Выпрямление переменного тока

Переменный ток вентильных генераторов выпрямляется кремниевыми полупроводниковыми диодами. Диоды имеют два вывода и пропускают ток только от анодного вывода к катодному, когда к аноду подведен положительный потенциал. В противоположном направлении диоды тока не пропускают, если обратное напряжение не превышает допустимого значения.

В выпрямителях генераторов устанавливают диоды прямой и обратной полярностей. У диода прямой полярности с корпусом соединен катод, а у диода обратной полярности - анод. В зависимости от числа фаз генератора применяют трех- и пятифазные выпрямители.

По форме выпрямленного напряжения различают одно- и двухполупериодные выпрямители. Однополупериодные выпрямители однофазного источника G (рис. 1, а) переменного тока обеспечивает один диод VD, который включается последовательно с нагрузкой R.



Для двухполупериодного выпрямления однофазного тока собирают мостовой выпрямитель из четырех диодов VD1-VD4 (рис. 1, б). Положительная полуволна (первый полупериод) переменного напряжения открывает диоды VD1 и VD4. Во втором полупериоде открыты диоды VD2 и VD3. В течение всего времени работы генератора с мостовым выпрямителем на нагрузку R подается выпрямленное напряжение U_d одного знака.


Если в каждую фазу генератора включить по одному диоду VD1, VD2 и VD3 (рис. 1, в), можно получить однополюсный выпрямитель трехфазного тока. Каждый диод выпрямителя проводит ток только в течение 1/3 периода, когда напряжение приложено к нему в прямом направлении.

Двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока имеет три пары диодов - VD1-VD6 (рис. 1, г). Одно плечо выпрямителя образуют диоды VD1-VD3 прямой полярности, которые катодами соединены с положительным выводом вентильного генератора. Во втором плече выпрямителя установлены диоды VD4-VD6 обратной полярности. Их аноды соединены с массой. В проводящем направлении работает один из диодов VD1, VD2 или VD3, у которого анод имеет наибольший потенциал, а в группе диодов VD4-VD5 - диод с самым низким потенциалом. В момент времени когда в фазе А напряжение положительно и максимально, а в фазах В и С напряжения отрицательны и равны, ток в нагрузку R поступает через открытый диод VD1 и два диода VD5 и VD6. В момент времени t₂ когда напряжение фазы А равно нулю, в фазе В - положительно, а в фазе С - отрицательно, ток проводят диоды VD2 и VD4. Остальные диоды тока не пропускают.

Частота пульсаций f_п выпрямленного двухполупериодным трехфазным выпрямителем напряжения U_d в 6 раз больше частоты переменного тока f, т.е. справедливо выражение



где z_p - число пар полюсов индуктора; n - частота вращения ротора.


Максимальное, минимальное и среднее значения выпрямленного напряжения равны соответственно 1,73U_m, 1,65U_m. Пульсация выпрямленного напряжения △U_d=0,23U_m=0,139U_d, что при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В составляет 1,95 В.

Коммутация в вентильных генераторах не может быть идеальной, так как ток закрывающегося диода не исчезает мгновенно, а ток вступающего в работу диода нарастает постепенно. Поэтому в зависимости от нагрузки генератора изменяются соотношения между фазными и выпрямленными напряжениями и токами.

Обычно выпрямитель трехфазной мостовой схемы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов VD1-VD6 (рис. 2). При необходимости форсирования мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя на диодах VD7 и VD8, показанное на рис. 2 штриховой линией. Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в звезду, так как дополнительное плечо получает питание от нулевой точки звезды.




У многих типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на диодах VD9-VD11. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Полупроводниковые диоды открыты и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении.

По графику фазных напряжений можно определить, какие диоды открыты, а какие закрыты в данный момент. Фазные напряжения Uф₁, Uф₂ и Uф₃ действуют соответственно в обмотках первой, второй и третьей фаз. Эти напряжения изменяются по кривым, близким к синусоидам, и в одни моменты времени они положительны, в другие - отрицательны. Если за положительное направление фазного напряжения принять направление по стрелке, обращенной к нулевой точке обмотки статора, а за отрицательное - от нее, то, например, для момента времени tx напряжение второй фазы отсутствует, напряжение первой фазы -положительное, а третьей фазы - отрицательное. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам, показанным на рис. 2. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1 и VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление - от положительного вывода генераторной установки к "массе", т.е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.


Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током обмотку возбуждения. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят шесть диодов, но три из них (VD2, VD4 и VD6) общие с силовым выпрямителем. Так, в момент времени tx открыты диоды VD4 и VD9, через которые выпрямленный ток поступает в обмотку возбуждения. Этот ток значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Потому в качестве диодов VD9-VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды, рассчитанные на силу тока, равную 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25-35 А).

Принцип работы плеча выпрямителя, содержащего диоды VD7 и VD8, состоит в следующем. Если бы фазные напряжения изменялись строго по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками: первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом третьей, частота которой в 3 раза выше первой. Реальная форма фазного напряжения в виде суммы первой и третьей гармоник представлена на рис. 3. Из электротехники известно, что в линейном напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе и при этом взаимоуничтожаются. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не используется. Для того чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды VD7 и VD8. присоединенные к нулевой точке обмотки фаз, которые выпрямляют только напряжение третьей гармоники. Введение этих диодов на 5-15 % увеличивает мощность генератора при частоте вращения ротора более 3000 мин^-1.



Применение в регуляторе напряжения электронных элементов и особенно микросхем (использование полевых транзисторов или выполнение всей схемы регулятора на монокристалле кремния) потребовало введения в генераторную установку элементов защиты от всплесков высокого напряжения, например при внезапном отключении аккумуляторной батареи или сбросе нагрузки. Такая защита обеспечивается заменой диодов силового выпрямительного моста стабилитронами. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25-30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне и, следовательно, на выводах генератора остается неизменным, не достигающим опасных для электронных элементов значений.

Применение генераторов многофазного исполнения, например пятифазного, в работе выпрямителя ничего не меняет. Выпрямитель в этом случае содержит 10 диодов, и пульсации выпрямленного напряжения снижаются по сравнению с трехфазной системой.

В вентильном генераторе диоды выпрямителя не проводят ток от аккумуляторной батареи к обмотке статора, в связи с чем отсутствует необходимость в реле обратного тока. Это значительно упрощает схему генераторной установки.

В обмотку возбуждения может подаваться ток аккумуляторной батареи. Поэтому возможен разряд батареи на обмотку при длительной стоянке автомобиля. Однако присоединение обмотки возбуждения к дополнительному выпрямителю также имеет негативную сторону, связанную с самовозбуждением генератора.

Самовозбуждение генератора происходит при выполнении ряда условий:

• наличие в генераторе остаточного магнитного потока при отсутствии тока возбуждения;
• достаточно низкое сопротивление цепи возбуждения.

Если эти условия не выполняются, напряжение генератором в рабочем диапазоне частот вращения ротора не создается.