Схема однополупериодного выпрямления. В данной схеме (рис. 3.85, а) в цепь вторичной обмотки трансформатора последовательно с вентилем Д введена нагрузка R_н. При синусоидальном напряжении на первичной обмотке трансформатора напряжение на его вторичной обмотки имеет ту же форму. В течение положительного полупериода начало вторичной обмотки, обозначенное точкой, оказывается под более высоким потенциалом. Поэтому напряжение прикладывается к вентилю Д в прямом направлении. Диод открывается и проводит ток i, напряжение на вентиле равно нулю. При этом напряжение на нагрузке равно напряжению вторичной обмотки трансформатора. Мгновенное значение тока, протекающего через нее, определяется соотношением i_d=U_d/R_н.

Ток нагрузки имеет ту же форму, что и напряжение, поэтому изображается аналогичной кривой в измененном масштабе (см. рис. 3.85, б). В отрицательный полупериод напряжения вторичной обмотки вентиль Д запирается, и ток через него (и нагрузку) не проходит. В следующий полупериод ток вновь начинает протекать через диод (см. рис. 3.85, в).

В отрицательные полупериоды к вентилю приложено все напряжение вторичной обмотки трансформатора, так как запертый диод прерывает ток в цепи (рис. 3.85, г).

Рис. 3.85. Схема однополупериодного выпрямления переменного тока (а), напряжение на вторичной обмотке трансформатора (б), выпрямленного напряжение на нагрузке (в), обратное напряжение на диоде (г)

Вентиль должен выдерживать обратное напряжение, равное амплитудному значению напряжения источника питания.

Из-за большой пульсации напряжения и тока подобные выпрямительные схемы не получили широкого применения.

Однофазная мостовая схема выпрямления. Такие схемы довольно широко применяются в схемах электропоездов, так как имеют ряд преимуществ. Однофазная мостовая схема (рис. 3.86) состоит из однофазного трансформатора, к вторичной обмотке которого подсоединен диодный мост с нагрузкой R_н в диагонали.

Рис. 3.86. Однофазная мостовая схема выпрямления

При включении первичной обмотки трансформатора в сеть переменного тока во вторичной обмотке наводится переменное напряжение U₂. В положительный полупериод через диод 1, активную нагрузку R_н, диод 4 будет протекать ток (его направление показано стрелкой). В отрицательный полупериод ток будет проходить через диод 2, активную нагрузку R_н, диод 3. Таким образом, в оба полупериода направление тока, протекающего через нагрузку, остается неизменным (от плюса к минусу). Диоды соединены последовательно с нагрузкой и работают попарно в двух плечах моста.

Такая схема выпрямления предпочтительнее, так как вторичная обмотка трансформатора работает оба полупериода. Это позволяет уменьшить габариты и массу трансформатора. Через каждый вентиль ток протекает только в течение одного полупериода (кривые выпрямленного тока и напряжения приведены на рис. 3.87). Обратное напряжение на диодах достигает лишь амплитудного значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, что также является преимуществом мостовой схемы.

Рис. 3.87. Графики изменения напряжения и тока в однофазной мостовой схеме: а — напряжение вторичной обмотки трансформатора; б — выпрямленное напряжение и ток; в — напряжение на вентиле; г — ток вентиля

Трехфазная мостовая схема. Эту схему часто называют схемой Ларионова, по фамилии ученого, впервые предложившего ее (рис. 3.88). Она подсоединяется к источнику тока через трехфазный трансформатор, обмотки которого соединены «звездой». Схема состоит из двух групп диодов — анодной и катодной. В анодной группе общим является анод А, в катодной — катод К (соответственно вентили 1, 3, 5 и 2, 4, 6).

Рис. 3.88. Трехфазная мостовая схема выпрямления

В катодной группе ток всегда проходит через тот вентиль, анод которого в рассматриваемый момент времени имеет наибольший положительный потенциал. В анодной группе ток будет проходить через вентиль, катод которого имеет наибольший отрицательный потенциал. Так, в момент времени t₀ (рис.3.89, а) более высокий положительный потенциал имеет фаза В, а наибольший отрицательный потенциал — фаза С. Поэтому ток начинает протекать через вентиль 4, активную нагрузку R_н, вентиль 5 на фазу С. Через вентиль 5 ток будет проходить до момента t₁ т.е. до тех пор, пока отрицательный потенциал на вентиле 5 будет больше, чем на вентилях 1 и 3. Затем потенциалы фаз А и С выравниваются. В момент времени t₁ отрицательная эдс фазы А становится больше, и в вентилях этой группы происходит переключение (коммутация) тока с вентиля 5 на вентиль 1, который будет проводить ток с момента t₁ до t₃.

