Лабораторная работа №1

ИСЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

(2 часа)

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Выпрямительные устройства являются преобразователями переменного тока в постоянный и входят составной частью в большинство источников вторичного электропитания.

Виды выпрямителей:

- однофазные;

- трехфазные;

- многофазные.

Мощные выпрямители, мощностью более 1 кВт, как правило, выполняются по трехфазной и многофазной схеме и применяются для электродвигателей постоянного тока, для питания дуговых печей постоянного тока, для электролизных печей при производстве алюминия, для электрофильтров и др.

Однофазные маломощные выпрямители, устройства мощностью менее 1 кВт, применяются практически во всех источниках питания, электронных систем измерения, анализа, контроля и управления, микромашин постоянного тока, систем автоматического регулирования и т. п.

Выпрямители, как правило, работают со сглаживающими фильтрами.

Типы фильтров:

- емкостные (типа ”С”);

- индуктивные (типа “L”)

- комбинированные LC фильтры.

Применение различных типов фильтров:

Емкостные фильтры применяются в маломощных источниках питания, предназначенных для измерения, анализа, контроля и управления при значениях выпрямленного тока менее 1 А (I_н ≤1 А).

Индуктивные фильтры используются в мощных источниках питания электродвигателей постоянного тока, дуговых печей, сварочных аппаратах и т. п., в которых значения выпрямленного тока более 1 А (I_н ≥1 А), так как они более эффективны именно в режиме больших токов.

Рассмотрим более подробно устройство вторичного электропитания (ИВЭ):

Рис 1.1. Структурная схема источника вторичного электропитания.

В ИВЭ, изображенного на рис. 1.1, могут входить следующие элементы:

Тр – трансформатор для согласования требуемых напряжений

В – выпрямительный диод или вентили, преобразующие переменный ток в пульсирующий, за счет пропускания тока только в одном направлении.

Ф – фильтры, уменьшающие амплитуду пульсации выпрямленного напряжения. Но не влияющие на его частоту.

К выходу фильтра подключается нагрузка Rн.

Основной характеристикой выпрямителя, как источника питания, является его нагрузочная характеристика, которая называется внешней характеристикой выпрямителя.

Эта характеристика представляет собой зависимость выпрямленного напряжения от величины нагрузочного (выпрямленного) тока и записывается как U_н = ƒ (I_н).

По этой характеристике для любого выпрямителя может быть определено его выходное сопротивление при номинальных значениях выпрямленного тока I_н и напряжения U_н по выражению:

Фильтр, стоящий между выпрямителем и нагрузкой, уменьшает амплитуду пульсации выпрямленного напряжения, передаваемого в нагрузку, т. е. оказывает сглаживающее действие.

Работа фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания S_ф, равным отношению коэффициентов пульсации на входе фильтра рвх (на выходе выпрямителя) и на выходе фильтра рвых (на нагрузке). Величина коэффициента сглаживания фильтра всегда больше единицы.

Sф= рвх / рвых

Параметры элементов выпрямительного устройства зависят от величины выпрямленного напряжения U_н и тока I_н нагрузки.

Схема соединения диодов выбирается, исходя из требуемой формы и величины выпрямленного тока, напряжения и типа применяемого фильтра.

В работе рассматриваются однофазные выпрямительные схемы с идеальными характеристиками элементов.

Идеализация сводится к следующему:

1. Сопротивление диода (вентиля) в проводящем направлении считается равным нулю, а в непроводящем направлении равным бесконечности. При этом потери напряжения в прямом направлении будут равны нулю, и ток в обратном направлении в непроводящую часть периода также будет равен нулю.

2. Также не учитываются потери в фильтре на активном сопротивлении реактивных элементов.

Подобная идеализация в малой степени изменяет количественное соотношение между параметрами выпрямителя, и не изменяет качественной картины происходящих процессов. Зато значительно упрощает эксперимент и понимание происходящих процессов.

В данной работе рассматриваются следующие однофазные схемы:

1. Однофазная однополупериодная (рис. 1.2).

2. Однофазная мостовая (двухполупериодная) (рис. 1.5).

В работе необходимо определить внешние характеристики выпрямителей U_н = ƒ (I_н) для всех приведенных схем при работе выпрямителя на чисто активную нагрузку, и при работе с емкостным фильтром ”Cф”, и провести сопоставление схем выпрямления.

Рис. 1.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя.

Схеме однофазного однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку, приведена на рис. 1.2. (ключ разомкнут). Схема работает следующим образом. Во время положительного полупериода переменного напряжения U_вх, к аноду диода VD приложено положительное напряжение, и диод пропускает ток в нагрузку R_н. Ток будет протекать в течение всего положительного полупериода питающего напряжения U_вх. При смене полярности напряжение U_вх, диод не будет пропускать тока и к нему будет приложено обратное напряжение, максимальное значение которого U_{обрмакс} = √2U_вх

Работу выпрямителя рассматривают с помощью временных диаграмм. Временные диаграммы для рассматриваемой схемы приведены на рис. 1.3.

Рис 1.3. Временные диаграммы напряжения однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель характеризуется следующими параметрами:

1) U_{н ср} – среднее значение выпрямленного напряжения;

2) I_{н ср} – среднее значение выпрямленного тока;

3) Р_н – мощность нагрузочного устройства;

Р_н = U_{н ср} ∙ I_{н ср}

4) р – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

5) η – коэффициент полезного действия выпрямителя

где: Р_тр – потери в трансформаторе; Р_д – потери в диодах.

