Меню

Изучение выпрямителей переменного тока



Исследование работы выпрямителей переменного тока

date image2015-05-10
views image2895

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Цель работы.Рассмотреть принцип действия различных схемам выпрям­ителей переменного тока.

Заданиена подготовку к лабораторной работе.

В результате изучения теоретического материала студент должен

знать:

— схемы и принцип действия одно- и двухполупериодных выпрямителей;

— основные характеристики выпрямителей;

— методы уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Уметь:

— собирать различные схемы выпрямителей;

— измерять основные параметры выпрямителей с помощью электроизмерительных приборов и электронного осциллографа,

— подключать различные фильтры нижних частот для уменьшения пульсаций выпрямленного тока.

Пояснения.Для питания различных элетро- радиотехнических устройств требуется постоянный ток различного напряжения. Промышленная сеть поставляет потребителям переменный ток напряжением 220/380 В частотой 50 Гц. Использование переменного тока обусловлено тем, что с помощью трансформатора легко изменить его напряжение до сотен тысяч вольт для передачи на большие расстояния, после чего понизить напряжение до требуемой величины с минимальными потерями.

Таким образом, типовой блок питания должен иметь на входе трансформатор, который понижает или повышает сетевое напряжение до требуемой величины. Далее следует выпрямитель, который преобразует переменный синусоидальный ток в пульсирующий постоянного направления.

Обычно питаемая аппаратура требует максимального сглаживания пульсаций. Это достигается включением после выпрямителя фильтра (нижних частот), который уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до допустимой величины.

Схемы выпрямления. При помощи выпрямителей переменный ток возможно преобразовать в постоянный ток, эта процедура называется выпрямление. Известно несколько различных схем выпрямителей переменного тока. В работе предусмотрено изучение двух основных схем выпрям­ления: однополупериодной схемы и двухполупериодной схемы выпрямления.

Однополупериодная схема выпрямления. При наличии однофазного тока и только одного выпрямительного диода (вентиля) можно составить простейшую схему выпрямления (рис. 31, а).

Выпрямленный ток, как видно из рис. 31, б, фактически не является постоянным током; его величина все время изменяется (пульсирует) с частотой первичного напряжения. Эта схема выпрямления тока применяется доволь­но редко, так как через выпрямитель В пропускается только одна полуволна тока, а другая запирается. В результате к.п.д. такого выпрямителя очень низкий.

Такое действие выпрямителя объясняется зависимостью со­противления полупроводникового диода от полярности приложенного напряжения и, следовательно, направления тока, протекающего через него. Как следует из вольтамперной характеристики полупроводникового диода, ток свободно проходит через него, когда к области с р-проводимостью подведен положитель­ный потенциал. С изменением потенциала на отрицательный при том же значении напряжения сила тока становится значительно меньше, так как сопротивление его в этом направлении во много раз увеличивается.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямле­ния. Для выпрямления тока по двухполупериодной схеме выпрямления однофазного переменного тока (рис. 31, в) нужно че­тыре выпрямительных диода (вентиля). В этом случае выпрямляется каждая полу­волна переменного тока и выпрямленный ток больше прибли­жается к постоянному току. По двухполупериодной схеме вы­прямления выпрямленный ток (каждая полуволна)

Рис. 31- Схемы выпрямления и формы выпрямлен­ного тока:

а— однополупериодная схема выпрямления переменного тока, б—- форма выпрямленного тока при схеме а, в двухполупериодная однофазная схема вы­прямления переменного тока, г— форма выпрямленного тока при схеме в, I — выпрямленный ток, Iср — среднее значение выпрямленного тока

последова­тельно проходит через два диода, вследствие чего потери в выпрямителе несколько возрастают. Эта схема выпрямления нашла очень широкое применение в электронной технике.

Для сглаживания выпрямленного тока и уменьшения пульсаций применяют фильтры нижних частот, включаемые по­следовательно с нагрузкой, по­требляющей выпрямленный ток. В качестве фильтра используются дроссели и конденсаторы. Дроссели, включаемые последовательно с нагрузкой, обладают повышенным сопротивлением для переменной составляющей и беспрепятственно пропускают постоянный ток. Конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, обладают малым сопротивлением для переменной составляющей и шунтируют выход выпрямителя. Дроссели и конденсаторы могут включаться по Г- и П-образной схеме (см. рис.11).

