Работа выпрямителя на противо э.Д.С. Источниками э.Д.С. В нагрузке могут быть: якорь двигателя постоянного тока, аккумуляторная батарея или батарея конденсаторов фильтра.

Когда нагрузкой выпрямителя является якорь двигателя, обладающий наряду с активным сопротивлением и значительной индуктивностью, то процессы в работе выпрямителя подобны уже рассмотренным в схеме с LC-фильтром. В схеме возможны режимы прерывистого и непрерывного токов нагрузки. Внешняя характеристика соответствует, изображённой на Рис. 3.5. Режим прерывистого тока наступает, если э.д.с. нагрузки Е_н становится больше среднего значения выпрямленного напряжения E_do т.е. в зоне E_do Е_н  Е_m .

Если же цепь нагрузки выпрямителя состоит только из э.д.с. Е_н и активного сопротивления r (например, как показано на Рис.3.6), то в нагрузке всегда течёт только прерывистый ток, импульсы которого имеют форму «вершины» синусоиды вторичной э.д.с., «выступающей» над э.д.с. Е_н (Рис.3.6б). Амплитуда тока диода

(3-15)



где = Е_н/ Е₂2 = Cos ,



I_{a max} = Е₂2 / r .

Среднее значение тока выпрямителя I_d: . (3-16)

Каждый вентиль проводит половину тока нагрузки, поэтому среднее значение тока диодов

(3-17)

Действующее значение тока вторичной полуобмотки трансформатор

(3-18)

Максимальное обратное напряжение на диодах в нулевой схеме выпрямителя остаётся равным двойной амплитуде вторичного напряжения полуобмотки трансформатора U_{b max} = 22Е₂ (Рис.3.6б) т.е. таким же как и во всех предыдущих случаях анализа схем выпрямителей с нулевым выводом обмотки трансформатора.

Представляет интерес случай, когда параллельно аккумуляторной батарее включён балластный резистор R, цепь подключения которого показана на Рис.3.6а пунктиром. Среднее значение тока, протекающего через аккумуляторную батарею, в таком случае уменьшается на величину Е_н/R и с учётом (3-16) будет равно

(3-19)

Анализ выражения (3-19) показывает, что в зависимости от соотношения величин r/R и  среднее значение тока I_АБ может быть как больше так и меньше нуля. Для дальнейшего анализа интерес представляет граничный режим, когда I_АБ = 0, т.е. когда через батарею протекает только переменный ток Рис.3.6в.

Из (3-19) с учётом того, что = Cos, при I_АБ = 0 следует

(3-20)

а)

Рис.3.6 Схема а) и осциллограммы напряжений б) и токов в) выпрямителя, нагруженного на противо э.д.с. Е_н и активное сопротивление R; напряжение и ток сети – зелёная кривая, напряжение и ток нагрузки – синяя кривая и напряжение и ток диода – оранжевая кривая, красным цветом на рис. в) показан ток зар./разр. батареи i_б.

С помощью (3-20) построен график зависимости r/R= f (), соответствующий граничному режиму (Рис.3.7).

Достаточно близким к граничному является рассматриваемый далее режим работы выпрямителя на нагрузку R с фильтром в виде конденсаторной батареи и ограничительного резистора r.

Рис.3.7 К расчёту параметров фильтра однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Работа выпрямителя с rC-фильтром (Рис.3.8).

Для снижения электрических потерь величина r принимается обычно не более 0,1R. Ток на выходе вентильного комплекта всегда прерывист (Рис.3.8в) и в этом работа выпрямителя анало-гична предыдущей схеме на Рис.3.6а. Однако напряжение на конденсаторе (в отличие от э.д.с. Е_н в схеме Рис.3.6) содержит ещё и небольшую переменную составляющую, которая пульсиру-ет относительно среднего значения U_н приблизительно, так как это показано на Рис.3.9.

В момент _ct₁=₁ напряжение на конденсаторе становится меньше э.д.с. одной из вторичных обмоток трансформатора и диод в этой обмотке начинает проводить ток, заряжая конденсатор фильтра. С момента _ct₂=₂ до _ct₃=₃ мгновенное значение напряжения на конденсаторе u_c(t) больше выпрямленных э.д.с. вторичных об-моток и, следовательно, своим напряжением конденсатор поддер-живает ток в нагрузке R. Конденсатор выполняет функцию буфер-ного накопителя энергии, величина которой в момент ₁ ровна СU₁²/2 и в момент ₂ - СU₂²/2. На интервале ₁  ₂ происходит её накопление за счёт импульса тока выпрямителя, а на интервале ₂  ₃ - её расходование, т.е. разряд на резистор R.

Рис.3.8 Схема а) и осциллограммы напряжений б) и токов в) однофазного выпрямителя с rC фильтром; напряжение и ток сети (U_сети, i_сети) – зелёного цвета; напряжение и ток нагрузки (U_н, i_н) – синего цвета; ток и напряжение диода (U_{b max}, i_диода) – оранжевого цвета; ток заряда конденсатора (i_c) – красного цвета.

Для установившегося режима приращение энергии Э₁ на первом интервале и снижение её на втором Э₂ должны быть равны между собой, т.е. Э₁= Э₂= Э или

Э = С(U₂² – U₁²)/2 = C(U₂ – U₁) (U₂ + U₁)/2 = C U U_н , (3-21)

где U_н = (U₂ + U₁)/2 – среднее за период значение напряжения на конденсаторе и

U – размах колебаний напряжения на конденсаторе фильтра.

Рис.3.9 К анализу процессов в схеме двухполупериодного выпрямителя с rC-фильтром.

Среднее значение тока заряда конденсатора на интервале проводимости диода ₁+₂ должно быть

Среднее значение тока выпрямителя

откуда следует

(3-22)

Здесь использовано допущение о равенстве напряжения U_н в схеме Рис.3.8а и э.д.с. Е_гр. в схеме Рис.3.6а. Это позволяет записать

U_н = Е_{н гр}= _гр2Е₂= r _гр I_max.

Далее, полагая

₁+₂  2 = 2 arccos _гр.,

можем записать

2 arccos _гр. С R U

1-  =  .

 r _гр. I_max

Используя последнее уравнение и значение _гр. из графика на Рис.3.7 для заданного отношения r/R можно, задаваясь величиной U, получить более точное значение величины ёмкости конденсатора фильтра

(3-23)

При этом величина действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора должна быть Е₂ = U_н/_гр2.