6) U_{обрмакс} – обратное максимально-допустимое напряжение, приложенное к диоду в непроводящую часть периода;

U_{обрмакс} = √2∙U_вх

7) U_{осн. г}. – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения

Из временных диаграмм (см. рис. 1.3) видно, что функция пульсации несинусоидальная, поэтому применим разложение в ряд Фурье:

Частота пульсации для выпрямленного напряжения (основная гармоника первая ) равна частоте напряжения питающей сети ƒ_ог = ƒ_с., зная основную гармонику , можно рассчитать теоретический коэффициент пульсации:

Для уменьшения пульсации применяют сглаживающие фильтры. Включение в электрическую цепь накопителя электрической энергии приводит к тому, что форма тока в цепи нагрузки не соответствует форме тока диода, и существенно снижены пульсации выпрямленного напряжения.

В виде фильтра может использоваться конденсатор, включенный параллельно нагрузке (см. рис. 1.2. ключ замкнут). Принцип работы сглаживающего фильтра сводится к следующему: когда диод открыт (первый полупериод), конденсатор заряжается через низкое внутреннее сопротивление диода до U_{1 max=}√2U_вх. Во второй полупериод, когда диод закрыт, конденсатор разряжается по экспоненциальному закону и к запертому диоду будет приложено обратное напряжение U_{обрмакс} = U1max+Uc=2√2U_вх. Пример такой диаграммы представлен на рис. 1.4. Постоянная времени разрядки конденсатора определяется по формуле τразр= RнCф.

Рис. 1.4. Временная диаграмма напряжения однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром.

2. Однофазная мостовая (двухполупериодная) схема.

Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя приведена

на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя.

В этой схеме в любой момент времени, работают 2 последовательно включенных диода, либо VD₁ – VD₃, либо VD₂ – VD₄. Каждая пара диодов работает в свой полупериод, а ток в нагрузке протекает в течение двух полупериодов. Максимальное обратное напряжение, приложенное к любому диоду в непроводящую часть периода равно амплитудному значению входного напряжения:

U_{обрмакс} = √2U_вх.

Временные диаграммы напряжений для данной схемы приведены на рис. 1.6.

Рис 1.6. Временные диаграммы напряжения при двухполупериодном выпрямлении (мостовая схема)

Мостовой выпрямитель характеризуется следующими параметрами:

1) U_{н ср} – среднее значение выпрямленного напряжения;

2) I_{н ср} – среднее значение выпрямленного ток;

3) Р_н – мощность нагрузочного устройства;

Р_н = U_{н ср} ∙ I_{н ср}

4) р – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

5) η – коэффициент полезного действия выпрямителя

где: Р_тр – потери в трансформаторе; Р_д – потери в диодах.

6) U_обрmax – обратное максимально-допустимое напряжение, приложенное к диоду в непроводящую часть периода;

U_обрmax = √2∙U_вх

7) U_{осн. г}. – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения. Из временных диаграмм (см. рис. 1.6) видно, что пульсации выпрямленного напряжения значительно меньше чем в однофазном однопериодном выпрямителе. Для однофазного мостового выпрямителя разложение кривой напряжения (см. рис. 1.6) в ряд Фурье приводит к выражению:

Частота пульсации выпрямленного напряжения в 2 раза выше частоты напряжения питающей сети ƒ_ог = 2ƒ_с, зная основную гармонику (основная гармоника вторая ) , можно рассчитать коэффициент пульсаций:

Для уменьшения пульсаций здесь так же применяют сглаживающие фильтры, которые по принципу действия такие же, как в однополупериодной схеме.

В виде фильтра может использоваться конденсатор, включенный параллельно нагрузке (см. рис. 1.5. ключ замкнут). Пример такой диаграммы представлен на рис. 1.7.

Рис. 1.7 . Временные диаграммы мостового выпрямителя с емкостным фильтром.

3. ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощности. Существуют два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

Трехфазные выпрямители с нейтральным выводом

Рис. 1.8. Схема трехфазного выпрямителя с нейтральным входом

На рис. 1.8. изображена схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом. В него входят: трехфазный трансформатор, обмотки которого соединены звездой, три диода включенные в каждую из фаз трансформатора, и нагрузочный резистор R_н.

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм

(см. рис. 1.9.).

Рис. 1.9. Временные диаграммы напряжений и токов трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом

Из рисунка видно, что диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток (например, а) более положителен, чем двух других (b и c). Выпрямленный ток в нагрузочном резисторе R_н создается токами каждого диода, имеет одно и тоже направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз:

i_н = i_а + i_b + i_c.

В нагрузочном токе i_н этого выпрямителя пульсации значительно меньше по сравнению с однофазными выпрямителями. Разложив напряжение u_н в ряд Фурье, получим:

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в 3 раза больше сетевой частоты:

ƒ_п = 3 ƒ_сети = 3 ∙50 = 150 Гц

Подсчет коэффициента пульсаций дает значение 0,25

Среднее значение выпрямленного напряжения, как и для однофазного выпрямителя:

Максимальное обратное напряжение на каждом закрытом диоде равно амплитудному значению линейного напряжения:

Средний максимальный прямой ток диодов определяется выражениями

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, в которых средние значения выпрямленного тока доходят до сотен ампер, а напряжение – до десятков киловольт.

Достоинство такого выпрямителя достаточно высокая надежность, что определяется минимальным количеством диодов.

К недостаткам следует отнести подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что приводит к снижению к.п.д. выпрямителя