Выпрямители, В качестве выпрямители применяются полупроводниковые диоды (германиевые или кремниевые). Основной характеристикой полупровод­никовых выпрямителей является вольтамперная характеристика.

Полупроводниковые диоды хорошо работают при тем­пературе не выше 80—95°С, поэтому для улучшения ох­лаждения силовых выпрямителей их устанавливают на радиаторы и применяют вентиляторы для охлаждения.

Источник

Типы выпрямителей переменного тока

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Типовая схема однополупериодного выпрямителя

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Однополупериодное выпрямление

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Печатная плата простейшего зарядника сотового телефона

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Двуполупериодное выпрямление

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Внешний вид сдвоенного диода

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Типовая схема мостового выпрямителя (схема Гретца)

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Мостовой выпрямитель с фильтром на плате компьютерного блока питания

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage dropVF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Читайте также:  Почему руки бьются током мои

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Типовая схема выпрямителя с удвоением

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

Типовая схема умножителя напряжения

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Типовая схема простейшего трёхфазного выпрямителя

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

Схема трёхфазного выпрямителя

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Источник

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное (выпрямленное). Среднее значение (постоянная составляющая) этого постоянного напряжения используется потребите­лем. Наличие переменных составляющих (пульсаций) в результате преобразования неизбежно. Различными мерами пульсации могут быть уменьшены до сколь угодно малых значений. Одним из способов уменьшения пульсаций является применение фильтров.

Рассматриваемые в работе схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Они обеспечивают постоянным напряжением питание электромашинных механизмов, технологических процессов, электронные устройства. Знание свойств источников питания необходимо специалисту для грамотной их эксплуатации.

Основным элементом схем выпрямления является диод. Диодом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свойства определяются р-п-переходом, образованным между двумя кристаллами полупровод­никового материала с различными типами проводимостей.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода, например 2Д504А, изображена на рис. 1.1.

Основными параметрами диодов являются максимальное допустимое значение тока в прямом направлении IПРmax и максимальное допустимое значение обратного напряжения UОБРдоп. При протекании через диод тока в прямом направлении равного номинальному, падение напряжения не превышает одного вольта. Приложенное к диоду обратное напряжение вызовет обратный ток величиной от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

В блоках питания выпрямители подключаются к выходным обмоткам понижающих трансформаторов, входные обмотки которых подключены к источнику синусоидального напряжения u1(t) = U1m sin ωt,как показано на рис. 1.2. Такие схемы выпрямления имеют следующие основные параметры:

u2(t) = U2m sin ωt = U2 sin ωt – мгновенное значение напряжения выходной обмотки трансформатора;

U2 – действующее значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

U2m амплитудное значение синусоидального напряжения выходной обмотки трансформатора;

Ud – постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение выпрямленного напряжения UCP);

m – размах пульсации выходного напряжения выпрямителя.

При выпрямлении однофазного переменного тока простей­шими схемами выпрямления являются одно- и двухполупериоднаяоднофазные схемы. Однополупериодными выпрямителями являются та­кие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в про­цессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухполупериодныхвыпрямителях – в обоих направле­ниях.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 1.2. Ток через нагрузку протекает в течение одного полу­периода сетевого напряжения. Диаграммы напряжения и выпрямленных токов показаны на рис. 1.3.

Исходя из приведенных выше определений, основные параметры выпрямителя:

среднее значение выпрямленного напряжения

среднее значение тока диода

где I2m – амплитудное значение тока выходной обмотки трансформатора;

максимальное обратное напряжение на диоде

Выпрямленное напряжение ud содержит постоянную составляющую Ud и переменную составляющую ud

, представляющую собой сумму высших гармонических составляющих. Разложение в ряд Фурье кривой выпрямленного напряжения ud позволяет определить коэффициенты этого ряда.

Ud – функция четная, кроме основной имеет четные гармоники.

Амплитуда гармонической составляющей порядка n = 2, 4, 6. .

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации, представляющим собой отношение размаха переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения. Для схемы однополупериодного выпрямления коэффициент пульсаций

При выборе диода для схемы однополупериодного однофазного выпрямления необходимо, чтобы максимально допустимое обратное напряжение диода было больше амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора (Uобр max U2m) (рис. 1.3).

