Однофазная однополупериодная схема выпрямления

СИСТЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения.

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители классифицируются:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз;

по схеме выпрямления;

по способу регулирования выходного напряжения.

По мощности выпрямители делятся на: маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт, мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В, высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

с одним вентилем (однофазные однополупериодные);

со средней точкой (однофазные двухполупериодные и трехфазные);

мостовые (однофазные двухполупериодные и трехфазные).

По способу регулирования выходного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Управляемые выпрямители должны быть собраны на управляемых вентилях, например, тиристорах. Наиболее распространенным способом регулирования напряжения или тока на выходе управляемого выпрямителя является непосредственное воздействие на вентильные элементы.

На тепловозах применяются в основном мостовые схемы выпрямления, поэтому принцип работы схем выпрямления со средней точкой здесь не рассматриваются, а их сравнительные характеристики приведены в таблице 3.1.

 

СИСТЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения.

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

Выпрямители классифицируются:

по мощности;

по напряжению;

по числу фаз;

по схеме выпрямления;

по способу регулирования выходного напряжения.

По мощности выпрямители делятся на: маломощные – до 1 кВт, средней мощности – до 100 кВт, мощные – свыше 100 кВт, а по напряжению: низкого – до 250 В, среднего – до 1000 В, высокого – свыше 1000 В.

По числу фаз источника переменного напряжения выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

По схеме выпрямления различают выпрямители:

с одним вентилем (однофазные однополупериодные);

со средней точкой (однофазные двухполупериодные и трехфазные);

мостовые (однофазные двухполупериодные и трехфазные).

По способу регулирования выходного напряжения выпрямители делятся на управляемые и неуправляемые.

Управляемые выпрямители должны быть собраны на управляемых вентилях, например, тиристорах. Наиболее распространенным способом регулирования напряжения или тока на выходе управляемого выпрямителя является непосредственное воздействие на вентильные элементы.

На тепловозах применяются в основном мостовые схемы выпрямления, поэтому принцип работы схем выпрямления со средней точкой здесь не рассматриваются, а их сравнительные характеристики приведены в таблице 3.1.

 

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Неуправляемая однополупериодная схема выпрямления состоит из источника переменного напряжения (например, однофазного трансформатора Тр), диода В и нагрузки. Рассмотрим простейший случай работы схемы на активную нагрузку – резистор R_d (рис. 3.1, а).

На вторичной обмотке трансформатора Тр формируется синусоидальное напряжение

,

где и - амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.1, б);

- угловая частота напряжения источника, и - частота и период напряжения источника.

В соответствии со II законом Кирхгофа для цепи нагрузки можно записать:

, (3.1)

где - падение напряжения на диоде; - выпрямленный ток в нагрузке, - сопротивление диода.

Когда к диоду приложено прямое напряжение ,диод открывается и во вторичной цепи протекает ток . В проводящем состоянии диод имеет очень малое сопротивление , поэтому для проводящего состояния цепи , и напряжение источника будет приложено к нагрузке:

,

а ток через нагрузку определится как

. (3.2)

Диод будет находиться в проводящем состоянии, пока проходящий через него ток не снизится до нуля. При активной нагрузке (когда ток и напряжение совпадают по фазе), диод закроется, когда напряжение поменяет полярность и станет . В этом случае , и в соответствии с (3.1)

,

т.е. все напряжение источника будет приложено к диоду в обратном направлении - обратное напряжение на диоде.

Таким образом, в соответствии с (3.1) напряжение источника с действующим значением в течение положительного полупериода будет приложено к нагрузке R_d, а в течение отрицательного полупериода – к диоду В в обратном направлении.

В результате через нагрузку будет протекать постоянный пульсирующий ток (ток и напряжение считаются постоянными, если они не меняют направления) (рис. 3.1, в). Максимальное значение выпрямленного напряжения на R_d будет равно амплитудному значению фазного напряжения вторичной обмотки Тр:

.

Среднее значение выпрямленного напряжения представляет собой постоянную составляющую в напряжении (см. § 3.7). Оно определяется путем деления площади кривой величины на период повторяемости этой же величины. Для неуправляемой однополупериодной схемы выпрямления среднее значение выпрямленного напряжения на интервале периода :

(3.3)

Значение геометрически может быть представлено высотой прямоугольника с основанием равным периоду (косая штриховка), площадь которого численно равна площади, ограниченной кривой выпрямленного напряжения на периоде (прямая штриховка) (рис. 3.1 в).

Соответственно среднее значение выпрямленного тока в данной системе выпрямления

(3.4)

где - максимальное значение выпрямленного тока, которое в соответствии с (3.2) определится как

. (3.5)

С учетом (3.3) и (3.5) среднее значение выпрямленного тока:

 

(3.6)

Для получения действующего значения выпрямленного тока I_B нужно приравнять электрические потери, создаваемые этим током, потерям, создаваемым током на периоде его повторяемости

,

После интегрирования и с учетом (3.4) получим, что

.

В общем случае, мощность, выделяемая на нагрузке R_d, определяется мгновенными значениями тока и напряжения:

(3.7)
или электрическими потерями на нагрузке действующего значения тока.

 

 

Учитывая что , мощность на активной нагрузке выразится как:

. (3.8)

В то же время, мощность постоянного тока системы выпрямления определяется произведением средних значений выпрямленных тока и напряжения и при активной нагрузке будет равно:

.

Важно отметить, что значения P_d и P совпадают только в случае идеально сглаженного выпрямленного напряжения. Во всех других случаях .

Для сравнения различных схем неуправляемых выпрямителей используют коэффициент схемы , который определяется как отношение между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением переменного напряжения на входе выпрямителя :

. (3.9)

Однофазная однополупериодная схема выпрямления в соответствии с (3.3) имеет значение .

Во всех схемах выпрямления для выбора вентильного элемента необходимо знать максимальное и среднее значения тока, протекающего через него, а также максимальное значение обратного напряжения , определяющее его класс (см. § 1.6.1). В данной схеме выпрямления:

.

Максимальное значение тока, проходящего по вентилю (максимальный анодный ток) в соответствии с (3.4):

.

Среднее значение тока вентиля (средний анодный ток) равно току нагрузки

Если вместо диода в схеме выпрямления установлен тиристор Т, неуправляемая схема выпрямления преобразуется в управляемую схему выпрямления (рис. 3.2, а). Характер процессов в такой схеме остается прежним, с той лишь разницей, что ток в нагрузку будет поступать с момента подачи управляющего импульса на тиристор - (рис. 3.2, б). Закроется тиристор, как и диод, при снижении тока через него до нуля. Изменяя ,можно регулировать значения выпрямленного напряжения на нагрузке (рис. 3.2, в).

При увеличении время пропускания тока тиристором за полупериод сокращается, поэтому для однополуперионой управляемой схемы выпрямления среднее напряжение на нагрузке:

,

По значению и зависимостям (3.4) и (3.7) можно вычислить значения I_d, P и другие параметры режима работы схемы.

Очевидно, что значение соответствует режиму работы неуправляемой схемы выпрямления.

Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы. Таким образом, исходными данными при расчете выпрямителя являются: выпрямленные значения напряжения , тока и мощность на нагрузке .

При проведении анализа схем выпрямления необходимо учитывать, что на их работу оказывает существенное влияние характер нагрузки: активная, активно-индуктивная или активно-емкостная. Для большей части выпрямителей средней и большой мощности характерна активная и активно-индуктивная нагрузка (например, электродвигатель).

Поскольку энергетические показатели однополупериодной схемы выпрямления низкие (), она распространения не имеет.