Выпрямитель с индуктивной нагрузкой

Включение пассивного сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя существенно влияет на физические процессы в самом выпрямителе. Индуктивный характер имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с индуктивности или на обмотку реле, контактора, обмотки возбуждения электрических машин и др. Схема простейшего выпрямителя с индуктивным характером нагрузки приведена на рисунке 1. В этих схемах, как правило, выполняется условие ω_L >> R_H т.е. индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсаций больше сопротивления нагрузки. Известно, что ток в индуктивности отстаёт от напряжения на Π/2 и процесс нарастания и спада тока заканчивается в пределах одного периода.

Рисунок 1. Однофазный, однотактный выпрямитель с индуктивным характером нагрузки

Ток в цепи (i₂) несинусоидален, так как кроме ЭДС вторичной обмотки в ней действует ЭДС индукции дросселя . При увеличении тока происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя, а при уменьшении тока — освобождение этой энергии. Таким образом, результатом включения индуктивности является “затягивание” тока вентиля. Угол протекания тока зависит от постоянной времени ωτ = ωL/R, где R = R_н + r_д + r₂, r_д — сопротивление диода, r₂ — омическое сопротивление вторичной обмотки трансформатора. Зависимость угла протекания тока от постоянной времени индуктивной нагрузки приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость угла протекания тока от постоянной времени индуктивной нагрузки

По данному рисунку видно, что для того, чтобы через нагрузку постоянно протекал ток, необходимо чтобы выполнялось условие ωL/R≥10. Выполнить это соотношение сложно т.к. возрастают потери в самом дросселе и в результате существенно снижается общий КПД. Поэтому при индуктивном характере нагрузки обычно применяют многофазные схемы p ≥ 2, где легко обеспечивается непрерывность тока за период пульсаций.

В качестве примера возьмём трёхфазный однотактный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3. На этой схеме L_S — индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформаторы; r — сопротивление потерь (r = r₂ + r₁/n²), которое обычно много меньше Rн; γ — угол перекрытия фаз. Поскольку ωL << R_н ток в нагрузке неизменный, а ток через вентиль имеет форму прямоугольного импульса. Переход тока с вентиля на вентиль из-за индуктивности рассеяния не может произойти мгновенно. Её ЭДС самоиндукции препятствует изменению тока — в одной фазе он снижается, а в другой нарастает. В результате ток одновременно течёт по двум фазам. Это явление называется перекрытием токов фаз. Оно существенно влияет на качественные и количественные соотношения в схеме выпрямления.

Рисунок 3. Схема и временные диаграммы тока и напряжений трехфазного однотактного выпрямителя

В однотактной однофазной схеме нет перехода тока с одного вентиля на другой, поэтому L_S в ней на физические процессы практически не влияет. В трёхфазной схеме переход тока (переключение фаз) происходит за конечное время. Если пренебречь сопротивлением вентилей и трехфазного трансформатора, то затягивания тока не будет — переключение мгновенное. Из-за перекрытия фаз постоянная составляющая U₀ уменьшается на величину площади треугольника в напряжении U_d.

В итоге наличие сопротивления обмоток r и индуктивности рассеяния L_S приводит к более резкому падению внешней характеристики выпрямителя (т.е. повышению R_вых). Результирующая внешняя характеристика выпрямителя с индуктивной нагрузкой показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешняя характеристика выпрямителя с индуктивной нагрузкой

Здесь, при токе нагрузки меньше некоторой величины I_0кр соотношение ωL >> R_H перестает выполняться. Ток дросселя становится прерывистым, он разряжается полностью и напряжение возрастает.

По выпрямителям с индуктивной нагрузкой можно сделать следующие выводы:

1. Индуктивная составляющая сопротивления и нагрузки должна быть соизмерима с R_H (иначе КПД будет низким).
2. Форма кривой тока вентиля приближается к прямоугольной.
3. Длительность работы каждой фазы не зависит от индуктивности в цепи нагрузки, а определяется числом фаз выпрямления (пульсностью) и индуктивностью рассеяния трансформатора.
4. Наличие индуктивности рассеяния приводит к перекрытию токов фаз, при этом U₀ снижается, а пульсации на входе сглаживающего фильтра возрастают.

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.