МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ» Факультет «Кибернетика и информационная безопасность» Кафедра «Экология, безопасность жизнедеятельности и электропитание» Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ Для студентов бакалаврских программ подготовки очной (заочной) формы обучения (направление подготовки: 11.03.02, 09.03.02, 10.03.01, 15.03.04, 27.03.04) Москва 2023 г. Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ Для студентов бакалаврских программ подготовки очной (заочной) формы обучения (направление подготовки: 11.03.02, 09.03.02, 10.03.01, 15.03.04, 27.03.04) Авторы: С.Л. Яблочников С.Л., профессор. К.Ф. Шакиров, старший преподаватель. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры ЭБЖиЭ Протокол №12 от 30 июня 2023 г. Зав. кафедрой ЭБЖиЭ / Яблочников С.Л. / Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами, наиболее часто встречающихся на практике, однофазных схем выпрямления. 1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.Выпрямительные устройства (ВУ). Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Традиционная схема выпрямителя приведена на рис. 1. Тр ВБ U1 U2 U1 U2 t СФ U01 u0 Нагрузка u0 U01 Umk t t Uн t Рис.1 Структурная схема ВУ, выполненного по традиционной схеме. Выпрямительное устройство состоит из трех основных устройств: ТР – низкочастотный трансформатор, работающий на частоте f = 50 Гц; ВБ - вентельный блок, чаще всего он строится на основе полупроводниковых устройств неуправляемых диодов или управляемых тиристоров, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении. СФ – сглаживающий фильтр, представляющий собой фильтр нижних частот. Трансформатор ТР выполняет несколько функций: - изменяет напряжение источника (сети) U1 до значения, необходимого для вентильной группы (𝑈2 ); - электрически отделяет потребителя от источника (сети), что позволяет создать несколько напряжений гальванически не связанных между собой; - преобразует число фаз переменного тока. Вентильный блок ВБ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. В выпрямительных устройствах используют полупроводниковые управляемые (тиристоры) и неуправляемые (диоды) вентили. Обозначение диода приведено на рис. 2 а. Свойства диода определяются его вольтамперной характеристикой ВАХ, которая приведена на рис. 2б. для идеального и реального вентиля. Идеальный диод в отличие от реального обладает односторонней проводимостью. При положительном потенциале анода относительно катода (прямое напряжение) через диод протекает ток в прямом направлении 𝐼пр (сопротивление диода равно нулю 𝑅пр = 0 ). При обратном напряжении, когда потенциал анода отрицателен, сопротивление идеального диода 𝑅обр = ∞ и вентиль не пропускает ток 𝐼обр = 0. ВАХ зависит от температуры окружающей среды и электронно-дырочного перехода. На рис. 2 б. приведена ВАХ диода при t=+50℃ (пунктирная линия) и при t=+20℃ (сплошная линия). Рис. 2 а. Условное обозначение диода. б) Рис. 2 б. Вольт-амперная характеристика идеального и реального диода. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения или тока до величины, допустимой для работы нагрузки. Кривая выпрямленного напряжения представляет собой периодическую несинусоидальную функцию, которая содержит постоянную и переменную составляющие. Разложение кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье дает следующее выражение: ∞ 𝑢0 = 𝑈н + ∑ 𝑈𝑚𝜅 sin(𝜅𝑚𝜔 + 𝜑𝜅 ) 𝜅=1 где 𝑈н - постоянная составляющая выпрямленного напряжения; 𝑈𝑚𝜅 - амплитуда 𝜅 -й гармоники; 𝜑𝜅 - фазовый сдвиг 𝜅 -й гармоники; 𝜅 - номер гармоники; 𝜔 = 2𝜋𝑓 – круговая частота напряжения сети; 𝑚 - число фаз выпрямления. По тому, сколько раз за период работает каждая фаза вторичной обмотки трансформатора, выпрямительные устройства различаются на однотактные и двухтактные. В однотактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки трансформатора в течение периода работает только один раз и ток в каждой фазе имеет постоянную составляющую. В двухтактных же каждая фаза вторичной обмотки работает за период два раза. При этом токи, протекающие через обмотку за период, имеют равные величины, но противоположное направление. Поэтому в каждой фазе трансформатора двухтактного ВУ нет постоянной составляющей. 2.