Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Error: Reference source not found Кафедра защиты информации

В.В. Климович , н.И. Шатило лабораторный практикум по курсу

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

( С основами энергосбережения)

для студентов специальности «Сети телекоммуникаций»

Минск 2005

Лабораторная работа № 1 Однофазные выпрямители с различными сглаживающими фильтрами

Цель работы - изучить особенности работы различных выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока.

Исследовать эффективность сглаживания пульсации выпрямленного напряжения с помощью распространенных на практике фильтров.

1 Краткие теоретические сведения

1.1 Предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный выпрямители в общем случае состоят из трех основных узлов (рисунок 1).

Т – трансформатор; ВЗ – вентильное звено; СФ – сглаживающий фильтр.

Рисунок 1 - Структурная схема выпрямителя

Трансформатор обеспечивает получение требующегося напряжения U_н на выходе выпрямителя при заданном действующем значении U₁ напряжения сети, а также устраняет непосредственно (гальваническую) связь цепей выпрямленного тока с питающей сетью, что обязательно при заземленной нагрузке.

Вентильное звено (ВЗ), состоящее из одного или нескольких определенным способом соединенных вентилей, осуществляет выпрямление переменного тока, т.е. пропускание его только в одном направлении. Пульсирующему току одного направления на выходе ВЗ соответствуют среднее (постоянное) напряжения U₀ и некоторые флюктуации напряжения относительно его среднего значения. Интенсивность этих флюктуаций, называемых в технике электропитания пульсациями, может быть охарактеризована по-разному, в частности, их действующим значением U_0~, напряжением U_пр~ половины размаха пульсаций и т.п.

Во многих случаях интенсивность пульсация на выходе ВЗ имеет недопустимую для нагрузки выпрямителя величину и для ее уменьшения применяют сглаживающие фильтры (СФ). СФ должен по возможности беспрепятственно пропускать постоянный ток и существенно подавлять пульсацию. При эффективно работе СФ для постоянного напряжения U_н и напряжения пульсации U_н~ на выходе фильтра справедливы соотношения U_н=U0; Uн~<<U_0~.

В силу периодичности переменного напряжения сети выпрямленное напряжение U₀(t) на выходе ВЗ m-фазного выпрямителя содержит периодическую пульсацию и может быть предоставлено в виде

. (1.1)

Здесь

- (1.2)

амплитуда k-й гармонической составляющей в разложении пульсации в ряд Фурье по косинусоидальным функциям, равная, как показывает анализ,

. (1.3)

– круговая (угловая) частота переменного тока питающей сети.

Содержание переменной составляющей в выпрямленном напряжении можно охарактеризовать с помощью так называемого коэффициента пульсации, который для k-й её гармоники (k=1,2…) определяется по формуле

. (1.4)

Часто для оценки качества постоянного напряжения на выходе выпрямителя используют коэффициент пульсации К_п1 по первой, (К=1) наиболее интенсивно, гармонике. Как следует из формулы (1.4)

. (1.5)

Вообще говоря, коэффициент пульсации может определяться с использованием различных мер ее интенсивности, в частности, действующего значения U_0~ или полуразмаха U_пр~ пульсации

(1.6)

(1.7)

Эффективность подавления пульсации удобно охарактеризовать отношением коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе. При использовании для определения коэффициентов пульсации формулы (1.6) указанное отношение, называемое коэффициентом сглаживания q, запишется в виде

, (1.8)

где К_пн = U_н~/ U_н – коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра (рисунок 1).

Если потери постоянного напряжения в СФ невелики, т. е. U_н=U₀, то коэффициент сглаживания, как это следует из соотношения (8), можно определить по следующей приближенной формуле:

(1.9)

Выражения (1.9) позволяет формально трактовать коэффициент сглаживания СФ как коэффициент деления входного напряжения U_0~ пульсации между фильтром и нагрузкой, на которой действует лишь часть U_н~ этого напряжения. Пользуясь этим представлением, легко находить приближенные соотношения для анализа эффективности многих сглаживающих фильтров.

Наиболее распространенные схемы выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока, приведены на рисунке 2. С правой стороны от собственно съем выпрямителей на рисунок 2 показаны виды нагрузок, на которые эти выпрямители

Рисунок 2 Схемы выпрямителей, питающихся от однофазной сети переменного тока:

а) однополупериодная;

б) двухполупериодная со средней точкой;

в) мостовая (схема Герца)

Обычно работают на практике. На рисунок 3 изображены временные диаграммы для напряжения и тока, действующих в одно- и двухполупериодных схемах при чисто активно нагрузке.

Однополупериодный выпрямитель (рисунок 2а) применяется в основном при работе на нагрузку емкостного характера, в редких случаях – на чисто активную нагрузку. Его достоинствами являются: простота, минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора.