К недостатку однополупериодного выпрямителя относится присутствие постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через транс­форматор (рис. 1.2), то постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры. Так же к недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напря­жения. Выпрямители подобного типа при­меняют, главным образом, в специальных маломощных установках.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой показана на рис. 1.4.

Напряжение и21и и22 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидаль­ных напряжения и2, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 180°. Диоды проводят ток поочередно, в течение полупериода. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 1.5.

Основные параметры выпрямителя исходя из приведенных выше определений:

— среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двухполупериодной схеме в два раза больше по сравнению с предыдущей однополупериодной схемой выпрямления

— среднее значение тока диода

— максимальное обратное напряжение на диодах

В кривой выпрямленного напряжения ярко выражена вторая (n = 2) гармоническая составляющая с частотой f = 100 Гц (при fс = 50 Гц). Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Напряжение, приложенное к закрытым диодам, рав­но разности потенциалов между выводами полной вторичной обмотки трансформатора и2, состоящей из двух частей, т. е. и21 + и22 = и2 (рис. 1.4).

В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего постоянное подмагничивание сердечника отсутствует.

Однофазный мостовой выпрямитель имеет наибольшее распростране­ние. В блоках питания данные выпрямители часто используются без трансфор­маторов, с подключением непосредственно к сетевому напряжению. Схема однофазного мостового вып­рямителя представлена на рис. 1.6.

Диоды проводят ток попарно: VD1, VD4 – в течение одного полупериода, а VD2, VD3 – в течение другого полупериода питающего напряжения. Основные параметры выпрямителя следующие:

— среднее значение выпрямленного напряжения

;(1.3)

— среднее значение тока диода

— максимальное обратное напряжение на диодах

Читайте также:  Как самому вырабатывать ток

Рассматриваемая схема относится к двухполупериодной схеме выпрямления. Коэффициент пульсации на выходе вы­прямителя

. (1.4)

Амплитуда обратного напряжения UОБРmax при одинаковом выпрямленном напряжении Ud в выпрямителе по мостовой схеме выпрямления (рис. 1.6) в два раза меньше, чем в вы­прямителе по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4). Такая схема выпрямления позволяет получить заданное вы­прямленное напряжение при числе витков вторичной обмотки трансформатора, вдвое меньшем, чем в двухполупе­риодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.4) при прочих равных ус­ловиях. Данное обстоятельство приводит к снижению массогабаритной мощности трансформатора.

Диаграммы токов и напряжений данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.7.

Разновидностью мостовой схемы выпрямителя является мостовая схема со средней общей точкой, как в схеме выпрямителя (рис. 1.4). При наличии вывода от середины вторичной обмотки трансформатора выпрямитель имеет два выходных напряжения. Первый выход это напряжение между положительной клеммой выпрямителя и средней точкой, второй выход – между отрицательной клеммой и средней точкой. При соединении средней точки обмотки с общим проводом получается два источника симметричных разнополярных напряжений. Такие источни­ки постоянных напряжений при наличии сглаживающих фильтров при­меняются для питания аналоговых операционных усилителей (рис. 1.8).

Схема выпрямления с умножением напряжения позволяет получить высокие значения выпрямленного напряжения без исполь­зования вы­соковольтных трансформато­ров. Наибольшее распространение на практике получили однофазные схемы выпрямления с удвоением напряжения (рис. 1.9).

Принцип действия такой схемы заклю­чается в зарядке каждого из последовательно соединенных конденса­торов через свою группу диодов от выходной обмотки транс­форматора. Выходное напряжение выпрямителя при этом равно сумме напряжений на всех конденсаторах и может в несколько раз превышать амплитуду напряжения выходной обмотки трансформатора

Диаграммы напряжений данного выпрямительного устройства представлены на рис. 1.10.

Все рассмотренные выше схемы выпрямления имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания большей части электронной аппаратуры требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсации, не превышающим значений
Кп = 0,002 – 0,02. Если потребитель постоянного напряжения предъявляет повышенные требования к ограничению пульсаций, то для их уменьшения применяются фильтры. Простейшими фильтрами являются емкостной и индуктивный.

