Міністерство освіти і науки україни

ЗАПОРІЗЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ КОЛЕДЖ ім. О.Г. Івченка

Спеціальність 5.090231

Затверджено:

Заступник директора з НВР

______________В.І.Сніжко «___»_____________2011р.

ІНСТРУКЦІЯ

до лабораторної роботи №2

Спрямувачи трьохфазної та однофазноЇ змінної напруги

З дисципліни «Електропривод та електрообладнання верстатів з ПУ та РТК»

Інструкцію розробив

Викладач __________ (Підопригора О. А.)

2011

1. Мета роботи

Мета роботи - вивчити принцип дії і практично ознайомитися з властивостями випрямлячів однофазного і трифазного змінного напруги, фільтрів і стабілізатора напруги.

2 Обладнання:

Програмний комплекс EWB 10.0

3. Теоретичні положення

Випрямлячем називається пристрій, що перетворює змінну напругу в несинусоїдальної постійне (випрямлена), а середнє значення (постійна складова) цієї напруги користується споживачем постійного струму. Наявність змінних складових (пульсацій) в результаті перетворення неминуче. Різними заходами пульсації можуть бути зменшені до як завгодно малих значень. Одним із способів зменшення пульсацій є застосування фільтрів випрямленої напруги. Подальше поліпшення якості перетворення може здійснюватися у схемі стабілізатора напруги. Розглянуті в роботі схеми служать основою побудови більшості джерел живлення, що використовуються в самих різних областях техніки. Вони забезпечують постійною напругою живлення електромашинні приводи механізмів, технологічні процеси, електронні пристрої. Знання властивостей джерел живлення необхідно інженеру для грамотної їх експлуатації.

Основним елементом схем випрямлення є діод (вентиль). Діодом називається нелінійний елемент, що володіє дуже малим опором протіканню струму в прямому напрямку порівняно із зворотним. В даний час найбільшого поширення набули напівпровідникові діоди. Їх властивості визначаються р-n-переходом - контактом двох областей напівпровідникового матеріалу з різними типами провідності: електронної та діркової.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) напівпровідникового діода, наприклад Д229Б, зображена на рис.1. це залежність I=f(V). Для зазначених напрямків позитивні струм і напруга називаються прямими, негативні - зворотними.

Рис.1

Основними параметрами діодів є максимальний струм Iпр.max і допустиме значення зворотної напруги Uобр. Номінальний струм вказується як середнє значення (постійна складова) прямого струму. При протіканні через. діод прямого струму, рівного номінальному, падіння напруги на ньому для більшості діодів не перевищує одного вольта. Прикладена до діода зворотне напруга викличе зворотний струм величиною від декількох мікроампер до міліампер.

Надалі при розгляді принципу роботи схем випрямлення і фільтрів будемо вважати діоди ідеальними, тобто пряме падіння напруги на них і зворотний струм рівними нулю.

Однополуперіодна схема випрямлення однофазного змінного струму містить один діод (рис.2). Вхід схеми підключається до вторинної обмотці трансформатора, а до вихідних клем схеми підключається навантаження.

Рис.2

Напруга на вході схеми випрямлення синусоїдальна

При позитивному значенні цього напруги у вторинному ланцюзі трансформатора буде протікати струм, що є для діода прямим. У цей інтервал часу UH(t)=U2T(t), так як Uv(t)=Vnp~0. При негативній напрузі у вторинній обмотці трансформатора до діода буде докладено зворотна напруга.

Періодичне повторення цих процесів формує на навантаженні несінусоідалиюе випрямлена напруга UH(t) . При аналізі воно видається розкладанням в ряд Фур'є за складовими

(1)

де Uнср - постійна складова (середнє значення);

Umn - амплітуда змінної складової.

постійна складова є корисним постійною напругою, результатом перетворення змінного синусоїдального напруги. Значення постійної складової

(2)

Отримали співвідношення, що зв'язує значення постійної складової випрямленої напруги з діючим значенням змінної синусоїдальної напруги на вході.

Змінні складові випрямленої напруги утворюють пульсації, які характеризуються частотою і різницею максимального і мінімального значень напруги за період. Для даної схеми випрямлення їх частота 50 Гц.

При розрахунку випрямляча заданим параметром є значення постійної напруги навантаження. Діод вибирається по номінальному струмі і зворотному напрузі.

