5.2. ОДНОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ

Познакомимся с основными понятиями преобразовательной техники на примере работы однофазной схемы выпрямления с выводом нулевой точки трансформатора (однофазной нулевой) при активной нагрузке (рис. 5.2, а).

При полярности переменного напряжения, указанной на рис. 5.2, а, к вентилю V1 прикладывается прямое напряженке (плюс на анод, минус на катод). Вентиль V1 проводит ток , который замыкается через нагрузку и верхнюю полуобмотку трансформатора. Будем считать вентили идеальными, т. е. имеющими нулевое падение напряжения при протекании прямого тока и нулевой обратный ток при приложенном к ним обратном напряжении. Поэтому при протекании прямого тока анод с катодом вентиля считаем короткозамкнутыми, а при обратном напряжении на вентиле считаем цепь с вентилем разорванной.

Рис. 5.2. Схема однофазного нулевого выпрямителя с активной нагрузкой (а) и временные диаграммы токов и напряжений выпрямителя (б)

В связи с принятым допущением напряжение на нагрузке на полупериоде (рис. 5.2, б) принимаем равным напряжению верхней полуобмотки трансформатора . Вентиль V2 в это время находится под обратным напряжением и ток не пропускает.

Во второй полупериод (от до ) из-за изменения полярности переменного напряжения на вторичных обмотках трансформатора отпирается вентиль V2 и к нагрузке прикладывается напряжение нижней полуобмотки. Затем снова работает вентиль V1 и т. д. Напряжение нагрузки при поочередном отпирании вентилей представляет собой следующие друг за другом положительные полусинусоиды (рис. ). Ток в нагрузке протекает в течение всего периода в одном направлении.

Напряжение на нагрузке на постоянно по направлению, но не постоянно по величине. Пульсация напряжения, т. е. изменение напряжения, говорит о наличии переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения и свидетельствует о некачественном (неполном) выпрямлении. Выходное напряжение на представляет собой периодическую функцию, а поэтому может быть разложено в ряд Фурье, т. е. представлено в виде

где — постоянная (полезная) составляющая или, иначе, среднее значение напряжения за период повторяемости кривой — напряжение пульсации, т. е. переменная составляющая, равная сумме всех гармонических составляющих.

На рис. 5.3 показано графическое разложение кривой напряжения на две составляющие.

Рис. 5.3. Графическое разложение выпрямленного напряжения на постоянную составляющую и напряжение пульсации

Можно считать, что на нагрузке действует постоянное по величине и форме напряжение , искаженное переменной составляющей — напряжением пульсации . Основной характеристикой выпрямленного напряжения является его среднее значение. Среднее значение напряжения (или тока) за период повторяемости равно высоте прямоугольника, площадь которого равна площади, ограниченной кривой напряжения (или тока).

В рассматриваемой схеме период повторяемости выходного напряжения (не путать с периодом напряжения сети) равен я, поэтому

где .

Учтем, что амплитудное значение напряжения на нагрузке равно амплитуде ЭДС , где действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Тогда

Наибольшую, величину в кривой выпрямленного напряжения имеет гармоника, частота которой в 2 раза выше частоты питающей сети. Эту гармонику наиболее трудно подавить фильтрами, поэтому по ее величине судят об искажении выпрямленного напряжения. На рис. 5.3 штриховой линией показана первая гармоника пульсации и ее амплитуда Пульсация выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсации q, равным отношению амплитуды гармоники напряжения пульсации к среднему значению:

Из разложения в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения получаем в общем виде формулу

где — кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети, зависящая от схемы выпрямления и называемая числом фаз выпрямления или пульсностыо выпрямителя. Для рассматриваемых однофазных выпрямителей (например, рис. 5.2, а) , тогда . Для выбора вентилей в схеме рис. 5.2, а определим среднее значение тока через вентиль. По временным диаграммам рис. 5.2, б видно, что

К закрытому вентилю V1 прикладывается напряжение двух вторичных обмоток: одна из них подключена к аноду вентиля, вторая связана с катодом через проводящий ток вентиль V2. Поэтому максимальное обратное напряжение на вентиле с учетом (5.1)

На основании вычисленных значений выбираются вентили.

Активная мощность, отдаваемая в нагрузку в схеме рис. 5.2, а, определяется действующим значением :

Активная мощность, передаваемая в виде постоянной составляющей тока и напряжения, определяется средним значением :

Следовательно, в схеме рис. 5.2, б значительная часть активной мощности передается в нагрузку в виде переменной (невыпрямленной) составляющей, что говорит о некачественном выпрямлении. Поэтому для создания источников питания вентильный комплект снабжается фильтром. При работе на активно-индуктивную нагрузку используют фильтрующие свойства индуктивности нагрузки,