Емкостнойфильтр образуется конденсатором, подключенным к выходным клеммам выпрямителя, т.е. параллельно нагрузке (рис. 1.11). При использовании простейшего емкостного фильтра сгла­живание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происхо­дит за счет периодической зарядки конденсатора фильтра СФ и последующей его разрядки на сопротивле­ние нагрузки RН с постоянной времени разряда
t РАЗР = СФ RН.

Конденсатор, как известно, не пропускает постоянной состав­ляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Следует отметить, что емкостные фильтры предпочтительно применять в схемах выпрямления с малыми значениями выпрямленного тока. Процессы изменения напряжения на конденсаторе и токов в цепях представлены на рис. 1.11.

Рассмотрим установившиеся процессы периодических изменений напряжения на конденсаторе.

При включении емкостного фильтра в выпрямителенапряжение uH не уменьшается до нуля, увеличивая сред­нее значение выпрямленного напряжения по сравнению с выпрямителем без фильтра. При этом к закрытому диоду приложено напряжение UОБРmax, зна­чение которого может приближаться к удвоенному значению U2m.

Емкость конденсатора СФ выбирают такой, чтобы выполня­лось соотношение

где Т = 1 / fосн – период основной гармоники.

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильт­ром уменьшается. Емко­стный фильтр для сглаживания пульсаций целесооб­разно применять с высокоомным нагрузочным сопротивлением RН при мощности РН не более нескольких десятков Ватт.

Если требуется более высокий коэффициент сглаживания, то прибегают к сложным сглаживающим фильтрам. К ним отно­сятся Г— и П-образные фильтры LC- и -типов.

Ток через диоды при наличии конденсатора на выходе выпрямителя протекает короткими импульсами. При выборе диодов только по среднему значению тока в р-п-переходе могут возникать опасные локальные перегревы.

В качестве индуктивного фильтра используют катушку с ферро­магнитным сердечником, называемую дросселем. Дроссель включается последовательно в цепь тока нагрузки. Индуктивность дросселя приводит к уменьшению пульсаций за счет индуктивного сопротивления его обмотки.

Внешняя характеристика выпрямителяотражает динамику изменения выходного напряжения выпрямителя в зависимости от изменения тока нагрузки. При увеличении выходного тока выходное на­пряжение уменьшается из-за увеличения падения напря­жения на обмотках трансформатора, диодах, подводящих проводах, элементах фильтра (рис. 1.12). Наклон внешней характеристики при том или ином токе Iср характеризуется выходным сопро­тивлением RВЫХ, которое определяется выражением

Дата добавления: 2015-04-19 ; просмотров: 5761 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Исследование выпрямителей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов всех специальностей

Энгельсского технологического института

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2009

Цель работы: изучение принципа действия и основных характеристик однофазной (ОМС) и трехфазной (ТМС) мостовых схем выпрямления. Ознакомление с действием сглаживающих фильтров в схемах выпрямления.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Назначение, применение и элементы выпрямителя

Устройства автоматики, широко применяемые для управления и контроля технологических процессов, содержат большое число полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров, интегральных микросхем и др.). Такие электронные устройства могут работать, как правило, при потреблении энергии от источников питания постоянного тока. Устройства электропривода, содержащие двигатели постоянного тока, катушки постоянных электромагнитов также работают от источников постоянного тока. И, наконец, для зарядки аккумуляторных батарей и действия гальванических ванн необходимы источники постоянного тока.

Так как первичным источником питания является промышленная сеть переменного тока, то прибегают к выпрямлению переменного тока в постоянный с помощью специальных устройств, называемых выпрямителями.

Выпрямитель это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямители подразделяют на неуправляемые и управляемые. Неуправляемые выпрямители служат для получения выпрямленного напряжения неизменной величины, которое потребляют большинство электронных устройств. Управляемые выпрямители служат для получения выпрямленного напряжения или тока регулируемой величины и применяются для питания устройств электропривода. В зависимости от числа фаз источника выпрямленного напряжения различают однофазные и трехфазные выпрямители. По величине мощности выпрямители подразделяются — малой (до 0,5 кВт), средней (0,5-1,5 кВт) и большой (более 1,5 кВт) мощности. Выпрямители малой мощности являются, как правило, однофазными, выпрямители средней и большой мощности — трехфазными.

