ДИОДНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ. ОПИСАНИЕ

На электроподвижном составе однофазно-постоянного тока с тяговыми двигателями постоянного (пульсирующего) тока функция выпрямления возложена на однофазные выпрямители, которые в общем случае могут быть однополупериодными (рис. 4.1, а) и двухполупериодными, собранными по нулевой (рис. 4.1, б) и мостовой (рис. 4.1, в) схемам выпрямления.

Исходными данными при расчете и проектировании выпрямителя являются средние значения выпрямленного напряже-

а) б)

в)

Рисунок 4.1 Однофазные схемы выпрямления: а) однополупериодная; б) нулевая; в) мостовая

ния U_d и тока I_d, а также действующее значение питающего напряжения. На основании этих параметров определяются: средние значения токов вентилей, напряжения, приложенные к вентилям, действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Расчету также подлежат установленные мощности полупроводниковых элементов выпрямителя и питающего трансформатора. Помимо этого, имеется еще целый ряд параметров, характеризующих работу выпрямителя. К ним в первую очередь относятся: гармонический состав кривой выходного напряжения и пульсации напряжения на выходе выпрямителя, гармонический состав потребляемого тока и коэффициент мощности на входе выпрямителя.

В зависимости от выбора схемы выпрямителя (при заданных параметрах нагрузки и питающей сети) показатели его работы могут существенно отличаться друг от друга, что отразится на его габаритах и энергетических показателях.

Массо-габаритные показатели выпрямительной установки обычно рассчитывают при следующих допущениях: вентили считают идеальными ключами, а трансформатор без потерь, принимая его намагничивающий ток и индуктивное сопротивление рассеяния равными нулю.

Подобные допущения позволяют, не внося существенных погрешностей в расчеты, просто и наглядно вывести основные соотношения для определения величин токов и напряжений элементов выпрямителя. В дальнейшем вводятся уточнения на параметры элементов выпрямителя из-за неидеальных условий его работы. При принятых допущениях однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 4.1, а) следующим образом работает на активную нагрузку. Пусть в первый полупериод прило-

Рисунок 4.2. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя: а) напряжение питающей сети; б) ток нагрузки; в, г) выходное напряжение

женного напряжения на началах обмоток трансформатора (отмечены на рис. 4.1 точками) имеем положительные потенциалы. В этом случае ток проводит вентиль V₁ и к нагрузке прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис, 4.2, в). При активной нагрузке кривая тока синусоидальна (рис. 4.2, б, кривая 1) и ток нагрузки в любой момент может быть определен по формуле

(4.1)

где Е₂ – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора;

R – сопротивление нагрузки.

При переходе кривой питающего напряжения через нуль токи вентиля V₁ и нагрузки становятся равными нулю, а к вентилю V₁ прикладывается обратное напряжение. Вентиль оказывается закрытым и во вторую половину периода питающего напряжения ток в нагрузке и напряжение на ней отсутствуют. Отсюда, среднее значение выпрямленного напряжения однополупериодного выпрямителя при его работе на активную нагрузку

(4.2)

Таким образом, одним из основных недостатков однополупериодного выпрямителя является дискретная передача электрической энергии, что вызывает нарастание действующих значений токов и напряжений элементов выпрямителя и приводит к увеличению его габаритных параметров.

Другим не менее существенным недостатком однополупериодного выпрямителя являются большие пульсации тока нагрузки.

Для снижения пульсаций тока в цепь нагрузки обычно включают индуктивность; которая препятствует быстрому нарастанию тока нагрузки (рис. 4.2, б, кривая 2). Запасая электроэнергию в один из полупериодов приложенного напряжения, она затем ее отдает в сеть и нагрузку в течение некоторого времени другого полупериода, задерживая тем самым момент спадания тока в нагрузке до нуля. С ростом индуктивной составляющей в цепи нагрузки снижаются пульсации, но увеличивается угол ψ, что приводит к уменьшению величины выпрямленного напряжения

(4.3)

Для уменьшения пульсаций тока нагрузки и для исключения отдачи энергии в питающую сеть в схемах однополупериодного выпрямления (рис. 4.1, а) применяют вентиль V₀, который в один из полупериодов приложенного напряжения отключает нагрузку от питающей сети. Еще большего снижения уровня пульсаций тока нагрузки можно добиться, применяя двухполупериодные схемы выпрямления.

Так как необходимым условием для нормальной работы тяговых двигателей постоянного тока является минимум пульсаций, то расчеты для определения параметров элементов выпрямителя осуществляют при бесконечно большой величине индуктивного сопротивления в цепи нагрузки, т.е. при идеально сглаженном токе.

При принятых допущениях однофазный выпрямитель, собранный по нулевой схеме работает следующим образом. Пусть в первый полупериод питающего напряжения на началах обмоток трансформатора имеем положительные потенциалы. В этом случае ток проводит вентиль V₁ и к нагрузке прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора, изображенной на рис. 4.1, б слева. При переходе кривой питающего напряжения через нуль положительный потенциал прикладывается уже к аноду вентиля V₂ и к нагрузке прикладывается напряжение другой вторичной обмотки трансформатора. При равенстве числа витков обеих вторичных обмоток трансформатора среднее значение выпрямленного напряжения определяют следующим образом:

(4.4)

Данное выражение является исходным для определения необходимой величины питающего напряжения при заданном напряжении нагрузки

(4.5)

Среднее значение токов вентилей и действующие значения токов вторичных обмоток трансформатора находят непосредственно из временных диаграмм (рис. 4.3)

(4.6)

Рисунок 4.3. Временные диаграммы напряжений и токов нулевого выпрямителя

(4.7)

В отличие от вторичных обмоток первичная обмотка трансформатора проводит ток в оба полупериода работы выпрямителя (рис. 4.3, г)

(4.8)

где k_тр - коэффициент трансформации, определяемый из выражения

(4.9)

Для трансформаторов с двумя вторичными обмотками установленные мощности вторичных и первичной обмотки не равны:

(4.10)

(4.11)

Установленная мощность трансформатора для выпрямителя с нулевым выводом определяется по формуле

(4.12)

Таким образом, установленная мощность трансформатора, работающего с выпрямителем с нулевым выводом, на 34% превышает мощность нагрузки.

Для определения установленной мощности полупроводниковых элементов необходимо найти напряжение, прикладываемое к вентилям. Для этого исследуем второй полупериод приложенного напряжения, когда ток пропускает вентиль V₂. Тогда, если принять, что падение напряжения на проводящем вентиле V₂ равно нулю, то суммарное напряжение двух вторичных обмоток будет непосредственно приложено к вентилю V₁. Отсюда максимальное напряжение на вентиле V₁ будет равно удвоенному значению максимального напряжения одной из вторичных обмоток трансформатора

(4.13)

В реальных условиях, когда x_d ¹ ¥ в кривой выпрямленного тока появляются пульсации, величина которых в наибольшей степени зависит от соотношения активного и индуктивного сопротивлении в цепи нагрузки. Степень пульсаций выпрямленного тока оценивают коэффициентом пульсаций