Однофазна бруківка схема випрямлення представлена ​​на рис.3. До неї підводиться напруга U2Т(t) = Umsinωt, а навантаження R підключена до вихідних клем.

У половину періоду, коли напруга U2Т(t) позитивно, в ланцюзі трансформатор - діод V1 - навантаження Rн - діод V4 протікає струм, а його величина обмежується опором навантаження. Тому в даний інтервал часу. пропускають струм діоди V1, V4 мають Uv(t) = Vnp ~ 0 , а напруга U2r(t) приложено до діодів V2 та VЗ як зворотне.

У другу половину періоду, коли змінну напругу негативно, струм протікає в ланцюзі трансформатор - діод V3 - навантаження Rн - діод V2 . У цей відрізок часу UH(t) = U2T(t) , а до діодів V1 та V4 це напруга докладено як зворотне.

Періодичне повторення цих процесів визначає несинусоїдальної напруга Uм(t) = U2T(t). Постійна складова

Рис.3

Випрямлена напруга має пульсації UH, a частота їх 100 Гц - в два рази більше частоти змінної напруги. Постійна складова струму кожного з діодів дорівнює половині струму UHCР.

Схема випрямлення застосовується для живлення постійною напругою пристроїв невеликої потужності (від одиниць до десятків і сотень ват), зокрема електронних пристроїв.

Рис.4

Вхідними напругами схеми випрямлення є лінійні напруги Uab(t) , Ubc(t) Uca(t) , представленні на графіках.

Струм в групі діодів V1, V3, V5 може протікати тільки через один з них, який виявляється підключеним до точки з найбільш низьким потенціалом. При цьому до двох інших діодів цієї групи прикладається зворотня напруга, що створюється високим потенціалом точки К і низькими потенціалами двох інших фаз. Потенціал точки До буде по черзі дорівнює найбільш високому потенціалу точок a, в або с.

У групі діодів V2, V4, V6 струм може протікати тільки через одні з них, підключений до точки з найбільш низьким потенціалом. Потенціал точки m буде по черзі рівним найбільш низькому потенціалу точок а, в або с.

(5)

де TП=T/6.

Як видно з графіків потенціалів точок a, b и c (рис.4), для лінійного вторинної напруги трансформатора. Тому

(6)

Випрямлена напруга має пульсаціі.Как видно з графіків потенціалів, пульсації ΔUН як різниця максимального і мінімального значень UН(t) рівні

(7)

где - Випрямлена напруга має пульсаціі.Как видно з графіків потенціалів, пульсації ΔUН як різниця максимального і мінімального значень

Струм в ланцюгах схеми випрямлення протікає через 2 діоди, і кожен з них знаходиться в провідному стані 1 / 3 періоду частоти напруги живлення.

Тому вибір діодів по номінальному току здійснюється:

(8)

Випрямлена напруга на навантаженні Uн (t) є різницею потенціалів точок до і m і укладено між огинають графіків ЕРС. Постійна складова цієї напруги

(9)

Напруга на діоді V1 є різницею потенціалів точок а й до відрізок часу проводить стану діода. В інший час к. Діоду докладено зворотна напруга, амплітуда якого досягає Vm.

Трифазна мостова схема випрямлення знаходить широке застосування для живлення постійною напругою різних пристроїв електрообладнання потужністю до десятків кіловат.

Як видно з аналізу роботи схем випрямлення, отримання постійного напряму випрямленої напруги пов'язане з наявністю в цій напрузі пульсацій. Якщо споживач постійної напруги ставить вимогу обмеження пульсацій, то для їх зменшення застосовуються фільтри. Найпростішими з них є ємнісний і індуктивний.

Ємrістю фільтр утворюється конденсатором, підключеним до вихідних клем схеми випрямлення, тобто паралельно навантаженню (рис.5). Напруга на навантаженні в цьому випадку є напругою на конденсаторі. Воно визначатиметься процесами заряду і розряду конденсатора тому носить згладжений плавний характер.

Рис.5

Процеси зміни напруги на конденсаторі і струмів в ланцюгах вказані на рис.5. При аналізі трансформатор з схемою випрямлення можна вважати за джерело напруги. Розглянемо процеси періодичних змін напруги, що встановилися, на конденсаторі.