Основными элементами неуправляемого выпрямителя обычно являются (рис.1) силовой трансформатор 1, служащий для согласования напряжения сети U1 с выходным напряжением выпрямителя U0, а также для электрического разделения питающей сети и цепи нагрузки; блок вентилей 2 осуществляет выпрямление переменного тока; сглаживающий фильтр 3 служит для уменьшения пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки.

Рис.1. Структурная схема выпрямителя

Если выпрямитель управляемый, то в схему входит еще узел 6, содержащий систему управления вентилями. Для защиты выпрямителя от повреждений при аварийных режимах в его схему входит блок защиты и сигнализации 5.

В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутствовать отдельные элементы, например, фильтр 3, при работе на нагрузку индуктивного характера, или силовой трансформатор.

Однофазная мостовая схема выпрямителя (ОМС) состоит из трансформатора Т и четырех вентилей VD1, VD2, VD3, VD4, соединенных по схеме моста, рис.2, а. К одной диагонали моста подводится переменное напряжение U2, а к другой подключается нагрузка RН. Общая точка анодов вентилей VD2 и VD4 является отрицательным полюсом выпрямителя, а общая точка катодов вентилей VD1 и VD3 является положительным полюсом выпрямителя.

Схема ОМС работает в следующем порядке. Пусть в течение первого полупериода напряжение U2 положительно (интервал от 0 до Т/2, рис.2, б),

Рис.2. Однофазная мостовая схема выпрямителя

и направлено от точки «а» к точке «б» трансформатора. В этом случае открываются вентили VD1 и VD4 и по цепи потечет ток: точка «а» — вентиль VD1 — нагрузка RН — вентиль VD4 — точка «б» — трансформатор. Ток вентилей показан на диаграмме рис.2, г, а ток в нагрузке i0 — на рис.2, в. Вентили VD2 и VD3 закрыты и испытывают на себе приложенное обратное напряжение Uобр. макс, равное амплитуде вторичного напряжения трансформатора. В следующий полу период (интервал от Т/2 до Т) напряжение U2 отрицательно (рис.2, б) и направлено от точки «б» к точке «а». Вентили VD1 и VD4 закрываются, а вентили VD2 и VD3 открываются. Ток течет по цепи: точка «б» — вентиль VD3 — нагрузка RН — вентиль VD2 — точка «а». При этом при нагрузке ток течет в том же направлении. Диаграммы напряжений и токов на элементах схемы приведены на рис.2, б, в, г. Выпрямленное напряжение U0 пульсирует от нуля до максимума, равного амплитуде вторичного напряжения трансформатора.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Частота пульсаций выпрямленного напряжения вдвое больше частоты напряжения сети fВЫПР = 2fСЕТИ. При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения. Ток через вентили протекает в течение полупериода и равен половине тока нагрузки.

Работа ОМС выпрямления характеризуется следующими соотношениями между токами, напряжениями и мощностями.

Читайте также:  Примеры использования силы тока

— среднее значение выпрямленного напряжения;

— среднее значение выпрямленного тока;

— среднее значение тока через вентиль;

— максимальное обратное напряжение, под которым находятся закрытые вентили.

Расчетные мощности обмоток трансформатора

где k-коэффициент трансформации трансформатора.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

Трехфазная мостовая схема (ТМС) выпрямления состоит из трехфазного трансформатора Т, вторичные обмотки которого соединяются по схеме «звезда» и шести вентилей VD1- VD6, рис.3, а, соединенных по схеме моста.

Вентили образуют две группы: 1) катодную или нечетную (вентили VD1, VD3, VD5), у которых вместе соединены катоды, образующие положительный полюс выпрямителя; 2) анодную или четную (вентили VD2, VD4, VD6) , у которых вместе соединены аноды, образующие отрицательный полюс выпрямителя.

В данной схеме в любой момент времени открыты два вентиля, один в катодной группе, другой в анодной группе, при этом каждый из вентилей работает в течение одной трети периода.

В катодной группе открыт тот вентиль, у которого положительное напряжение на аноде больше, чем у других вентилей. Например, в интервале t1-t3, рис.2, б, открыт вентиль VD1, в интервале t3-t5 — открыт вентиль VD3 и т. д. В анодной группе открыт тот вентиль, у которого отрицательное напряжение на катоде ниже, чем у других вентилей.