В катодной группе ток будет проходить через вентиль 4 в течение промежутка t₀ — t₂. В момент времени t₂ происходит переключение тока с вентиля 4 на вентиль 6 и т.д. По графику видно, что любая пара вентилей анодной и катодной групп работает совместно 1/6 периода. Поэтому в течение периода выпрямленное напряжение на активной нагрузке пульсирует шесть раз (рис 3.89). При выпрямлении трехфазного тока коэффициент пульсации мостовой схемы достигает 5,7%. Обратное напряжение, действующее на вентили, так же невелико и равно приблизительно среднему выпрямленному напряжению.

Рис. 3.89. Графики изменения напряжения и тока в трехфазной мостовой схеме: а — фазные напряжения вторичных обмоток трансформатора; б — выпрямленные напряжение и ток; в — обратное напряжение на вентиле; г — ток вентиля; д — ток фазы А вторичной обмотки трансформатора

Благодаря своей простоте и надежности, низкой пульсации тока, хорошему использованию обмоток трансформатора трехфазная мостовая схема широко применяется на электропоездах для питания цепей управления и заряда аккумуляторных батарей.

Регулирование выпрямленного напряжения. Для регулирования выпрямленного напряжения изменением момента открытия вентилей выпрямитель должен быть собран на тиристорах. Если на их управляющие выводы подавать отпирающие импульсы с помощью автоматики, то можно открывать вентили в требуемые моменты времени и изменять таким образом общее время, в течение которого каждый тиристор проводит ток.

Промежуток времени между моментом подачи положительного напряжения на анод тиристора и моментом подачи импульса на его управляющий электрод называется углом регулирования а (рис. 3.90, б). Увеличивая этот угол, можно задерживать момент начала прохождения тока через очередной вентиль и уменьшать среднее значение выпрямленного напряжения U_d.

На рис. 3.90,а видно, что тиристор открывается в момент начала прохождения импульса, среднее выпрямленное напряжение — максимально. На рис. 3.90, б показан небольшой угол регулирования, а на рис. 3.90, в угол α увеличен. Как видно, чем больше угол регулирования а, тем меньше заштрихованная площадь внутри кривой выпрямленного напряжения, тем меньше среднее напряжение U_d(U_d2<U_d1). Выпрямленное напряжение будет наибольшим при α=0.

Рис. 3.90. Регулирование напряжения двухполупериодного выпрямителя изменением угла α (при работе на активную нагрузку)

На электропоездах с электрическим торможением в системе автоматического регулирования напряжения и частоты синхронного генератора применяют неполнофазные выпрямительные мосты (рис. 3.91). Три фазы со статорных обмоток генератора поступают на диодный мост Д8…Д11, а затем на нагрузку, содержащую индуктивность (обмотка возбуждения двигателя преобразователя и обмотка возбуждения генератора). Причем фаза С1 запирается диодом Д10, а фазы С2 и С3 пропускаются на нагрузку. Поэтому выпрямленное напряжение имеет форму импульсов, между которыми расположены “нулевые” интервалы 1—2, 3-4 и т.д.

Рис. 3.91. Схема неполнофазного выпрямительного моста Д8…Д11 для питания обмоток преобразователя Н1-Н2, И1-И2 (а), форма импульсов напряжения на нагрузке (б)

Тиристоры Тт1 и Тт2 управляются системой автоматического регулирования. Изменением угла а меняется среднее выпрямленное напряжение (и средний ток в нагрузке). “Нулевые” интервалы 1-2, 3-4 и т.д., получаемые за счет работы неполнофазного моста Д8…Д11, требуются для естественного гашения (запирания) тиристоров. В промежутках между импульсами, когда тиристоры Тт1 или Тт2 закрыты, токи в обмотке возбуждения Н1-Н2 двигателя преобразователя и в обмотке возбуждения синхронного генератора И1-И2 не прерываются. Они поддерживаются за счет эдс самоиндукции и замыкаются через обратные диоды Д5 и Д7.