При підвищенні напруги U2T(t) настане момент часу, коли воно стане рівним напрузі на конденсаторі Uc(t). Подальше підвищення напруги визначить процес заряду конденсатора, тобто підвищення напруги на нім.

Для конденсатора з ємністю С цей процес характеризується постійною часу Tп = CR, де R - опір ланцюга заряду. Воно мале і при аналізі може бути прийнято рівним нулю, т. e. Tп = 0. Тому з моменту t1 напруга Uc(t) буде напрузі U2T(t), що рівно змінюється. Починається інтервал часу заряду конденсатора і протікання струму через пару діодів V1 і V4.

Зниження напруги на конденсаторі, що розряджається на резистор RH, описується рівняння

де Tп – постійна часу процеса.

На початку зниження напруги U2T(t) швидкість його зменшення буде мала і напруга Uс(t) як і раніше дорівнюватиме йому. З моменту часу t2 процеси зміни цієї напруги стануть різними.

Конденсатор розряджається на опір Rн до моменту t1 наступного періоду зміни напруги U2T(t). Далі процес заряду конденсатора аналогічний, але струм заряду протікає через діоди VЗ і V2. Періодичне повторення процесів заряду і розряду конденсатора визначає характер зміни напруги на навантаженні Rн.

Вибір діодів в схему випрямляча по номінальному струму і зворотній напрузі часто вимагає поправочних коефіцієнтів до відповідних формул. Струм через діоди за наявності ємнісного фільтру протікає короткими імпульсами. При виборі діодів тільки по постійній складовій в р-п- переході під час імпульсу можуть виникати небезпечні локальні перегрівання. У ряді схем випрямлення застосування ємнісного фільтру призводить до збільшення зворотної напруги на діодах. У довідковій літературі наводяться значення необхідних поправочних коефіцієнтів.

Ємнісною фільтр широко використовується в джерелах живлення електронних пристроїв.

Індуктивним фільтром являється котушка з феромагнітним сердечником, що називається дроселем. Дросель включається послідовно в ланцюг струму навантаження (рис.6). Індуктивність дроселя призводить до зменшення пульсацій за рахунок дії ЭДС самоіндукції.

Розгляд процесів в ланцюзі навантаження випрямляча з індуктивним фільтром виконаємо, застосувавши широко використовуваний в електроніці метод аналізу по окремих гармонійних складових струмів і напруги.

Рис.6

Напруга на вході схеми несинусоїдальна. Представлення цієї функції у вигляді ряду Фур'є є рівнянням, що відповідає рівнянню в загальному вигляді:

(15)

Постійна складова цієї напруги викличе відповідну складову струму навантаження:

(16)

Амплітуда кожної із складових струму навантаження буде

(17)

де n =2,4,6... - номер гармонійної складової відповідно 100, 200, 300 Гц і т.д.

Підсумовуючи усі складові, отримаємо аналітичне вираження Uн(t). Принципово струм навантаження матиме однаковий з напругою U2(t) гармонійний склад. Але зростання індуктивного опору дросcеля зі збільшенням номера гармоніки приведе до значного зниження амплітуд вищих гармонік. Практично при деякому значенні струму Iнср ними можна нехтувати.

Згладжуюча дія фільтру залежить від величини. У режимі холостого ходу струм в ланцюзі дроселя не протікає, UH(t)=Ut(t)~0 фільтр не діє. Підключення навантаження Rн і подальше зменшення її опору призводить до відносного зростання індуктивного опору в повному опорі - ланцюзі навантаження. Забезпечується підвищення ефективності роботи фільтру.

За основу розрахунку індуктивності дроселя часто береться несумірність опорів для першої гармонійної складової в режимі номінального струму навантаження.

Окремо дросель як фільтр застосовується рідко. В умовах живлення постійним струмом різних облаштувань електроустаткування індуктивним фільтром є індуктивність навантаження. Наприклад, індуктивність обмотки збудження електродвигуна, обмотки тягового електромагніту.

Стабілізатор напруги. У ряді випадків забезпечення споживачів постійним напряженнем ставиться завдання стабілізації цієї напруги. Без стабілізації напруга на навантаженні повністю містить відносні зміни напряму живлячої мережі вважається при збільшенні споживаного навантаженням струму і може містити пульсації. Стабілізація зменшує як зміни Uнср пульсації до дуже малих значень.