Рис.3. Трехфазная мостовая схема выпрямления

Например, в интервале t2-t4 открыт вентиль VD6, катод которого соединен с фазой Uс, имеющей наименьший потенциал в этом интервале. Рассмотрим работу ТМС в момент времени t, (рис.2, в). В этот момент наибольшее положительное напряжение фазы «в» приложено к аноду вентиля VD3, а наименьшее отрицательное напряжение фазы «с» приложено к катоду вентиля VD6. Эти вентили в момент t будут открыты. Ток в цепи будет течь по пути: точка «b» трансформатора — вентиль VD3 — нагрузка RН — вентиль VD6 — точка «с» трансформатора. При работе выпрямителя ток через сопротивление нагрузки RН течет в одном направлении.

Переключение вентилей в катодной группе происходит в момент пересечения положительных полуволн фазных напряжений, а в анодной группе в момент пересечения отрицательных полуволн фазных напряжений.

На рис.3, в-д представлены диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя. На рис.3, б приведены фазные напряжения трехфазного тока, подаваемые на вход выпрямителя. На рис.3, в показаны формы выпрямленного напряжения и тока. На рис.3, г, д показаны токи вентилей.

Работа ТМС на активную нагрузку характеризуется следующими соотношениями между токами, напряжениями и мощностями:

где U2 — фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

ТМС имеет следующие преимущества перед ОМС: равномерное распределение нагрузки по всем фазам сети; обратное напряжение на вентилях всего на 5% превышает напряжение на нагрузке; большая частота и меньшая амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения; больший КПД. ТМС широко применяется в промышленных выпрямителях.

В приложениях П1 и П2 приведены схемы, формы выпрямленного напряжения и расчетные соотношения для некоторых других выпрямителей средней и большой мощности.

Сглаживающие фильтры. Кривая выпрямленного напряжения, образованная из положительных участков синусоид, содержит постоянную и переменную составляющие. Полезный эффект (энергетический) у большинства потребителей постоянного тока создают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные же составляющие Um(К), образующие пульсации, приводят обычно к бесполезной затрате мощности, а иногда и к помехам. Например, у двигателя постоянного тока увеличиваются потери, ухудшается коммутация, что приводит к нагреву двигателя и усилению искрения под щетками. Покрытие металлов в гальванических ваннах пульсирующим током хуже, чем постоянным. В электронике и радиоаппаратуре пульсация приводит к значительным помехам (фон переменного тока на выходе усилителей). Для уменьшения пульсации напряжения на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром.

Пульсация напряжения на выходе выпрямителя (работа без фильтра) оценивается коэффициентом пульсации qВХ, который равен:

где U1m — амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения;

U0 — постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Пульсация напряжения на нагрузке (при работе выпрямителя с фильтром) характеризуется коэффициентом qВЫХ, который равен

— амплитуда первой гармоники на нагрузке (после фильтра);

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

U0 — выпрямленное напряжение на нагрузке RН (после фильтра).

Пульсация напряжения на нагрузке (qВЫХ) задается условиями работы потребителя, а пульсация напряжения на выходе выпрямителя (qВХ) известна после выбора схемы выпрямления: ОМС — qВХ = 67%, ТМС qВХ = 6% и ТНС — qВХ = 25%. Отношение значений qВХ и qВЫХ определяет степень сглаживания фильтра выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра:

Виды фильтров: емкостный, индуктивный, индуктивно-емкостный и другие (рис.4).

Емкостный фильтр (рис., 4а) представляет собой конденсатор С, включаемый параллельно нагрузке. Он пропускает через себя переменную составляющую, а по нагрузке течет только постоянная составляющая выпрямленного тока. Обычно и применяется при малых токах и больших величинах RН.

Рис.4. Сглаживающие фильтры:

а — емкостный фильтр; б — индуктивный фильтр; в — индуктивно-емкостный

Индуктивный фильтр (рис.4, б) представляет собой дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой и обладающий большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока. Для хорошего сглаживания напряжения на нагрузке необходимо, чтобы .

Индуктивный фильтр выгодно применять в выпрямителях средней и большой мощности, у которых сопротивление нагрузки мало. Если требуется иметь очень малое значение коэффициента пульсации qВЫХ, то применяют Г — образный и другие многозвенные фильтры.