Однофазная однополупериодная однотактная схема выпрямления (работа ВУ на активную нагрузку). При данном подключении анод вентиля VD подключен к началу вторичной обмотке трансформатора . Нагрузка 𝑅н включена между катодом вентиля и концом вторичной обмотки трансформатора. Схема представлена на рис. 3, а. VD + (-) Tр i0 U1 Rн U2 - (+) U0 а) Рис. 3, а. Однополупериодный выпрямитель (принципиальная электрическая схема выпрямителя). При включении данного выпрямителя в сеть синусоидального тока во вторичной обмотке трансформатора наводится синусоидальная ЭДС. Эта ЭДС и напряжение 𝑈2 (рис. 3, б) будут одинаковы по величине и форме (вентиль и трансформаторы принимаются, как идеальные). В интервале от 0 до 𝜋 анод диода VD находится под положительным потенциалом, вентиль открыт и под действием напряжения 𝑈2 через вторичную обмотку трансформатора, открытый вентиль и активную нагрузку протекает ток 𝑖0 . Вентиль идеальный, потери напряжения на нем равны нулю и, следовательно, проходя по нагрузке ток, 𝑖0 создает на ней падение напряжения, равное мгновенному значению 𝑈2𝑚𝑎𝑥 (рис. 3, г). Вентиль открыт, пока его анод положителен по отношению к катоду, т.е. на интервале от 𝜔𝑡1 = 0 до 𝜔𝑡2 = 𝜋 в течение первого периода, а также во все другие положительные полупериоды напряжения 𝑈2 . Полярность положительного полупериода выпрямляемого напряжения показана на рис. 3, а. знаками «+» и «-». При смене полярности напряжения анод вентиля становится отрицательным относительно катода. На интервале от 𝜔𝑡2 = 𝜋 до 𝜔𝑡3 = 2𝜋 вентиль находится под обратным напряжением, амплитуда которого для данной схемы равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке. Таким образом, ток нагрузки 𝑖0 получается пульсирующим. Он имеет форму однонаправленных импульсов (рис. 3, в) длительностью в половину периода. Такова же форма выпрямленного напряжения 𝑈0 (рис. 3, г) Выпрямленное напряжение содержит как постоянную составляющую 𝑈0 , так и ряд гармонических составляющих, создающих пульсацию. Число фаз выпрямления равно единице, так как за один период питающего напряжения через нагрузку проходит один импульс тока. Постоянная составляющая тока нагрузки 𝐼0 проходит по вторичной обмотке трансформатора, подмагничивая сердечник. Подмагничивание сердечника ухудшает параметры трансформатора – возрастают потери в стали и ток холостого хода трансформатора. Что бы избежать этого увеличивают сечение сердечника, что в свою очередь вызывает увеличение габаритов и массы трансформатора. Постоянная составляющая 𝐼0 тока 𝑖2 в отличие от переменных не трансформируется в первичную обмотку трансформатора. Для определения величины и формы тока в первичной обмотке необходимо вычесть из тока вторичной обмотки 𝑖2 постоянную составляющую и мгновенные значения полученного тока изменить n раз, т.е. 𝑖1 = (𝑖2 − 𝐼0 )/𝑛тр , 𝑛тр =𝑈1 /𝑈2 – коэффициент трансформации. График изменения тока первичной обмотки показан на рис. 3, д. Достоинства схемы: - простота; - минимальное число элементов; - невысокая стоимость; - возможность работы без трансформатора. Недостатки: - низкая частота пульсации; - высокое обратное напряжение на вентиле; - вынужденное намагничивание трансформатора; - не работает на индуктивную нагрузку. U2 π 2π 0 3π ωt б) i2, i0 I2max I0 ωt 0 в) u0 U2max U0 ωt 0 г) i1 ωt 0 д) uобр ωt 0 U2max е) Рис. 3 (б - е). Однополупериодный выпрямитель (диаграммы токов и напряжений, поясняющих работу устройства). б – напряжение вторичной обмотки; в – ток вентиля, вторичной обмотки и нагрузки; г – напряжение на нагрузке; д – ток первичной обмотки; е – обратное напряжение на вентиле. 3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой во вторичной обмотке трансформатора при питании от однофазной сети переменного тока (работа ВУ на активную нагрузку). + (-) U21 Tр U1 VD1 i01 i02 i01 R н U0 i02 i01 - (+) + (-) U22 i01 i02 VD2 i02 i02 i02 - (+) а) Рис. 4, а. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора ( принципиальная электрическая схема выпрямителя). Выпрямитель состоит из трансформатора ТР вентилей VD1 и VD2 (рис. 4, а). Трансформатор имеет одну первичную обмотку и вторичную обмотку с выводом от средней точки. В данной схеме вторичную обмотку можно рассматривать как две одинаковые вторичные обмотки, соединенные между собой. Схема представляет собой сочетание двух однополупериодных схем выпрямления, работающих на общую нагрузку поочередно. Так как фактически у трансформатора две вторичные обмотки и каждая из них работает только в один полупериод, то эту схему можно назвать двухфазной однотактной схемой. При включении ВУ в сеть переменного тока во вторичных обмотках индуцируется ЭДС. Тогда в первый полупериод на интервале от 𝜔𝑡1 = 0 до 𝜔𝑡2 = 𝜋 напряжение на вторичной обмотке будет сориентировано так: верхний конец вторичной обмотки положителен относительно нулевой точки, а нижний конец той же обмотки отрицателен (рис 4, а). В этом случае вентиль VD1 будет открыт, так как его анод положителен по отношению к катоду. От нулевой точки по верхней половине вторичной обмотки трансформатора через первый вентиль VD1, нагрузку и опять к нулевой точке вторичной