К существенным недостаткам схемы относятся: высокий коэффициент пульсации К_п1 ≈ 1,57; низкая частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту, совпадающую с частотой, питающего выпрямитель напряжения); высокое обратное напряжение на вентиле U_обрmax = πU₀; плохое использование трансформатора, так как его габаритная мощность более чем в три раза превышает мощность, отдаваемую в нагрузку на постоянном токе; подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Перечисленные недостатки являются причиной ограниченного применения однополупериодных выпрямителей на практике.

Двухполупериодная схема со средней точкой (рисунок 2б) По-существу представляет собой два параллельно включенных однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно через полпериода выпрямляемого напряжения. Используется в основном при нагрузке емкостного или индуктивного характера, при активной нагрузке применяется редко.

Основными преимуществами схемы по сравнению с однополупериодной являются: меньший коэффициент пульсации Кп1 =0,67; повышенная частота пульсации (первая ее гармоника имеет частоту, вдвое большую частоты питающего напряжения); возможность использования вентилей с общим катодом или анодом (при кенотронных вентилях это позволяет питать накальные цепи от одного источника, а при использовании полупроводниковых диодов – применять общий радиатор).

Основными недостатками схемы являются усложненная из-за наличия среднего отвода во вторичной обмотке конструкция трансформатора и высокое обратное напряжение на вентилях равное, как и в однополупериодной схеме, U_обрmax =πU₀.

Мостовая схема (рисунок 2в) из всех двухполупериодных схем выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока, обладает наилучшими технико- экономическими показателями. Применяется в основном при нагрузке с емкостной иди индуктивной реакцией, реже - при активной нагрузке.

Рисунок 3 Временные диаграммы токов i_Н(t) и напряжений U_H(t), действующих в активной нагрузке при однополупериодном (б) и двухполупериодном (в) выпрямлениях переменного напряжения U₂(t) (a)

В сравнении с предыдущей схемой она не требует усложнения трансформатора, характеризуется лучшим его использованием, допускает работу без трансформатора, обеспечивает вдвое меньшее обратное напряжении на вентилях (U_обрmax = π U₀/2).

Недостатки схемы: большое число вентилей, повышенное прямое падение напряжения на вентильном звене, невозможность питания цепей накала кенотронных вентилей от одного источника (нужны три накальные обмотки) и недопустимость установки полупроводниковых вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

2.3 Основные схемы пассивных сглаживающих фильтров (СФ) приведены на рисунок 4.

Помимо необходимости обеспечивать задачный коэффициент сглаживания q от СФ требуют минимальных габаритов, веса и стоимости, высокого коэффициента полезного действия, отсутствия недопустимых перенапряжения на нагрузки и бросков тока в выпрямителе при включении и выключении источника питания или импульсном потреблении тока нагрузкой. Оптимизация СФ по совокупности перечисленных технико-экономических показателей является сложной и в общем случае не решенной задачей. Поэтому при проектировании СФ пользуются двумя основными критериями – критерием минимума стоимости и критерием минимума масс – габаритных характеристик.

В простом L-фильтре (рисунок 4а) в качестве индуктивности используют дроссель, в магнитопроводе которого для ослабления его подмагничивания постоянным током нагрузки выпрямителя обычно специально вводится немагнитный зазор.

Сглаживающее действие фильтра на частоте mw в соответствии с ранее сказанным можно упрощенно трактовать как деление напряжения входной пульсации между большим (по переменному току) сопротивлением mwL дросселя и сопротивлением Rн нагрузки. Тогда коэффициент сглаживания такого фильтра примерно равен

(10)

При >>R_н интенсивность пульсации на нагрузке оказывается существенно меньше, чем на входе фильтра (см. рисунок 5а).

Рисунок 3 Временные диаграммы токов i_Н(t) и напряжений U_H(t), действующих в активной нагрузке при однополупериодном (б) и двухполупериодном (в) выпрямлениях переменного напряжения U₂(t) (a)

Рисунок 4 Основные схемы пассивных сглаживающих фильтров:

а) простой L-фильтр; б) простой С-фильтр

в) Г-образный однозвенный LC-фльтр г) П-образный однозвенный LC-фильтр е) П-образный однозвенный RC-фильтр.

Рисунок 5 К пояснению работы простых сглаживающих фильтров при двухполупериодном выпрямлении:

U₀(t) – напряжение на входе фильтра; i_в(t) – ток в вентилях;

U_Н(t) – напряжение на нагрузке;

a) диаграммы для L-фильтра б) диаграммы для С-фильтра

Приближенность формулы (10) обусловлена использованием при ее выводе предположения, что >> Rн, а так- же пренебрежением внутренним сопротивлением выпрямителя и активным сопротивлением дросселя.

