Лабораторный практикум 31 32 33 34

4

Лабораторная работа №31 НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Цель работы: ознакомиться с назначением, принципом действия, функциональными схемами выпрямительных устройств и получить практические навыки их экспериментального исследования и определения параметров выпрямителей по полученным данным.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРЕМЕНТА

1.1 Назначение

Основной элемент устройств электропитания – выпрямительное устройство (выпрямитель), предназначенное для преобразования временного напряжения в постоянное. Выпрямители используются: для заряда аккумуляторных батарей, в технологических целях – для питания гальванических ванн, электрохимических установок. Они являются источниками питания двигателей постоянного тока, контрольно-измерительной техники, устройств автоматики и промышленной электроники.

1.2 Функциональная схема выпрямительного устройства

На рисунке 1 приведена функциональная схема выпрямительного устройства, которое помимо схемы выпрямления, состоящей из одного или нескольких вентилей, включает в себя силовой трансформатор и сглаживающий фильтр.

Рисунок 1 – Блок-схема регулируемого выпрямителя

Трансформатор служит для преобразования напряжения U1 , первичного источника (обычно – промышленная сеть переменного тока) в U2 (обеспечивающее заданное значение постоянного напряжения U0 ) и гальванической развязки потребителя от сети. Габаритномассовые показатели трансформатора зависят от частоты сети fc , мощности P0 U0I0 и от-

ношения U2 .

U1

Схема выпрямления (система вентилей, включенных по определенной схеме) преобразует переменный ток в пульсирующий (содержащий постоянную и переменную составляющие).

Фильтр служит для уменьшения (сглаживания) пульсаций выпрямленного напряжения Um (k) до величины, допустимой для нормальной работы потребителя, т.е. для преобразования пульсирующего напряжения в постоянное. Источник переменного напряжения (промышленная сеть), схема выпрямления, фильтр, потребитель (нагрузка) составляют единую систему, требования, к элементам которой должны быть взаимно согласованы. Для нормального функционирования потребителя (двигателя, устройств автоматики и т. д.) источник пи-

5

тания - выпрямитель должен удовлетворять совокупности полностью его характеризующих показателей, по которым он может быть выбран (или изготовлен) для питания конкретного потребителя.

1.3 Параметры выпрямителей

Выпрямители характеризуются выходными параметрами: номинальным средним значением выпрямленного напряжения U0ном , номинальным средним значением выпрямленного тока I0ном , коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения KП , частотой основной

(первой) гармоники выпрямленного напряжения fП , выходным (внутренним) сопротивлением выпрямителя RB , коэффициентом полезного действия .

Номинальные U0, I0 – заданные значения выходного напряжения и тока выпрямителя, обеспечивающие нормальное функционирование питаемого устройства.

Выходное сопротивление выпрямителя можно определить из внешней характеристики выпрямителя UH f IH , т. е. зависимости напряжения на нагрузке U0 I0 от тока нагрузки IH I0 :

где U0 – изменение напряжения на нагрузке, обусловленное изменением тока I0 . Коэффициентом пульсаций называется отношение амплитуды k-й гармоники вы-

прямленного напряжения Um (k) , (несинусоидальное напряжение может быть представлено в

виде гармонического ряда U0(t) U0 Um(k)x , где коэффициенты ряда Фурье U0 , Um(k) – по-

k 1

стоянная составляющая и амплитуда k-й гармоники выпрямленного напряжения) к среднему значению:

большими техническими трудностями. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения определяется схемой выпрямления. Для однофазной, двухфазной и трехфазной схем соответственно KП (1) 1,57 , KП (1) 0,67 , KП (1) 0,25, a для однофазной и трехфазной мостовых схем KП (1) 0,67 и KП (1) 0,057 соответственно. Практически KП определяется путем измерения Um (с помощью осциллографа) и U0 (магнитоэлектрическим вольтметром, показания которого раны среднему значению постоянной составляющей измеряемого напряжения) и в этом случае Um(1) Um /2, а

Помимо этих основных электрических параметров выпрямители характеризуются стоимостными, габаритно-массовыми и другими показателями.