обмотки потечет ток 𝑖0 = 𝑖01 ( рис. 4, в). Вентиль VD2 будет закрыт отрицательным напряжением (рис. 4, ж). Во второй полупериод на интервале от 𝜔𝑡2 = 𝜋 до 𝜔𝑡3 = 2𝜋 напряжение на вторичных обмотках изменит свою полярность, откроется вентиль VD2, а вентиль VD1 закроется. Ток потечет от нулевой точки по нижней половине вторичной обмотки через вентиль VD2, через нагрузку к нулевой точке 𝑖0 = 𝑖02 (рис. 4, г). Вентили работают поочередно, а ток через нагрузку проходит все время в одном направлении (рис. 4, д), создавая на ней напряжение 𝑢0 . Кривые тока 𝑖0 и напряжения 𝑢0 совпадают по форме, но имеют разный U21 U22 U21 U22 π 2π 3π 0 ωt б) i01 iVD1 ωt 0 в) i02 iVD2 ωt 0 г) u0 u0 i0 i0 U0 I0 ωt 0 д) i1 ωt 0 е) Uобр VD1 Uобр VD2 ωt 0 Uобр VD2 Uобр VD1 Uобр VD2 Uобр VD1 ж) 2U2m Рис. 4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора (диаграммы токов и напряжений, поясняющих работу устройства). б - напряжение на вторичных обмотках; в – ток первого вентиля; г – ток второго вентиля; д –ток и напряжение на нагрузке; е – ток первичной обмотки; ж – обратное напряжение на вентилях. масштаб. В этой схеме через нагрузку за один период питающего напряжения проходят два импульса тока, поэтому число фаз выпрямления равно двум. Основная гармоника пульсаций имеет частоту в 2 раза больше частоты сети 𝑓п = 2 ∙ 𝑓𝑐 . Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничивается, так как постоянные составляющие токов фаз проходят по вторичным обмоткам в противоположных направлениях и их МДС (магнитодвижущие силы) компенсирую друг друга. Ток первичной обмотки трансформатора синусоидален ( рис. 4, а) Закрытый вентиль в данной схеме ВУ находится под обратным напряжением, в 2 раза превышающим напряжение на одной из вторичных обмоток т.е. 𝑈обр = 2 ∙ 𝑈22 Достоинства схемы: - частота пульсации выше, чем в предыдущей схеме; - минимальное число вентилей; - отсутствие вынужденного подмагничивания; - работа на любой вид нагрузки. - высокий КПД. Недостатки: - высокое обратное напряжение; - не работает без трансформатора. 4. Однофазная двухтактная мостовая схема выпрямления (работа ВУ на активную нагрузку). Мостовой выпрямитель состоит из двухобмоточного трансформатора, четырех вентилей, включенных по схеме моста VD1, VD2, VD3, VD4, и нагрузки выпрямителя 𝑅н . К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка. В схеме выпрямителя четыре вентиля соединены так, что напряжение вторичной обмотки подается на нагрузку в течение одного полупериода через одну пару вентилей, в течение второго полупериода через вторую. Общая точка катодов вентилей VD1, VD2 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов вентилей VD3, VD4 – отрицательным. При работе выпрямителя напряжение на вторичной обмотке имеет такую фазу, что в первый полупериод (0-𝜋) потенциал верхнего конца вторичной обмотки «a» положителен, а нижнего конца «b» – отрицателен (рис. б). Вентили VD1 и VD4 в течение первого полупериода открыты, так как оказываются включенными в прямом направлении, а вентили VD2, VD3 закрыты. Ток 𝑖1,4 протекает по цепи – точка «a», вентиль VD1 сопротивление нагрузки 𝑅н , вентиль VD4, точка «b» (рис. 5, в). Этот ток создает на сопротивлении нагрузки 𝑅н падение напряжения, повторяющее первую полуволну выпрямляемого напряжения 𝑢2 . Во второй полупериод (𝜋, 2𝜋) полярность напряжения на вторичной обмотке изменится на обратную и ток потечет по другой цепи от точки «b» вторичной обмотки через вентиль VD2, сопротивление нагрузки 𝑅н , вентиль VD3, к точке «a» обмотки трансформатора. Вентили VD1 и VD4 во время второго полупериода (𝜋 − 2𝜋) закрыты (рис 5, г). Через нагрузку 𝑅н токи 𝑖1,4, 𝑖2,3 проходят в одном направлении, образуя выпрямленный ток 𝑖0 . Выпрямленное напряжение 𝑢0 (рис. 5, д) совпадает по форме с суммарным током 𝑖0 = 𝑖1,4 + 𝑖2,3. Ток во вторичной обмотке через каждый полупериод меняет направление, поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается. Ток в первичной обмотке синусоидален (рис. 5, е). В этой схеме выпрямления за один период питающего напряжения по нагрузке проходят два импульса тока, т.е. число фаз выпрямления равно двум. Поэтому основная гармоника пульсации имеют частоту𝑓п = 2 ∙ 𝑓𝑐 . Каждый полупериод два вентиля открыты, а два других закрыты. Так как сопротивление открытых вентилей равно нулю, то закрытые вентили оказываются включенными параллельно между собой и, следовательно, находятся под обратным напряжением, равным напряжению на вторичной обмотке (рис. 5, ж). Максимально обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора 𝑈обр = 𝑈2𝑚 . Достоинство схемы: - частота пульсации выше, чем в однополупериодной схеме; - может работать без трансформатора; - отсутствие вынужденного подмагничивания. Недостатки: - необходимость в четырех вентилях. 