1.3. Особенности работы выпрямителей с различным характером нагрузки

Наличие реактивного элемента или источника электродвижущей силы (э.д.с.) на стороне постоянного тока существенно изменяет режим работы выпрямителя.

Рассмотрим сначала работу простейшей схемы однополупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой (рис. 1.10а, б). На интервале 0 < ωt < π индуктивность L_d запасает энергию; на интервале  < ω t < π+θ, после того как напряжение u₂ приобретает отрицательную полярность, ток нагрузки продолжает протекать, поддерживаемый энергией, запасенной в индуктивности. Все это время диод VD открыт и к нагрузке приложено напряжение u₂. В результате в кривой напряжения u_d появляется участок с отрицательной полярностью.

а)

б)

Рис. 1.10

Длительность интервала θ определяется постоянной времени цепи нагрузки  = L_d/ R_d.

Форму тока i_d качественно можно определить, рассматривая этот ток после включения диода VD, как сумму принужденной и свободной составляющих (рис. 1.11)

Рис. 1.11

Принцип действия двухполупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой иллюстрируется рис. 1.12а, б.

При принятых допущениях коммутация (переход тока i_d с диода VD1 на диод VD2) происходит мгновенно. В результате форма напряжения u_d такая же, как и при чисто активной нагрузке. Основной особенностью работы схемы является сглаживание тока нагрузки. В пределе при L_d   все высшие гармоники тока i_d отфильтровываются индуктивностью и

.

Фильтрующие свойства индуктивности улучшаются с увеличением нагрузки выпрямителя, т. к. при этом возрастает постоянная времени .

а)

б)

Рис. 1.12

Принцип действия выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой иллюстрируется рис. 1.13а, б. При работе выпрямителя на нагрузку с емкостным характером имеют место два интервала постоянства структуры схемы: на одном (когда один из диодов открыт) напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке, конденсатор заряжается; на другом (оба диода заперты) конденсатор разряжается через нагрузку. Условие отпирания диода (например, VD1): .

а)

б)

Рис. 1.13

Соответственно, на интервале ωt₁< ωt < ωt₂ открыт VD1, конденсатор заряжается, к нагрузке прикладывается напряжение u₂₁ за вычетом падений напряжений на вторичной обмотке трансформатора и диоде VD1. На интервале ωt₂< ωt < ωt₃ оба диода заперты: VD1 – потому что u₂₁< u_c, а VD2 – потому что u₂₂< 0. Конденсатор разряжается через R_d, напряжение на нагрузке изменяется по экспоненте. Фильтрующие свойства конденсатора улучшаются с уменьшением нагрузки, т. к. при этом возрастает постоянная времени  = R_dC_d. В пределе при C_d   напряжение на нагрузке .

Для анализа процессов на интервале проводимости 2θ (θ – угол отсечки) примем, что напряжение на конденсаторе u_c= U_c(0)= const (рис. 1.14).

Рис. 1.14

Тогда ток через диод

,

где - сопротивление вторичной обмотки трансформатора; сопротивление диода в прямом направлении.

Учитывая, что на интервале ωt₁ < ωt < ωt₂

получим

.

Угол отсечки определяется числом фаз выпрямления и постоянной времени  = R_dC_d. С уменьшением θ амплитуда импульса тока через вентиль возрастает: при θ  0 I_am . В практических схемах I_am = (3...8) I_d.

Работа неуправляемого выпрямителя на нагрузку с противо-э.д.с (рис. 1.15а,б) имеет место при использовании выпрямителей в области электрохимии (электролиз, зарядка аккумуляторов) и электропривода постоянного тока.

а)

б)

Рис. 1.15

При работе на активную нагрузку с противо-э.д.с. (ключ К замкнут) схема работает в режиме прерывистого тока. При u₂₁> E_d (или u₂₂ > E_d) открыт соответствующий диод и к нагрузке приложено напряжение u₂₁ (или u₂₂). Если это условие не выполняется, то u_d= E_d. Мгновенное значение тока в цепи нагрузки

.

Наличие индуктивности в цепи нагрузки (ключ К разомкнут) приводит к затягиванию тока через диоды. В режиме прерывистого тока (при сравнительно небольшой величине L_d) процессы в схеме иллюстрируются рис. 1.16. При дальнейшем увеличении индуктивности и переходе к режиму непрерывного тока процессы в схеме протекают так же, как при работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 1.12). Изменяется лишь среднее значение выпрямленного тока:

.

Рис. 1.16