1.4 Однофазные выпрямители

Однофазная схема выпрямления

Схема однофазного однотактного (однополупериодного) выпрямителя приведена на рисунке 2, а. Выпрямитель состоит из однофазного двухобмоточного трансформатора Tp ,

6

полупроводникового диода-вентиля VD и нагрузки RH определяется по заданным U0 UH и

I0 IH , т.е. RH UH /IH .

Для качественного анализа параметров выпрямителя рассмотрим временные диаграммы напряжений и токов в элементах, схемы, имея в виду, что зависимость тока через вентиль iB UB от приложенного к нему напряжения UB U2 нелинейная. Как это видно из

вольтамперной характеристики (ВАХ) диода (рисунок 3) вентиля, он проводит ток преимущественно в одном направлении - от анода к катоду. Такое направление считается прямым и характеризуется величинами UПР , IПР , при этом потенциал анода выше потенциала катода. Другое направление тока, от катода к аноду (Uобр , Iобр – третий квадрант на рисунке 3), счи-

тается обратным. Расчет выпрямителя, основанный на полном учете параметров вентилей, получается неоправданно сложным, и с целью его упрощения ВАХ вентилей обычно аппроксимируют кусочно-линейными зависимостями.

При Uпр UH и Iобр Iпр (обычно 0,3 В Uпр 1 B , 10 8 A Iобр 10 5 A) реальный вентиль в схемах замещения заменяется на идеальный вентиль (ИВ), ВАХ которого приведена на рисунке 4.

Пренебрегая индуктивностью рассеяния и активным сопротивлением обмоток трансформатора, получим временные диаграммы (рисунок 2, б), иллюстрирующие принцип рабо-

сокий уровень пульсаций, низкий КПД ( 32%) и обычно используется для питания маломощных потребителей (кинескопы, электронно-лучевые трубки).

Мостовая схема выпрямления

На рисунке 5 приведена однофазная (двухполупериодная, двухтактная) мостовая схема выпрямления. Она состоит из однофазного трансформатора TP , четырех вентилей V1 V4 , включенных по мостовой схеме, и нагрузки выпрямителя RH . Действие схемы поясняется на рисунке 5, (б), где показаны формы токов и напряжений в различных сучениях идеализированной схемы.

Допустим, что напряжение ни вторичной обмотке трансформатора изменяется в соответствии с рисунком 5, б. Тогда в течение первого полупериода к вентилям V1 и V3 будет приложено прямое напряжение (а к вентилям V2 и V4 – обратное) и в цепи, образованной вторичной обмоткой трансформатора, вентилями V1 , V3 и нагрузкой, будет проходить импульс тока iB2 (рисунок 5, б).

7

Рисунок 2 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (а), временные диаграммы (б), внешняя характеристика (в)

Рисунок 3 – Вольт-амперные характеристики вентиля

8

Рисунок 4 – Вольт-амперные характеристики реального вентиля

Форма напряжения на RH будет повторять форму U2 (t). При t происходит смена полярности напряжения U2 (t) и при t 2 вентили V2 , V4 проводят ток, а V1 , V3 заперты. В нагрузке проходит импульс тока iB2 , направление которого совпадает с iB1 , а во вторичной обмотке трансформатора iB2 направлен навстречу iB1 (рисунок 5, б). Поэтому их постоянные составляющие компенсируются, а трансформатор работает в режиме без постоянного подмагничивания, в отличие от схемы однополупериодного выпрямления (рисунок 2). Таким образом, за период преобразуемого напряжения T 1/ fc в Rn проходят два импульса тока и, следовательно, частота пульсаций 1-й гармоники выпрямленного напряжения fn . Средние составляющие U0 и I0 в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе, что является важным достоинством такой схемы выпрямления.