5. Работа выпрямителей на емкостную и индуктивную нагрузку. Выше приводились особенности работы выпрямителей, питающихся от однофазной сети, только на активную нагрузку. На активную нагрузку выпрямители работают лишь в тех устройствах, где пульсация выпрямленного напряжения не лимитируется (цепи сигнализации, контроля защиты и т.д. ). Поэтому в основном различают два режима работы ВУ: работу ВУ на нагрузку емкостного характера и работу ВУ на нагрузку индуктивного характера. В ВУ после ВБ следует сглаживающий фильтр, который и определяет форму тока, протекающего через диоды ВБ и все элементы, стоящие перед ВБ. Поэтому сглаживающий фильтр определяет энергетические показатели выпрямителя в целом. Как правило, выпрямители средней и большой мощности работают на индуктивную нагрузку, а выпрямители малой мощности – на емкостную. i23 i14 VD1 VD2 i14 + (-) Tр i14 Rн i14 U2 i23 U0 i23 i14 - (+) i23 i23 i14 VD3 VD4 i23 а) + (-) Tр VD3 U1 VD1 U2 VD4 VD2 Rн U0 - (+) б) Рис. 5 (а, б). Однофазная мостовая схема выпрямления (различные изображения принципиальной электрической схемы выпрямителя). U2 π 2π 0 3π ωt б) i1,4 ωt 0 в) i2,3 ωt 0 г) u0 i0 u0 i0 U0 I0 0 ωt д) i1 0 ωt е) 0 ωt U2m ж) Рис. 5. Однофазная мостовая схема выпрямления. б – напряжение на вторичной обмотке; в – ток первого и четвертого вентиля; г – ток второго и третьего вентиля; д – ток и напряжение на нагрузке; е – ток первичной обмотки; ж – обратное напряжение на вентилях. 6. Процессы в ВУ с емкостным характером нагрузки. + (-) VD + Tр U1 iVD U2 iсз i0 Rн U0 C - - (+) а) Рис 6, а. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки. Выпрямитель работает на нагрузку емкостного характера, когда первым элементом сглаживающего фильтра является конденсатор. Сопротивление конденсатора для первой гармоники пульсации должно быть мало по сравнению с сопротивлением нагрузки. Рассмотрим этот режим работы на примере однотактной однофазной схемы (рис. 6, а). По аналогии происходящие в ней процессы с учетом индивидуальных особенностей можно распространить и на другие схемы выпрямления. Конденсатор C в этой схеме заряжается, когда вентиль VD открыт, а при закрытом вентиле разряжается на нагрузку. Ток вентиля 𝑖𝑉𝐷 разветвляется на ток нагрузки 𝑖0 и ток заряда конденсатора 𝑖сз . Так как конденсатор и нагрузка включены параллельно, то напряжение на конденсаторе является и напряжением на нагрузке. С момента 𝑡1 (точка «a» на рис. 6, в) напряжение на вторичной обмотке 𝑢2 больше, чем напряжение на конденсаторе. Поэтому вентиль VD в этот момент открывается. Его ток частично идет на заряд конденсатора и частично протекает по нагрузке. Напряжение на заряжающемся конденсаторе растет до момента 𝑡2 (точка b кривой 𝑢2 ). Далее напряжение 𝑢2 становится меньше напряжения на конденсаторе, на катоде вентиля получается более высокий потенциал, чем на аноде, и вентиль закрывается. С этого момента вентиль отключает вторичную обмотку трансформатора от заряженного конденсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток. Ток разряда конденсатора противоположен по знаку тока заряда и изменяется по экспоненциальному закону (рис. 6, д). В выпрямителе постоянная времени разряда конденсатора U2 π 2π 3π ωt 0 б) UC зар. UC β Uн 0 i2 α ωt1 ωt2 UC раз. c ωt3 ωt в) iVD I0 0 ωt 2θ г) iс ωt 0 д) Uобр ωt 0 UC е) U2m i0 I0 0 ωt ж) Рис 6. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки. б – напряжение на вторичной обмотке трансформатора; в – напряжение на конденсаторе и на нагрузке; г – ток вентиля и вторичной обмотки трансформатора; д – ток заряда и разряда конденсатора; е – обратное напряжение на вентиле; ж – ток нагрузки. всегда делается достаточно большой, чтобы конденсатор не успевал разрядиться полностью до прихода следующего положительного полупериода. В момент времени 𝑡3 уменьшающееся напряжение конденсатора станет равным напряжению 𝑢2 (точка «c» кривой 𝑢2 ) и процесс заряда конденсатора повторяется. Ток через вентиль и вторичную обмотку трансформатора проходит только, при заряде конденсатора. Половина интервала, в течение которого протекает ток вентиля, называется углом отсечки тока 𝜃. Импульс тока через вентиль имеет длительность 2𝜃 (рис. 6, г), и его амплитуда зависит от сопротивления нагрузки 𝑅н и емкости конденсатора С. Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей. Коэффициент пульсации большой, если он больше чем 10 -2, средний, если он находится в пределах 10-3-10-2, и малый, если он меньше 103 . Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше содержание в выпрямленном напряжении переменной составляющей, тем качественнее выпрямление. В составе выпрямленного напряжения первая (основная) гармоника имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки чувствителен к изменению тока нагрузки. Увеличение нагрузки выпрямителя, т.е. уменьшение сопротивления 𝑅н , вызывает уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения 𝑈0 так как разряд конденсатора будет происходить быстрее (участок b-с кривой 𝑢0 на рис. в пойдет ниже). При этом увеличивается пульсация выпрямленного напряжения, длительность работы фазы (угол отсечки 𝜃) и амплитуда тока через вентиль. Увеличение емкости конденсатора приведет к небольшому увеличению выпрямленного напряжения (участок b-c кривой 𝑢0 пойдет выше) и снижению пульсации. 1. Процессы в ВУ с индуктивным характером нагрузки. В схемах с большим потреблением тока в качестве первого элемента фильтра используется дроссель, обладающий большой индуктивностью. Его индуктивное сопротивление для первой гармоники выпрямленного тока должно быть значительно больше сопротивления нагрузки 𝑚𝜔𝑐 𝐿 ≫ 𝑅н при этом реакция нагрузки будет индуктивной. В однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления не применяется фильтр, начинающийся с индуктивности. При работе данной схемы на нагрузку индуктивного характера выпрямленный ток имеет прерывистый характер, пульсация напряжения на нагрузке велика и внешняя характеристика выпрямителя имеет резко падающий характер. На примере однофазной двухполупериодной схемы выпрямления рассмотрим работу выпрямителя на нагрузку индуктивного характера (рис. 7, а). Кривая выпрямленного напряжения является огибающей фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора, как и у выпрямителя с активной нагрузкой. Период равен 𝑇 = 𝜋 (рис. 7, в). + (-) VD1 U21 Rн Tр U0 - (+) + (-) U22 VD2 - (+) а) Рис. 7, а. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера. Выпрямленный ток, являющийся суммарным током всех фаз, под влиянием индуктивности дросселя уменьшается, когда напряжение 𝑢0 меньше среднего 𝑈0 , и возрастает при 𝑢0 > 𝑈0 . В промежутке 𝜔𝑡0 − 𝜔𝑡1 открыт вентиль первой фазы и напряжение 𝑢0 = 𝑢21 . Ток по первой фазе проходит до тех пор, пока напряжение второй фазы не превысит напряжение первой. Начиная с момента 𝜔𝑡1 напряжение второй фазы превышает 𝑢21 и вступает в работу вентиль VD2, а вентиль VD1 закрывается. За один период выпрямляемого напряжения поочередно срабатывают две фазы вторичной обмотки трансформатора и их токи (рис. 7, д, е, ж), сложившись в цепи нагрузки (L, 𝑅н ), дадут непрерывный выпрямленный ток. Форма кривой тока нагрузки 𝑖0 зависит от отношения индуктивного сопротивления дросселя к сопротивлению 𝑅н . Чем больше индуктивность дросселя, тем ближе выпрямленный ток к постоянному. На рис. 8 показано изменение формы тока фазы при различных отношениях 𝜔𝐿 . 𝑅н При 𝜔𝐿=0 выпрямитель работает на активное сопротивление и форма импульса тока повторяет кривую ЭДС соответствующей фазы. При увеличении 𝜔𝐿 увеличивается ЭДС самоиндукции дросселя и ток спадает и возрастает на меньшую величину. U2 U21 U22 π 0 ωt0 2π 3π ωt ωt1 б) u0 U0 U2m 0 ωt i0 в) I0 0 iVD1 Lдр = ∞ ωt г) 0 ωt iVD2 д) 0 ωt е) Рис. 7. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера. б – напряжение на вторичных обмотках трансформатора; в – выпрямленное напряжение; г – ток нагрузки; д, г, ж – ток вентиля VD1, VD2. ωL =0 Rн ωL =∞ Rн ωL = 0,5 Rн ωt 0 Рис. 8. Изменение формы тока для различных соотношений 𝜔𝐿⁄𝑅 . н 2. ПЛАН РАБОТЫ 1. Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами однофазных схем выпрямления. 2. Снять и построить внешние характеристики однополупериодной схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки. 3. Снять и построить внешние характеристики двухполупериодной схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки. 4. Снять и построить внешние характеристики однофазной мостовой схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивную нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки. 5. Оформить индивидуальный отчет по лабораторной работе и ответить на контрольные вопросы. 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА 1. Общие рекомендации. Ознакомление с принципом действия, режимами работы и основными параметрами однофазных схем выпрямления производится по [1], конспекту лекций и разделу «Общие сведения» данного пособия. Фронтальный вид стенда для исследования однофазных схем выпрямления показан на рис.9. Стенд содержит: - измерительные приборы; - принципиальные схемы выпрямления с указанием способов подключения к ним измерительных приборов, токовых шунтов и гнезд для определения с помощью осциллографа форм кривых тока и напряжения в различных точках схем, а также среднеквадратического значения переменного напряжения с помощью милливольтметра В338; - коммутационные приборы для подключения стенда к однофазной сети общего пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA, тумблеры для коммутации элементов фильтра нижних частот (ФНЧ) – SA1… SA3 и подключения переменного сопротивления нагрузки – SA4; - принципиальная схема ФНЧ и нагрузки с указанием измерительных приборов и гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38. Рис.9. Фронтальный вид стенда для проведения исследования однофазных схем выпрямления. Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, подключаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA к одной из схем выпрямления, приведены на рис.10. Как видно из рис. 10 первичная обмотка однофазного трансформатора с подключенными приборами (A1, V1, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для любой из трех схем выпрямления. 2. Исследование однофазной однотактной однополупериодной схемы. 2.1.Исследование на активную нагрузку. Для исследования однофазной однотактной однополупериодной схемы выпрямления переключатель SA следует перевести в положение 1, в результате чего нагрузка с измерительными приборами АН, VH , элементами ФНЧ (С0 , С1 , L) и тумблерами SA1… SA4 будет подключена к выходу исследуемой схемы. Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С0 и С1 отключены тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку RH, определяют по амперметру АН максимально возможное значение тока нагрузки. Следует подключить милливольтметр В3-38 к гнездам Г4, Г5 для определения среднеквадратического значения переменного напряжения на выходе выпрямителя. В диапазоне возможного изменения тока нагрузки от максимального до нулевого значения (нулевое значение устанавливается с помощью тумблера SA4) следует произвести 5…6 измерений показаний всех приборов. Результаты измерений заносятся в табл.1. Таблица 1 IH, А UH, В Результаты измерений U0~, U2, I2, U1, I1, В В А В А P1, Вт Результаты расчета КП0, η, χ, SТР, Кисп ВА тр - Измерение среднеквадратического значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя U0~ осуществляется вольтметром В3-38, подключаемым к гнездам Г3-Г5. По результатам измерений определяются: - коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя КП0= U0~/ UH, - коэффициент полезного действия η= (UH* IH)/ P1, - коэффициент мощности χ(cosφ1)= P1/( U1* I1), - габаритная мощность трансформатора (1) (2) (3) SТР=( U1* I1+ U2* I2)/2, - коэффициент использования трансформатора - Кисп тр= Р0/ SТР = (UH* IH)/ SТР (4) (5) Рис.10. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки. С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и зарисовать в отчете для одного из значений тока нагрузки: - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t); - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t). 2.2.Исследование на емкостную нагрузку. При работе схемы на нагрузку емкостного характера тумблером SA2 следует подключить конденсатор С0 к выходу выпрямителя (обмотка дросселя L должна оставаться закороченной тумблером SA1). Затем определить максимально возможное для этого режима работы значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменения тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные в этой таблице определяются по выше приведенным выражениям (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки (отличного от нуля) с помощью .осциллографа определить и зарисовать в отчете: - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t); - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t); - форму кривой тока конденсатора С0 (гнезда Г3-Г4) iС0=f(t). Подключить тумблером SA3 параллельно конденсатору С0 конденсатор С1 и исследовать влияние величины ёмкости на форму кривых u0= f(t) и iС0=f(t). 2.3.Исследование на индуктивную нагрузку. При исследовании работы схемы на нагрузку индуктивного характера конденсаторы С0 и С1 следует отключить тумблерами SA2 и SA3, а дроссель L подключить тумблером SA1 последовательно нагрузке RH. Определить максимально возможное для этого режимами значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменении тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные таблицы определяются также по (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки с помощью осциллографа определить и представить в отчете: - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t); - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t). 3. Исследование однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления. 3.1.