Схеми напівпровідникових стабілізаторів виконуються на основі використання стабілітрона. Стабілітрон - це кремнієвий діод c певною технологією виготовлення р-n -перехода. Його ВАХ має ділянку стабільної напруги (рис.7). Параметрами стабілітрона є: стабілізація (від одиниць вольт до 180 В), мінімальний і максимальний струм стабілізації; допустима потужність, що виділяється на стабілітроні в режимі на гілці стабілізації. Непаралельність гілки стабілізації ВАХ по відношенню до осі струму визначається диференціальним опором дуже малого значення. Для прямого струму і напруги стабілітрон володіє ВАХ звичайного малопотужного кремнієвого діода.

Рис.7 Рис.8

Одним з типів стабілізаторів є параметричний стабілізатор напруги.(рис.8).У схемі стабілітрон, робочий режим якого вибраний на гілці стабілізації його MX. Опір навантаження Rн підключається до вхідних клем стабілізатора, тобто паралельно стабілізатору. Напруга Rн є напругою на стабілітроні. Із-за малого значення диференціального опору воно мало міняється при зміні режиму. Різниця вхідної напруги і стабілізованої напруги на навантаженні падає на резисторі R1 .

Кількісно стабілізуючі властивості з'ясовуються застосуванням графоаналітичного методу розрахунку ланцюгів з нелінійними елементами. Аналізована cxeмa розділяється на лінійну частину і нелінійний елемент

(рис.9).

Рис.9

Зміни Rн не вплинуть на положення точки 2. Координати ж точки 1 будуть різними. У режимі холостого ходу стабілізатора. У режимі номінального навантаження стабілізатора, наприклад, при Rн=R1 координата Uab=0,5 Uвх (точка 1').Як видно з графічної побудови прийнятий діапазон зміни викличе незначну зміну напруги на стабілітроні.

Стабілізація напруги на навантаженні при нестабільності вхідної напруги характеризується коефіцієнтом стабілізації:

При цьому ΔUвх може бути як випадковою зміною вхідної напруги, так і пульсаціями.

Використовуючи параметричний стабілізатор, важко отримати коефіцієнт стабілізації більше 5-6. Кращі стабілізуючі властивості мають стабілізатори із складнішими схемами.

Напівпровідникові стабілізатори, як правило, застосовуються для отримання стабільної напруги живлення електронних і вимірювальних облаштувань порівняно невеликої потужності до десятків ватів.

Зовнішня характеристика випрямляча. Кожне джерело електроенергії характеризується зовнішньою характеристикою - залежністю напруги на його вихідних клемах від струму навантаження. Для випрямляча вона формується для постійних складових,

Ця характеристика показує напругу в режимі холостого ходу випрямляча і міру його зниження під навантаженням (рис.10).

При аналізі роботи кожної з схем випрямлення коефіцієнти зв'язку Uнср і U2T, рівні 0,45; 0,9 і 1,35, були отримані . без урахування опорів елементів схеми, що утворюють внутрішній опір випрямляча. Тому вони справедливі для режиму холостого ходу. Під навантаженням при номінальному струмі в облаштуваннях середньої і невеликої потужності ця напруга знижується на 10...15%.

Підключення ємкісного фільтру збільшує значення Uнср в режимі холостого ходу до I, 4. З ростом струму навантаження з'являються і збільшуються пульсації пов'язані зі збільшенням міри розряду конденсатора при збереженні амплітуди. Тому середнє значення Uнср досить швидко знижується. Зовнішня характеристика м'яка. Нахил її залежить від величини пульсацій при номінальному струмі, тобто від вибраної місткості конденсатора.

Підключення індуктивного фільтру збільшує нахил зовнішньої характеристики за рахунок збільшення впровадженого опору випрямляча.

Підключення до випрямляча стабілізатора робить напругу на навантаженні стабільною. Зовнішня характеристика стає жорсткою з малим нахилом. Відповідний аналіз виконаний раніше і показаний на рис.9. Як видно з побудов на цьому малюнку застосування стабілізатора дозволяє отримати стабільну напругу на навантаженні тільки при значно більшій вхідній напрузі. Тому при дослідженні зовнішніх характеристик на лабораторному стенді підключення стабілізатора істотно знижує величину напруги на навантаженні.

Рис.10