Основными элементами в любой схеме выпрямления являются вентили, которые пропускают ток по электрической цепи только в одном направлении. Вентили могут включаться по различным схемам, в зависимости от этого изменяется форма выпрямленного тока и напряжения. Рассмотрим несколько схем выпрямления при работе выпрямителя на активную нагрузку без учета прямого падения напряжения и обратного тока вентилей, активного сопротивления и индуктивности обмоток трансформатора.

Мгновенное напряжение на выходе выпрямителя и приложенное к нагрузке называют мгновенным выпрямленным напряжением и0. Мгновенный ток, потребляемый нагрузкой, называют мгновенным выпрямленным током 1о- Среднее выпрямленное напряжение выпрямителя обозначают II о, а средний выпрямленный ток — 1о.

Схема однополупериодного выпрямления. Схема (рис. 104, о),состоит из одного вентиля В, включенного последовательно с нагрузкой А?„ в цепь вторичной обмотки трансформатора. При синусоидальном напряжении и{ на первичной обмотке трансформатора напряжение и2 на вторичной обмотке также будет синусоидальным (рис. 104,6). В течение положительной полуволны начало вторичной обмотки (на схеме обозначено точкой) имеет более высокий потенциал, чем ее конец, напряжение приложено к вентилю в проводящем направлении. Вентиль проводит ток 1о, а напряжение ий на нем равно нулю. Напряжение и0 на нагрузке равно напряжению вторичной обмотки трансформатора. Под действием этого напряжения по нагрузке будет протекать ток г'о, мгновенное значение которого определяется соотношением 1о= но/Ян- Ток 1о изменяется в фазе с напряжением и0 и поэтому может быть изображен той же кривой с измененным масштабом (рис. 104, в). Когда вторичное напряжение изменит направление, вентиль запирается и ток через него становится равным нулю. При этом все напряжение вторичной обмотки будет приложено к вентилю в обратном направлении (рис. 104, г). Когда этот полупериод закончится, ток вновь начнет протекать через вентиль. Таким образом, рассмотренная схема выпрямляет однофазный ток через каждый полупериод.

Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Данная схема по существу представляет собой объединение двух рассмотренных схем однополупериодного выпрямления. В схеме с нулевым выводом (рис. 105, а) включены две вторичные обмотки трансформатора, соединенные между собой через нулевой вывод, в который включено активное сопротивление 1?„. Кроме того, в цепях каждой обмотки находится по одному вентилю, которые присоединены в общей точке к сопротивлению

К первичной обмотке трансформатора подводится синусоидальное напряжение и\. В первую половину периода, когда напряжение ик положительно, а ыв — отрицательно, ток под действием напряжения ик протекает через вентиль 1; во вторую половину периода, когда положительным становится напряжение «в, а «д — отрицательным, ток протекает через вентиль 2 под действием

положительного напряжения ив. Таким образом, ток и напряжение выпрямляются уже в оба полупериода, но пульсация их остается по-прежнему от нуля до максимального значения (рис. 105, б, в, г, д, е, ж). Величины обратных напряжений на выпрямителях достигают удвоенного максимального фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом. На электроподвижном составе для питания вспомогательных цепей применяют трехфазную схему выпрямления. Простейшей трехфазной схемой выпрямления является трехфазная схема с нулевым выводом (рис. 106, о). Питание трехфазной схемы осуществляется от трехфазной сети через трехфазный трансформатор Т. Вторичные обмотки трансформатора соединены в «звезду». Каждая фаза работает поочередно.