1.5 Сглаживающие фильтры

Для уменьшения уровня пульсаций (переменной доставляющей) выходного напряжения выпрямителя используются реактивные фильтры. Сглаживающие фильтры включаются между выпрямителем и нагрузкой и характеризуются коэффициентом сглаживания:

где КП вх , КП вых – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Сглаживающие фильтры запасают энергию в моменты времени, когда напряжение на их входе максимально, и отдают её при уменьшении выпрямленного напряжения. Накопление (запасание) энергии можно осуществить лишь в реактивных элементах (катушках индуктивности или конденсаторах), поэтому фильтры реализуются из различного числа L, C, R, элементов, в зависимости от требований к КП вых . Коэффициент сглаживания (и габаритно-

массовые показатели фильтра) зависит от схемы фильтра, требований к КП вых , величины U0 ,

I0 , а также от КП вх , т.е. от схемы выпрямления. Выпрямители без фильтров используются в

случаях, когда пульсации выпрямленного напряжения не сказываются на работе устройств, например для питания электродвигателей, реле, электромагнитов, гальванических ванн и т.д. Схемы наиболее широко используемых фильтров приведены на рисунке 6.

9

Рисунок 6 – Схемы фильтров: а - емкостного; б – индуктивного; в, г – Г-образных RC и LC; д,

е– П-образных CLC и CRC

Вустройствах малой и средней мощности используются фильтры, начинающиеся с емкости. Емкость конденсатора фильтра выбирают изусловия

RH 10,

Xc

чения тока ImB между выпрямителем и конденсатором фильтра включается резистор Rф (ри-

сунок 6, в). Включение Rф несколько уменьшает КПД и напряжение на нагрузке.

При индуктивном характере нагрузки (индуктивность включена последовательно с нагрузкой, рисунок 6, б) ЭДС самоиндукции противодействует изменению тока нагрузки. Индуктивность фильтра выбирают из условия L 5RH , а так как RH U0 /I0 , такие фильтры целесообразно использовать при больших токах нагрузки I0 1A.

11

В выпрямителях малой мощности, как правило, используются фильтры, начинающиеся с емкости. Внешняя характеристика выпрямителя U0(I0) менее жесткая, чем при работе на активно-индуктивную нагрузку. При работе на индуктивность внешняя характеристика более стабильна и вентили не подвергаются перегрузке по току.

2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная электрическая схема стенда для исследования, выпрямительных устройств приведена на рисунке 7. Стенд позволяет изучить свойства однотактных и двухтактных однофазных, а также двухфазной однотактной схем выпрямления при работе на активную нагрузку без фильтра и с простыми CL двухзвенными П-образными CLC , CRC фильтрами. Переключатели S1 и S2 служат для выбора типа исследуемой схемы выпрямления, а S3 S5 для подключения фильтра и нагрузки. Среднее напряжение U0 нагрузки измеряется вольтметром H2 , а ток I0 – амперметром H1 (магнитоэлектрической системы).

Для измерения (и визуального наблюдения) переменных составляющих тока i(t) и напряжения в отдельных элементах схемы предусмотрены гнезда X1 X8 для подключения осциллографа. Для снятия осциллограммы тока через вентиль последовательно с ним включен резистор R1 (R1 10 Ом) .

Рисунок 7 – Схема экспериментальной установки

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с принципом действия, параметрами и схемой экспериментальной установки.

2.Включить схему выпрямления (по заданию преподавателя).

3.Включить питание стенда и, изменяя ток нагрузки, записать в таблицу 1 величины U0 ,

I0 , Um (Um измеряется с помощью осциллографа). Зарисовать форму напряжения uH (t), подключить осциллограф к клеммам X7 , X8 на резисторе RH при работе выпрямителя на активную нагрузку (все элементы фильтра выключены).

12