Исследование на активную нагрузку. Для исследования работы и характеристик однофазной, однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления переключатель SA на стенде перевести в положение 2, в результате чего нагрузка с измерительными приборами и элементами коммутации (тумблеры SA1… SA4) будет подключена к выходу данной схемы. Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С0 и С1 отключены тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку RH, определяют по амперметру АН максимально возможное значение тока нагрузки. Для того, чтобы убедиться в том, что тумблеры установлены верно, следует подключить осциллограф к гнездам Г1, Г2 и определить форму кривой тока вентиля VD1 (кривая тока вентиля должна иметь в этом случае синусоидальную форму с длительностью, равной половине периода). В диапазоне возможного изменения тока нагрузки (от максимального до нулевого значения) следует произвести 5…6 измерений показаний приборов. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную табл.1. Расчетные параметры КП0, η, χ (cosφ1) и Кисп тр определяются соответственно по формулам (1)…(3) и (5). Габаритная мощность трансформатора SТР для этой схемы выпрямления определяется ниже следующим выражением: SТР=( U1* I1+ 2*U2* I2)/2. (6) С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и представить в отчете для одного из значений тока нагрузки: - форму кривой тока вторичной полуобмотки трансформатора (гнезда Г1, Г2) i2=f(t); - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3, Г5) u0= f(t). 3.2.Исследование на емкостную нагрузку. При исследовании работы схемы на нагрузку емкостного характера тумблером SA2 следует подключить конденсатор С0 к выходу выпрямителя (обмотка дросселя L должна оставаться закороченной тумблером SA1). Затем определить максимально возможное для этого режима работы значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменении тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную табл. 1. Расчетные параметры КП0, η, χ(cosφ1) и Кисп тр определяются соответственно по формулам (1)…(3) и (5). Габаритная мощность трансформатора SТР для этой схемы выпрямления определяется по формуле (6). С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и представить в отчете для одного из значений тока нагрузки: - форму кривой тока вторичной полуобмотки трансформатора (гнезда Г1, Г2) i2=f(t); - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3, Г5) u0= f(t). - форму кривой тока конденсатора С0 (гнезда Г3-Г4) iС0=f(t). Подключить тумблером SA3 параллельно конденсатору С0 конденсатор С1 и исследовать влияние величины ёмкости на форму кривых u0= f(t) и iС0=f(t). 3.3.Исследование на индуктивную нагрузку. При исследовании работы схемы на нагрузку индуктивного характера дроссель L должен быть подключен последовательно с нагрузкой RH, а конденсаторы С0 и С1 подключаются параллельно нагрузке. Далее следует определить максимально возможное значение тока нагрузки IH МАКС и, подключив осциллограф к гнездам Г1, Г2, убедиться в том, что тумблеры SA1… SA3 установлены верно. В диапазоне от IH=0 до IH= IH МАКС произвести 5…6 измерений показаний приборов, результаты которых занести в таблицу, аналогичную табл. 1. По результатам измерений рассчитать по формулам (1)…(3), (5) и (6) и занести в эту таблицу значения параметров КП0, η, χ(cosφ1) SТР и Кисп тр. С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и представить в отчете для одного из значений тока нагрузки: - форму кривой тока вторичной полуобмотки трансформатора (гнезда Г1, Г2) i2=f(t); - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3, Г5) u0= f(t); - форму кривой напряжения на обмотке дросселя L (гнезда Г5-Г6) uL= f(t). С помощью осциллографа, подключенного к гнездам Г1, Г2 определить критическое значение тока нагрузки, при котором ток вентиля спадает до нуля, но имеет длительность равную половине периода. 4.Исследование однофазной мостовой схемы выпрямления. 4.1.Исследование на активную нагрузку. Для исследования работы и характеристик однофазной мостовой схемы выпрямления переключатель SA на стенде следует перевести в положение 3, в результате чего нагрузка с измерительными приборами и элементами коммутации (тумблеры SA1… SA4) будет подключена к выходу данной схемы. Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С0 и С1 отключены тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку RH, определяют по амперметру АН максимально возможное значение тока нагрузки. Следует подключить милливольтметр В3-38 к гнездам Г4, Г5 для определения средне-квадратического значения переменного напряжения на выходе выпрямителя. В диапазоне возможного изменения тока нагрузки от максимального до нулевого значения (нулевое значение устанавливается с помощью тумблера SA4) следует произвести 5…6 измерений показаний всех приборов. Результаты измерений заносятся в табл.1. Расчетные параметры КП0, η, χ(cosφ1) и Кисп тр определяются соответственно по формулам (1)…(3) и (5). Габаритная мощность трансформатора SТР для этой схемы выпрямления определяется ниже следующим выражением: - габаритная мощность трансформатора SТР=( U1* I1+ U2* I2)/2 С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и зарисовать в отчете для одного из значений тока нагрузки: - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t); - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t). 