В момент 1о (рис. 106, б) из трех напряжений их, ив, ис положительным является напряжение фазы А. Напряжение и0 на нагрузке 1?„ равно фазному напряжению иЛ. Такое положение будет сохраняться до момента 1\, когда «Л = ив. До этого момента тока в фазе В нет. Даже когда напряжение фазы В, пройдя

Рис. 104. Схема однополупериодного выпрямителя:

а — схема выпрямления; б — напряжение вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение; г — обратное напряжение на вентиле

Рис. 105. Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом:

а — схема выпрямления; 0 — фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение и ток; г - напряжение на вентиле 1; д — ток фазы А вторичной обмотки трансформатора и вентиля 1; с — ток фазы В вторичной обмотки трансформатора и вентиля 2; ж — ток первичной обмотки трансформатора

через нуль, становится положительным, ток в ней до момента t\ будет равен нулю, так как вентиль 2 заперт обратным напряжением, определяемым разностью напряжений фаз Л и В. До момента t2 ток на нагрузку R„ будет протекать только через фазу В и вентиль 2. В момент t\ вентиль 1 закрывается, а вентиль 2 открывается, так как напряжение фазы В становится выше напряжения фазы А. Коммутация (переключение) тока с вентиля 1 на вентиль 2 происходит мгновенно, исходя из допущения, что индуктивность обмоток трансформатора равна нулю. Через нагрузку Rn будет проходить ток фазы В iv, = U; до момента 12, когда в работу вступит фаза С. При этом произойдет коммутация тока с вентиля 2 на вентиль 1 (рис. 106, ж). В интервале г,—/2 напряжение на нагрузке равно напряжению фазы В: и0 = «в, в интервале 12—(3 — напряжению фазы С:

Отсюда видно, что в трехфазной схеме выпрямления, каждая фаза питает нагрузку RH в течение '/з периода. Две трети периода каждый из вентилей закрыт обратным напряжением.

Рис. 106. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом:

а — схема выпрямления; б - - фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение и ток; г - напряжение на вентиле >; д, е, ж — токи в фазах А, б, С вторичной обмотки трансформатора

Рис. 107. Однофазная мостовая схема:

а — схема выпрямления; б - - напряжение вторичной обмотки трансформатора; а — выпрямленное напряжение и ток; г — напряжение вентиля 1, о - ток вентиля 1; е — ток вторичной обмотки трансформатора

В этой схеме кривая выпрямленного напряжения представляет собой огибающую кривую верхних частей полуволн фазных напряжений (рис. 106, в) и пульсация выпрямленного напряжения и0, а следовательно, и тока г0 уже меньше, чем в схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Кривая обратного напряжения и.\, которым 2/3 периода закрыт каждый из вентилей, показана на рис. 106, г. Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к каждому вентилю, в уЗ раз больше максимального фазного напряжения £/,„ач или равно максимальному значению вторичного линейного напряжения. Количество пульсаций выпрямленного напряжения за один период питающего напряжения переменного тока

Ш = 1;; 1'/',

где 1"„ — частота пульсаций выпрямленного напряжения; I — частота питающего переменного тока.

Время между пульсациями выпрямленного напряжения называют периодом повторяемости.

Однофазная мостовая схема выпрямления. Широкое распространение на электроподвижном составе нашли однофазные мостовые схемы выпрямления. Эти схемы имеют преимущества по сравнению со схемами двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Благодаря лучшему использованию вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме габариты и масса трансформатора значительно меньше, чем при схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Мостовая однофазная схема (рис. 107, а) состоит из однофазного трансформатора, вторичная обмотка которого питает вентили, соединенные по мостовой схеме.

При включении переменного напряжения и\ на первичную обмотку на вторичной обмотке возникает переменное напряжение и2. В течение положительной полуволны напряжения и2 на вторичной обмотке трансформатора ток 12 будет проходить через вентиль 1, активную нагрузку Я„ и вентиль 3. В следующий полупериод при изменении направления напряжения и2 ток проходит через вентиль 2, активную нагрузку 1?„ и вентиль 4.

Таким образом, в оба полупериода направление протекающего через нагрузку 1?н тока г0 сохраняется постоянным. Ток через каждый вентиль, как и в двух-полупериодной схеме с нулевым выводом, протекает только в течение одного полупериода (рис. 107, б, в). Но при выпрямлении по мостовой схеме вторичная обмотка трансформатора работает в оба полупериода вся (рис. 107, е), тогда как при двухполупериодной схеме с нулевым выводом в течение полупериода работает лишь половина вторичной обмотки трансформатора. В этом преимущество мостовой схемы.

