема выпрямления переменного тока, в которой используется трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода. К двум крайним выводам обмотки подключены вентили. Нагрузка Rн подключается ко вторым выводам вентилей и среднему выводу трансформатора. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток i1 проходит через вентиль В1, нагрузку Rн и возвращается к среднему выводу трансформатора. Вентиль В2 тока не пропускает. В течение отрицательных полупериодов ток i2, равный по величине току i1 проходит к нагрузке через вентиль В2. Таким образом, при обоих полупериодах изменения напряжения трансформатора через нагрузку проходит постоянный по направлению ток (рис. 233, е). Отсюда следует и название выпрямительной схемы такого вида — двухполупериодная. При использовании одного и того же источника тока применение двухполупериодной схемы выпрямления взамен однополупериодной позволяет в два раза увеличить среднюю величину тока, проходящего по нагрузке.
Наибольшее практическое распространение на тепловозах получили мостовые схемы выпрямления переменного тока (рис. 233, в). В этой схеме применены четыре вентиля. При положительных полупериодах напряжения трансформатора ток i1 проходит через вентиль В2, нагрузку Rн, вентиль В1 возвращается на минусовый зажим. При отрицательных полупериодах напряжения полярность изменяется и ток i2 проходит через вентиль B2, нагрузку Rн, вентиль В3 и т. д. Следовательно, мостовая схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление переменного тока (см рис. 233, е).
На современных тепловозах все более широкое распространение получают генераторы трехфазного тока. На тепловозах ТЭ10 и ТЭП60 первых выпусков применялись трехфазные синхронные генераторы в качестве возбудителей. Синхронными тяговыми генераторами с двумя трехфазными обмотками оборудуются новые мощные тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП75 и др. В большинстве случаев для потребителей электрической энергии на тепловозах требуется постоянный ток. Поэтому подлежит выпрямлению и трехфазный ток.

Рис. 233. Выпрямители однофазного тока: а — однополупериодный выпрямитель; б — двухполупериодный выпрямитель с трансформатором; в — двухполупериодный выпрямитель с мостовой схемой включения вентилей; г — график напряжения источника тока; д — график выпрямленного тока в однополупериодной схеме; е — то же, в двухполупериодной схеме

В схеме (рис. 234) использовано шесть вентилей, образующих три группы. В каждой группе два вентиля соединяются последовательно. Концы вторичных обмоток трансформатора (или обмоток трехфазного генератора) подключаются к соединенным точкам каждой группы вентилей. Нагрузка соединяется со вторыми зажимами вентилей всех групп. В разбираемой схеме выпрямления каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает в течение одного периода изменения тока дважды.

Рис. 234 Выпрямитель трехфазного тока:
а - трехфазная мостовая выпрямительная схема; б - график напряжения источника тока; в - график выпрямленного тока в нагрузке

В качестве примера рассмотрим работу третьей фазы трансформатора. Если обратиться к развернутой диаграмме трехфазного тока (см. рис. 234), то можно видеть, что в момент времени А напряжение первой фазы равно нулю, напряжение второй фазы имеет отрицательную величину, а напряжение третьей фазы положительную. Следовательно, напряжение третьей фазы алгебраически больше напряжения других фаз. Поэтому ток третьей фазы проходит выпрямитель 6, нагрузку Rн, вентиль 3, зажим К2, обмотку второй фазы и возвращается на зажим Н3. При отрицательном же полупериоде напряжения третьей фазы, например в момент времени В, когда напряжение второй фазы равно нулю, а первой — имеет положительное значение, питание нагрузки осуществляется первой фазой. Ток проходит от зажима К1 через вентиль 2, нагрузку Rн, вентиль 5, зажим К3 и обмотку третьей фазы, но уже в противоположном направлении по сравнению с моментом времени А. Пульсации выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме получаются весьма небольшими, и ток нагрузки становится почти постоянным по своей величине.