Новосибирский Государственный Технический Университет
Кафедра Промышленной электроники
Курс “Силовые полупроводниковые приборы”.
Лабораторная работа 1.
Методические указания
к лабораторной работе
Составил: Р.Я. Заболев
Новосибирск 2012
Лабораторная работа 1 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”
Тема: исследование влияния параметров схемы на токовую и тепловую загрузку полупроводниковых диодов в неуправляемом выпрямителе.
Цели:
1). Начальное знакомство с программным обеспечением PSIM. Приобретение навыков использования PSIM в получении, обработке и анализе результатов численного эксперимента.
2). Исследование условий работы полупроводниковых диодов в мостовой схеме выпрямления однофазного тока при ее работе на R- и RL-нагрузку.
Метод исследования:
численные эксперименты с использованием программного обеспечения PSIM.
1.1. Предварительные замечания
Выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Выпрямители относятся к семейству так называемых AC/DC – преобразователей (где использованы сокращения от слов Alternating Current - переменный ток, Direct Current - постоянный ток).
У
прощенный
вариант электрической схемы замещения
неуправляемого выпрямителя однофазного
тока приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Мостовая схема выпрямления однофазного тока
В состав схемы входят следующие основные элементы.
1). Идеальная питающая сеть, состоящая из источника синусоидальной ЭДС e2.
2). Вентильный комплект, который, собственно, и осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное. В нашем случае вентильный комплект состоит из четырех диодов. У двух из них соединены катоды - это так называемая “катодная группа вентилей”, приборы в которой принято нумеровать нечетными числами – диоды D1 и D3. У двух оставшихся соединены аноды, и они образуют “анодную группу вентилей”, приборы в которой принято нумеровать четными числами – диоды D2 и D4.
Легко заметить, что при подобном соединении диодов вентильный комплект можно рассматривать как мостик, в одну диагональ которого включена питающая ЭДС e2, а к другой подключена RL-нагрузка. По этой причине приведенную на рис. 1.1 схему в силовой электронике обычно называют мостовой схемой выпрямления однофазного тока.
3). Индуктивный сглаживающий фильтр Ld, используемый для сглаживания пульсаций выпрямленного тока (тока нагрузки).
4). Резистивная нагрузка Rd, которая, собственно, и является потребителем энергии постоянного тока.
Идеализированные диаграммы токов и напряжений в схеме при двух граничных параметрах нагрузки приведены на рис. рис. 1.2 .
Рис. 1.2. Диаграммы токов и напряжений при Ld = 0 (слева) и при Xd >> Rd (справа)
Диоды в мостовой схеме выпрямления
однофазного тока работают попарно. На
интервале
включены диоды D1
и D2, а на интервале
– диоды D3 и D4.
В результате напряжение ed
на выходных зажимах выпрямителя в
пределах первого интервала определяется
положительной полуволной питающей ЭДС
e2, а в пределах
второго интервала – ее отрицательной
полуволной, развернутой на 180о
относительно оси времени.
Как видим, форма напряжения ed на выходных зажимах вентильного комплекта остается неизменной при любом характере нагрузки (рис. 1.2,б).
В принципе, в ней можно выделить две составляющие: постоянную составляющую Ed(av) (среднее значение) и переменную составляющую ed≈, которая характеризует отклонение реальной кривой от среднего уровня (на рис. 1.2,б эти отклонения показаны затенением):
(1.1)
Постоянная составляющая Ed(av) является полезной. Собственно говоря, выпрямители и делаются именно ради нее.
Переменная же составляющая ed~ является вредной, которая характеризует не идеальность преобразования переменного напряжения в постоянное. Чем меньше переменная составляющая, тем выше качество выпрямленного напряжения.
Среднее значение выпрямленного напряжения Ed(av) (average value) определяется как
(1.2)
где E2 – действующее значение ЭДС питающей сети;
Edm – максимальное значение выпрямленного напряжения, равное амплитуде питающей ЭДС:
,
(1.3)
Максимальная величина обратного напряжения URm, прикладываемого к диодам, при любом характере нагрузки равна амплитуде ЭДС питающей сети (рис. 1.2,д):
(1.4)
Изменение характера нагрузки, не влияющее на форму кривой и интегральные параметры выпрямленного напряжения, отразится на форме и интегральных параметрах тока, протекающего в контуре нагрузки.
Естественно, что при этом изменятся также и параметры токовой загрузки элементов силовой схемы, в том числе диодов, которые нас и интересуют в первую очередь.
Режим “чисто активной” нагрузки (Ld = 0).
В режиме чисто активной нагрузки кривая тока id в контуре просто повторяет по форме напряжение на выходных зажимах выпрямителя ed:
(1.5)
Максимальное значение анодного тока Iam диодов равно максимальному значению тока нагрузки Idm (рис. 1.2,г):
(1.6)
Среднее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):
(1.7)
Действующее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):
(1.8)
Коэффициент формы kf и коэффициент амплитуды ka анодного тока:
(1.9)
Режим активно-индуктивной нагрузки (Xd = 2πf·Ld ≠ 0).
Наличие индуктивности в контуре нагрузки не сказывается на величине среднего значения (постоянной составляющей) протекающего через нее тока Id(av), поскольку у постоянной составляющей частота f = 0. А вот переменная составляющая id≈ будет ограничиваться (уменьшаться) и тем сильнее, чем больше величина индуктивности.
При “чисто индуктивной нагрузке”, когда Xd >> Rd, переменная составляющая в токе нагрузки исчезнет вообще, и он окажется идеально сглаженным (рис. 1.2,в справа):
(1.10)
Максимальное значение анодного тока Iam диодов равно среднему значению тока нагрузки Id(av) (рис. 1.2,г):
(1.11)
Среднее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):
(1.12)
Действующее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):
(1.13)
Коэффициент формы kf и коэффициент амплитуды ka анодного тока:
(1.14)