Кривые выпрямленного тока и напряжения в мостовой схеме такие же, как и в двухполупериодной схеме с нулевым выводом. Но в мостовой схеме обратное напряжение на вентилях (рис. 107, г) достигает лишь амплитудного значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, т. е. в 2 раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Питание данной схемы происходит через трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в «звезду». В данной схеме применяются две группы вентилей (рис. 108).

В первую (катодную) группу входят вентили 1, 3 и 5, во вторую (анодную) — 4, 6 и 2. В первой группе ток проводит один из трех вентилей, имеющий в данный момент наибольший положительный потенциал анода, соответственно во второй

группе ток проводит вентиль, имеющий в данный момент наиболее отрицательный потенциал катода.

В момент времени го (рис. 108, а) наибольший положительный потенциал получает фаза В, тогда как наибольший отрицательный потенциал сохраняет фаза С. Поэтому ток в момент времени 10 проходит от фазы В через вентиль 3, активную нагрузку 1?„, вентиль 2 к фазе С. Через вентиль 2 ток будет проходить до момента г1, т. е. до тех пор, пока отрицательный потенциал на вентиле 2 будет больше, чем на вентилях 4 и 6.

В момент времени 1\ отрицательные э. д. с. фазы С и фазы А выравниваются, а потом отрицательная э. д. с. фазы А увеличивается и в вентилях второй, анодной группы происходит коммутация тока с вентиля 2 на вентиль 4, который проводит ток с 1\ до (3.

В первой, катодной группе вентилей ток через вентиль 3 будет проходить в течение времени 1о—"*2. В момент г2 происходит коммутация тока с вентиля 3 на вентиль 5 и т. д. Из рассмотрения схемы и диаграмм видно, что два вентиля по одному из первой и второй групп работают совместно в течение '/б части периода. Поэтому в течение периода пульсация выпрямленного напряжения и тока происходит 6 раз.

Анализируя приведенные схемы, можно сделать вывод, что основными величинами, характеризующими выпрямители, являются среднее значение выпрямленного напряжения и максимальное обратное напряжение на вентилях.

Сглаживание пульсаций выпрямленного тока. Во всех схемах, рассмотренных выше, мы наблюдаем пульсацию электрического тока, что сказывается на работе аппаратов, питающихся этим током. Однако при включении индуктивности в цепь нагрузки происходит сглаживание пульсаций. На моторных вагонах электропоездов переменного тока пульсирующим выпрямленным напряжением питают тяговые двигатели. Форма и величина тока в этом случае определяются в основном противо-э. д. с. двигателей и индуктивностью цепи выпрямленного тока. Индуктивность тяговых двигателей небольшая, поэтому в их цепи в качестве дополнительной индуктивности включают сглаживающие реакторы.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций выпрямленного тока за счет наличия в цепи тяговых двигателей индуктивности. Мгновенное значение пульсирующего напряжения выпрямителя ио (рис. 109) уравновешивается противо-э. д. с. вращения якорей тяговых двигателей едв, которая может также пульсировать, падением напряжения

в активном сопротивлении цепи г'0/?дв и э. д. с. самоиндукции ес, вызываемой пульсацией выпрямленного тока, т. е.

"о = <?дв + 1оЛдв + ес. (35)

Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении цепи, то получим:

На графике (см. рис. 109) э. д. с. самоиндукции выражается отрезками ординат, показанных штриховкой. Из графика видно, что в интервалах 1і— її и Із — £4, когда напряжение выпрямителя и0 больше противо-э. д. с. двигателя елв (ес — положительная), выпрямленный ток г'0 возрастает. В интервале 1г — ^з, когда и0 меньше елв (ес — отрицательная), выпрямленный ток уменьшается.

