КАЧЕСТВО ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ИСКАЖЕНИЯ СЕТЕВОГО ТОКА, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (КПД) ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Качество выпрямленного напряжения однофазного выпрямителя
Независимо от используемой схемы выпрямления, напряжение на выходе преобразователя является пульсирующим, то есть помимо постоянной составляющей в кривую выпрямленного напряжения входит переменная составляющая, которую можно представить как сумму бесконечного ряда гармоник. В режиме холостого хода при симметрии всех напряжений и сопротивлений, а также синусоидальности питающего напряжения, кривая выпрямленного напряжения образуется участками синусоид, с протяженностью каждого участка 2π/m. При выпрямлении однофазного тока порядок гармонических в кривой выпрямленного напряжения определяется формулой 
,
где l -ряд целых чисел 1,2,3…..;
m - число пульсаций выпрямленного напряжения за период.
При симметричном режиме работы на выходе 2-пульсового преобразователя имеются гармоники с частотами, кратными 100 Гц.
При холостом ходе действующее значение k -ой гармонической составляющей определяется формулой:
Относительные величины амплитуд гармоник при холостом ходе можно вычислить по формуле:
,
где k – порядок гармоники.
Качество выпрямленного напряжения приближенно характеризуется коэффициентом пульсаций 
, а более точно, коэффициентом полной волнистости 
.
Коэффициент пульсаций 
определяется по формуле:
;
Для двухпульсовых (двухполупериодных) схем, по амплитуде наибольшей гармонической составляющей с частотой 100 Гц, он равен 41,14%.
Коэффициент полной волнистости 
, определяется по формуле:
;
Для двухпульсовых схем, он равен 48%.
Коэффициент искажения сетевого тока однофазного выпрямителя
Полупроводниковые преобразователи потребляют из питающей сети несинусоидальный ток, который можно представить как сумму первой и высших гармоник. Порядок высших гармоник сетевого тока определяется «пульсностью» схемы выпрямления. При симметричном питающем напряжении каждой высшей гармонике выпрямленного (инвертируемого) напряжения порядка 
в сетевом токе преобразователя соответствуют две высшие гармоники с порядковыми номерами 
,
где l – натуральные числа, а m – число пульсаций.
Гармонический анализ сетевого тока приведен в предыдущей лекции. Там же показано, что при идеально сглаженном выпрямленном токе (Хd=∞) и мгновенной коммутации вентилей (ХА=0) кривая сетевого тока имеет прямоугольную форму. Для таких условий с ростом порядка гармоники величина ее уменьшается, то есть амплитуда k - гармоники сетевого тока будет определяться:
где I1(1) – действующее значение основной гармоники сетевого тока.
Действующее значение полного сетевого тока:
I1 = 
Коэффициент искажения синусоидальности потребляемого из сети тока:
k u = I1(1)/ I1
Для двухпульсовых схем, он равен 0,9.
Коэффициент мощности однофазного выпрямителя
Коэффициент мощности – один из важнейших энергетических показателей потребителя электроэнергии. В соответствии с нормативными документами («Тарифы на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую энергосистемами и электростанциями Министерства энергетики и электрификации»), для потребителей с низким коэффициентом мощности устанавливаются повышенные тарифы на электроэнергию. Под коэффициентом мощности понимают отношение активной мощности к полной. Его расчет можно произвести из следующих соотношений:
, где
k u – коэффициент искажения синусоидальности потребляемого из сети тока;
φ1 – угол сдвига между основными гармониками сетевого напряжения и тока;
– угол коммутации m -пульсового выпрямителя;
α - угол запаздывания (регулирования) для управляемого выпрямителя
Для неуправляемого выпрямителя угол запаздывания (регулирования) α =0.
При допущениях, что xd = ∞ и xa = 0, в симметричном режиме работы справедлива формула
I1(1) = 
, тогда 
.
Мощные выпрямители однофазного тока, используемые не электроподвижном составе (ЭПС) электрифицированных железных дорог, по данным эксплуатации, имеют коэффициент мощности 0,8 и даже ниже. При этом значении коэффициента мощности потребляемая выпрямителем из тяговой сети 36% и менее полной мощности.
Для управляемых выпрямителей реактивная мощность определяется коммутацией выпрямителя и углом управления (фазового регулирования выпрямленного напряжения) выпрямителя. Эти составляющие реактивной мощности называют реактивными мощностями коммутации и фазового управления.
Рис. 1. Зависимость коэффициента сдвига от угла управления
Потребление реактивной мощности возростает при применении фазового регулирования выпрямленного напряжения, что видно из приведенной выше формулы. По этим соображениям на электроподвижном составе однофазного тока почти не применяется фазовое регулирование выпрямленного напряжения и оно регулируется путем изменения коэффициента трансформации под нагрузкой регулирование (смотри предыдущие лекции по амплитудному или амплитудно-фазовому регулированию выпрямленного напряжения). Изменение коэффициента трансформации под нагрузкой усложняет конструкцию трансформаторов, повышает их стоимость, требует применения сложных переключающих под нагрузкой устройств и системы управления ими, а также снижает надежность работы трансформаторов.
На электрифицированных железных дорогах однофазного тока вследствие низкого коэффициента мощности выпрямителей на электроподвижном составе имеют место большие потери напряжения и энергии в тяговой сети, что отражается на снижении скорости движения поездов и затратах по оплате потерь электроэнергии.
Улучшения коэффициента мощности выпрямителей возможно достичь дополнением их компенсирующими устройствами, искусственно сдвигающими процесс коммутации тока в фазах в сторону опережения. Для таких устройств используют конденсаторы. Искусственный сдвиг процесса коммутации тока в сторону опережения с использованием конденсаторов называют искусственной коммутацией. При всех схемах выпрямления возможно включение конденсаторов последовательно или параллельно в цепь переменного тока со стороны сетевой или вторичной (вентильной) обмотки выпрямительных трансформаторов. Эффективность использования таких конденсаторов в схемах выпрямителей на основной частоте, то есть частоте питающей сети, выше (примерно на 20%) использования их как конденсаторов реактивной мощности в сетях переменного напряжения. Как показывают расчеты, для обеспечения установленного для стационарных установок коэффициента мощности 0,92-0,93 мощность конденсаторной установки при двухпульсововых схемах выпрямления применительно к условиям электроподвижного состава должна составлять около 30—35% номинальной мощности двигателей (более подробно способы повышения эффективности использования конденсаторов в схемах выпрямителей на основной, удвоенной и утроенной частотах будут рассмотрены при изучении выпрямителей трехфазного тока).