Внешние характеристики выпрямителя. Наличие активных сопротивлений в обмотках трансформатора и в последовательных элементах сглаживающего фильтра, а также внутреннее падение напряжения в вентилях приводит к тому, что с ростом нагрузочного тока выходное напряжение выпрямителя уменьшается. Зависимость выпрямленного напряжения U0 от выпрямленного тока I0 называется внешней характеристикой выпрямителя U0=f(I0). На рис.5 представлены внешние характеристики выпрямителя при отсутствии и наличии фильтров.

Рис.5. Внешние характеристики выпрямителя:

1 — без фильтра; 2 — С фильтр; 3 — L фильтр; 4 — LC фильтр

КПД выпрямителя определяется отношением полезной мощности к мощности потребляемой сети, для однофазного выпрямителя:

и для трехфазного выпрямителя:

где J1Ф, U1Ф — фазные ток и напряжение сети.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание экспериментальной установки

Работа проводится на стенде с названием «Исследование выпрямителей». Источником переменного напряжения служит трехфазная сеть с напряжением 36/24 В, поэтому исследуются выпрямители без трансформаторов. Сеть обозначена клеммами А, B, С, N. На стенде имеются шесть вентилей с выводами, что позволяет собирать требуемую схему выпрямителя. Сглаживающий фильтр представлен дросселем L и конденсатором С. Нагрузкой служат лампы накаливания мощностью 40-60 Вт и номинальным напряжением 36 В. Лампы могут включаться тумблерами S2-S6. Максимальный постоянный ток в цепи с лампами — 5А.

Приборы и методика измерений

На стенде установлены вольтметры и амперметры для измерения переменных и постоянных напряжений и токов. Для измерения переменной составляющей выпрямленного тока следует воспользоваться цифровым вольтметром переменного тока типа В8-11А. Наблюдение осциллограмм напряжений на нагрузке производится осциллографом С1-73.

В данной лабораторной работе при измерениях используется метод непосредственного отсчета с прямыми однократными измерениями. Результат измерения записывается в виде:

где А — показание прибора (результат наблюдения);

— предел максимальной абсолютной погрешности измерительного прибора.

При выполнении лабораторной работы результаты наблюдений, т. е. показания приборов, заносить в таблицы.

ТРЕБОВАНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Сборку схемы проводите только при отключенном напряжении сети.

2. Стенд включает только преподаватель после проверки схемы.

3. При измерениях не касайтесь оголенных токоведущих частей. Провода, подключенные к переносным приборам, держите за изолированные части.

4. Не прикасайтесь одновременно к металлическим корпусам измерительных электронных приборов и осциллографов и заземленным конструкциям, например, отопительным батареям или трубам.

5. По окончании измерений выключите стенд.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться со стендом и схемой опыта. Выбрать на стенде необходимые для работы приборы и показать их преподавателю.

2. Собрать схему опыта. В данной работе исследуются две схемы выпрямления: однофазная мостовая (ОМС), рис. 6 и трехфазная мостовая (ТМС), рис. 7. Сначала следует собрать ОМС и исследовать ее по программе, приведенной ниже, а затем то же выполнить для ТМС выпрямления.

3. Снять внешнюю характеристику выпрямителя U0 = f(I0) без фильтра. Для этого зашунтировать дроссель фильтра включением тумблера S и разомкнуть цепь конденсатора С тумблером S1. В режиме холостого хода выпрямителя записать в табл. 1 показания вольтметров переменного и постоянного напряжений. Далее, увеличивая ток нагрузки (включением параллельно ламп накаливания), проделать не менее пяти измерений токов и напряжений согласно табл. 1.

4. Снять внешнюю характеристику выпрямителя с фильтром. Для этого отключить тумблер S и включить S1, после чего выполнить те же операции, что и в предыдущем пункте.

5. Определить коэффициенты пульсаций и сглаживания выпрямителя без фильтра и с фильтром. Для этого измерить величину переменной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке в режиме холостого хода и в режиме номинальной нагрузки выпрямителя. Данные измерений и вычислений записать в табл. 2.

Рис.6. Схема исследования однофазного выпрямителя

Рис.7. Схема исследования трехфазного выпрямителя

Источник