Относительная пульсация кпо определяется соотношением

I таь — Лпш |„„л1 (38)

■•но .—/0. zl ср

В силовых схемах однофазного выпрямленного тока допускается относительная пульсация ±(25—30)%. '

При уменьшении нагрузки относительная пульсация увеличивается, а для обеспечения хорошей коммутации тяговых двигателей относительную пульсацию желательно поддерживать постоянной как можно в более широком диапазоне нагрузок. Поэтому необходимо, чтобы индуктивность цепи' выпрямленного тока LB была не постоянной, а менялась с изменением нагрузки по закону гиперболы (кривая 1, рис. ПО):

/ср1в = const. (39)

Исходя из сказанного, необходимо, чтобы сглаживающие реакторы на моторных вагонах имели характеристику, приближенную к гиперболе. Такую характеристику обеспечивают реакторы со стальным сердечником. При малых нагрузках реактор с сердечником работает на прямолинейной часта кривой намагничивания (кривая 2 на рис. ПО), а следовательно, и индуктивность ДФ/А1 имеет наибольшее и постоянное значение. При увеличении нагрузки режим работы реактора переходит на более пологую часть кривой намагничивания, и индуктивность его уменьшается.

На электропоездах переменного тока применяют сглаживающие реакторы СР-800. Пульсации тока, а следовательно, и магнитного потока главных и дополнительных полюсов тягового двигателя вызывают вихревые токи в остове, увеличивающие нагрев обмоток двигателей, и отрицательно сказываются на коммутации тяговых двигателей. Пульсация магнитного потока главных полюсов вызывает также трансформаторную э. д. с. в коммутирующих витках обмоток якоря. Чтобы избавиться от трансформаторной э. д. с.в коммутирующих витках и улучшить коммутацию, уменьшают пульсацию тока возбуждения с помощью активных сопротивлений, включенных параллельно обмотке главных полюсов. При этом постоянная составляющая тока разветвляется обратно пропорционально активным сопротивлениям, а переменная — обратно пропорционально индуктивным сопротивлениям. Поэтому переменная составляющая тока полностью протекает по сопротивлению, включенному параллельно обмотке главных полюсов. Сочетание

в работе схемы сглаживающего реактора и шунтировки обмоток главных полюсов активным резистором обеспечивает устойчивую работу тяговых двигателей постоянного тока при пульсирующем напряжении.

Коммутация тока в схемах выпрямления. При рассмотрении схем выпрямления мы не принимали во внимание индуктивность трансформатора, т. е. считали ее равной нулю. На самом деле индуктивность существует и она влияет на процесс переключения тока с одного вентиля на другой — на коммутацию тока. В действительных схемах из-за наличия индуктивности обмоток трансформатора мгновенная коммутация невозможна и существует определенный переходный процесс переключения, когда ток в одном вентиле уменьшается, а в другом — увеличивается и одновременно оказываются открытыми два соседних (по порядку включения) вентиля.

Рассмотрим процесс коммутации на примере однофазной мостовой схемы выпрямления (см. рис. 107), принимая, что: активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора и прямые сопротивления вентилей равны нулю; имеется индуктивность обмоток трансформатора; нагрузкой выпрямителя является большая индуктивность. На рис. 111 показаны кривые изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения и токов вентилей 1-3 и 2-4. В момент, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора за рассматриваемый полупериод упадет до нуля, выпрямленный ток будет продолжать протекать в прежнем направлении (через вентили 1-3) благодаря действующей э. д. с. самоиндукции вторичной обмотки трансформатора. Постепенный переход нагрузки с вентилей 1-3 на вентили 2-4 начинается тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направление и начинает действовать против тока в этой обмотке. Это и будет коммутацией. В период коммутации напряжение на нагрузке выпрямительной установки равно нулю. Длительность процесса коммутации выражают в угловых единицах и называют углом коммутации у или углом перекрытия.

Разделительные трансформаторы | Электропоезда переменного тока | Внешние характеристики преобразователей установки