4.2.Исследование на емкостную нагрузку. При работе схемы на нагрузку емкостного характера тумблером SA2 следует подключить конденсатор С0 к выходу выпрямителя (обмотка дросселя L должна оставаться закороченной тумблером SA1). Затем определить максимально возможное для этого режима работы значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменения тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные в этой таблице определяются по выше приведенным выражениям (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки (отличного от нуля) с помощью осциллографа определить и зарисовать в отчете: - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t); - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t); - форму кривой тока конденсатора С0 (гнезда Г3-Г4) iС0=f(t). Подключить тумблером SA3 параллельно конденсатору С0 конденсатор С1 и исследовать влияние величины ёмкости на форму кривых u0= f(t) и iС0=f(t). 4.3.Исследование на индуктивную нагрузку. При исследовании работы схемы на нагрузку индуктивного характера конденсаторы С0 и С1 следует отключить тумблерами SA2 и SA3, а дроссель L подключить тумблером SA1 последовательно нагрузке RH. Определить максимально возможное для этого режимами значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменении тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные таблицы определяются также по (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки с помощью осциллографа определить и представить в отчете: - форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t); - форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t). 5.Содержание индивидуального отчета по лабораторной работе. Индивидуальный отчет по лабораторной работе должен содержать: - принципиальную электрическую схему каждого из объектов исследования (схему выпрямления); - экспериментальные и расчетные данные для каждого из режимов работы соответствующей схемы выпрямления, представленные в таблицах, аналогичных табл.1 (по три таблицы для каждой схемы выпрямления); - внешние характеристики (зависимости UH=f(IH)) для всех трех режимов работы каждой из схем выпрямления, построенные в одних осях координат (по три кривых для каждой из схем выпрямления); - временные диаграммы кривых напряжения и тока для всех трех режимов работы каждой из схем выпрямления. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы достоинства и недостатки однофазных схем выпрямления по сравнению с многофазными? 2. Какова область применения каждой из рассмотренных схем выпрямления? 3. Какими параметрами характеризуются выпрямительные устройства? 4. Почему однополупериодная схема выпрямления на практике не работает на нагрузку индуктивного характера? 5. Что такое габаритная мощность трансформатора? Почему габаритная мощность трансформатора при работе на нагрузку емкостного характера больше, чем при работе на нагрузку индуктивного характера при том же значении мощности нагрузки? 6. Как влияет величина ёмкости на выходе выпрямителя на габаритную мощность трансформатора (при неизменной мощности нагрузки)? 7. Что подразумевается под понятием критическое значение тока при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера? 8. Что такое критическое значение индуктивности? Как зависит от величины минимальное значение тока нагрузки, при котором наступает режим разрывных токов дросселя? 9. Что такое перекрытие фаз? Каким из рассмотренных схем выпрямления и при каких режимах работы присуще это явление? 10.Какие из рассмотренных схем могут работать непосредственно от сети переменного тока без трансформатора? 11.Объясните, почему при относительно низких напряжениях на нагрузке (меньше десяти вольт) и достаточно больших токах нагрузки предпочтение отдается двухполупериодной схеме с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора? 12.Что такое число фаз выпрямления? 13.Каковы эквивалентные схемы замещения вентилей при расчете схем выпрямления, работающих на низких и высоких (десятки килогерц и выше) частотах преобразования энергии? 14.Каковы критерии оценки пульсации выходного напряжения выпрямителя? Что такое коэффициент пульсации?
