Влияние характера нагрузки на работу выпрямителя

Простейшими фильтрами, применяемыми для сглаживания пульсаций, являются конденсатор и дроссель. Конденсатор включается параллельно R_H, дроссель - последовательно. В схеме с конденсатором для эффективного сглаживания пульсаций должно выполняться условие . Необходимо учитывать сопротивление фазы выпрямителя , где - активное сопротивление трансформатора ( , ); – внутреннее сопротивление диода. Напряжение на диодах , . Диод VD1 открывается при , а VD2 при .

На временных диаграммах (рис.2.1.7., б) на оси wt в точках 1, 2, 3, 4 происходит изменение режима работы конденсатора:

1-2 конденсатор заряжается с .

2-3 конденсатор разряжается с .

3-4 конденсатор заряжается с .

Рис.2.1.7.

Через вентиль протекает ток , а .

Пульсации выпрямленного напряжения будут меньше, если С и R_H будут большими. Если , , то пульсации не будет.

Для расчета выпрямителей, работающих на RC-нагрузку, делаются допущения:

1) не учитываются пульсации (нагрузка заменяется противоЭДС U₀);

2) пренебрегают индуктивностью рассеивания трансформатора L_S.

Тогда как нагрузки:

,

где ;

.

.

Среднее значение тока:

(2.1.37)

Учитывая, что получим:

, (2.1.39)

где . Этот параметр используется в качестве величины, связывающей угол отсечки q с параметрами выпрямителя.

Приблизительное значение сопротивления трансформатора:

, (2.1.40)

где - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (его значения приведены в таблице); - амплитуда магнитной индукции, Тл. ( Тл); S - число стержней сердечника, несущих обмотки (для броневого , стержневого , трехфазного ).

Поскольку все параметры выпрямителей зависят от угла отсечки q, то они зависят от A. В литературе [1, 2] приведены зависимости B(A), F(A), D(A), H(A). Определив параметр А, по этим графикам можно найти B, F, D, H выпрямителя:

. (2.1.41)

находим по при :

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

. (2.1.42)

Коэффициент пульсаций:

. (2.1.43)

Рис.2.1.8.

При использовании сглаживающих дросселей в качестве первого элемента фильтра выпрямитель работает на индуктивную нагрузку (RL). Это существенно изменит режим работы схемы. Обратимся к однополупериодной схеме.

При включении дросселя в однополупериодную схему (рис.2.1.8., а) ЭДС самоиндукции дросселя препятствует нарастанию и снижению тока. Протекание тока через вентиль происходит и в течение некоторой части отрицательного полупериода за счет того, что ЭДС самоиндукции e_L компенсирует отрицательное напряжение u₂ . Продолжительность протекания тока зависит от величины L. Вентиль открыт большую часть времени, u₀ спадает до нуля, то есть пульсации практически не уменьшаются. Поэтому в однополупериодных выпрямителях такие фильтры не применяются. Анализ работы такой схемы интересен с точки зрения учета индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

Работа двухполупериодных и многофазных выпрямителей на RL- нагрузку существенно отличается от работы однополупериодной схемы. В этих схемах вентили работают поочередно, поэтому к моменту перехода тока с одного вентиля на другой его величина имеет не нулевое, а другое определенное значение. В качестве примера рассмотрим работу однофазной двухполупериодной схемы выпрямления с нулевым выводом на RL- нагрузку. Из-за влияния ЭДС самоиндукции ток вентиля достигает своего максимального значения не в тот момент, когда , а несколько позже. Ток нагрузки . Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис.2.1.9.

Рис.2.1.9.

Пульсации u₀ уменьшаются, уменьшается, . Типовая мощность трансформатора меньше, а длительность работы вентилей, форма u_a, величина , такие же, как при активной нагрузке. Обычно индуктивность дросселя достаточно велика и пульсации токов i_a и i₀ очень незначительны. Однако на работу мощных выпрямителей оказывает влияние индуктивность рассеяния вторичных обмоток трансформатора. Они соединены непосредственно с вентилями, а поскольку, согласно закону коммутации, скачкообразные изменения тока в цепях с индуктивностями невозможны, ток через открывающийся вентиль будет нарастать плавно, а через закрывающийся - плавно спадать (рис.2.1.10).

Рис.2.1.10

Параметр g называется углом перекрытия фаз. Он тем больше, чем больше L_S и I₀.

Эти коммутационные процессы приводят к тому, что:

1) U₀ несколько уменьшается;

2) переменные составляющие выпрямленного напряжения нарастают; уменьшается на величину

. (2.1.44)

Для LCR-нагрузки должно соблюдаться условие , тогда амплитуда основной, а в данном случае второй гармоники:

.

Так как

, (2.1.45)

.

При изменении R_H характер нагрузки выпрямителя может меняться. При возрастании R_H критическим значениям тока нагрузки будет такое, когда он, уменьшаясь, достигнет . Начиная с этого момента и при последующем уменьшении I₀ будет наблюдаться разрывность тока через дроссель, а это значит, что выпрямитель будет переходить в режим работы на емкостную нагрузку.

. (2.1.46)

Критическое значение индуктивности дросселя:

(2.1.47)

Для обеспечения индуктивного характера нагрузки индуктивность дросселя должна быть больше .

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока нагрузки I₀ при неизменной величине входного напряжения. Уравнение внешней характеристики выпрямителя:

,

где - среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода ; - порог выпрямления вентилей в двухполупериодном выпрямителе . Нелинейность характеристики объясняется нелинейностью ВАХ вентилей. Внешняя характеристика выпрямителя с C-фильтром начинается с , равного амплитудному значению , до которого заряжается конденсатор

.

Наклон характеристики зависит не только от активных сопротивлений в выпрямителе, но и от емкости C. Чем больше C, тем медленнее разряд (больше ) и меньше наклон характеристики.

Внешняя характеристика выпрямителя с LC-фильтром начинается с того же значения , что и с C-фильтром, но при малых I₀ U₀ быстро убывает за счет того, что быстро нарастает противоЭДС самоиндукции дросселя. Далее следует плавный участок, где U₀ уменьшается за счет потери напряжения в обмотках трансформатора, вентилях, а также активном сопротивлении фильтра r_Ф.

Внешняя характеристика RC-фильтра имеет наибольший наклон по сравнению с другими, что объясняется значительным падением напряжения на сопротивлении R фильтра.

Наклон внешней характеристики характеризует величину выходного внутреннего сопротивления выпрямителя. Чем круче спад характеристики, тем больше R_вых выпрямителя.

.