Как видно из этой формулы, эффективность L-фильтра возрастает с увеличением числа m фаз выпрямителя и уменьшением сопротивления Rн нагрузки. Поэтому такие фильтры предпочтительно применять в много фазных выпрямителях при малых сопротивлениях больших токах нагрузки.

Достоинства фильтра: простота, высокая надежность и большая проходная мощность.

Недостатки: большие габариты и масса (при значительных величинах требующегося коэффициента сглаживания), большая э.д.с. самоиндукции при включении источника.

Сглаживающее действие простого С-фильтра (рисунок 4б) обусловлено быстрым зарядом конденсатора через малое внутреннее сопротивление нагрузки (рисунок 5б).

Оценка эффективности этого фильтра проводится на основе анализа особенностей работы выпрямителя на нагрузку емкостного характера и дает следующее выражение коэффициента сглаживания(1-5):

(1.11)

Где rф – внутреннее сопротивление каждой фазы выпрямителя; Нm – коэффициент, зависящий от частоты выпрямляемого напряжения, угла Q отсечки тока в вентилях (см. на рисунок 5б диаграмму 1В (t)) и числа m импульсов тока в нагрузке за период выпрямленного напряжения. Величина Hm определяется по имеющимся в справочниках графикам при расчете выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией (5).

Достоинства фильтра: простота конструкции, малые габариты и масса.

Основным его недостатком является малая эффективность при больших токах нагрузки, т.к. для обеспечения медленного разряда конденсатора через малое сопротивление нагрузки требуется значительно увеличивать его емкость. Наиболее часто фильтр используется в однофазных выпрямителях малой мощности.

Для достижения высоких коэффициентов сглаживания с помощью простых L- и С-фильтров необходимо применять большие индуктивности и емкости, что приводит к существенному увеличению массы и габаритов выпрямителя. Выход из этого положения дает усложнение СФ.

Примером такого усложнения является однофазный Г-образный LC-фильтр (рисунок 4в). Пренебрегая обычно малым внутренним сопротивлением выпрямителя и активным сопротивлением дросселя и пологая, что

Коэффициент сглаживания фильтра можно найти как коэффициент деления входной пульсации с помощью следующего приближенного соотношения:

(12)

Если из равенств (10), (11) при заданном коэффициенте сглаживания непосредственно можно найти обеспечивающие его индуктивность или емкость, то из последнего соотношения определяется лишь произведение

(13)

Для конкретизации величин L1 и C1 требуется привлечение какого-либо дополнительного условия, например, условия согласования СФ с нагрузкой, т.е. выполнения равенства

(14)

Где – волновое сопротивления фильтра.

Достоинством фильтра является возможность получения высоких коэффициентов сглаживания при больших токах нагрузки.

Недостатки: повышенная сложность (в сравнении с простейшими СФ), значительные габариты и масса.

Дополнение Г-образного LC-фильтра предшествующим ему емкостным фильтром приводит к П-образному LC-фильтру (рисунок 4г). Коэффициент сглаживания q_ПLC такого фильтра равен (см. формулы 11 и 12);

(15)

Структурно подобны Г-образному и П-образному LC-фильтрам Г-образные и П-образные RC-фильтры (см. рисунок 4). Их коэффициенты сглаживания определяются следующими приближенными соотношениями

(16)

(17)

Где Rэ=R₁R_н/(R₁+R_н) – эквивалентное сопротивление, учитывающее влияние на сглаживающее действие фильтра сопротивления нагрузки Rн.

RC-фильтры имеют малые массу и габариты, низкую стоимость. Однако в таких фильтрах сравнительно велики потери мощности в резисторе R1 и падение напряжения на нем. Поэтому величина R1 обычно не превышает (0,1-0,25)Rн. При этом сглаживающее действие фильтра не может быть значительным. Применяются RC – фильтры в маломощных выпрямителях при слабых токах нагрузки.

Как LC-, так и RC-фильтры могут быть многозвенными. При этом общий коэффициент сглаживания фильтра определяется произведением коэффициентов сглаживания входящих в него звеньев. Оптимизация многозвенного LC-фильтра при фиксированных суммарных индуктивности и емкости показывает, что наибольший коэффициент сглаживания достигается при одинаковых параметрах его звеньев.

Многозвенные СФ применяются при необходимости весьма существенного подавления пульсаций.

Из пассивных фильтров наиболее широкое применение находят LC-фильтры. Однако их применение ограничивает ряд недостатков: большая длительность переходных процессов в динамических режимах, большие габариты и масса, зависимость коэффициента сглаживания от постоянного тока нагрузки. Кроме того, магнитное поле рассеяния дросселей часто является источником помех для питаемых устройств.

От перечисленных недостатков свободны активные сглаживающие фильтры, построенные с использованием электронных ламп или транзисторов.

На рисунок 6а в качестве примера приведена схема транзисторного активного фильтра с последовательным (по отношению к нагрузке) включением транзистора. Можно усмотреть определенную аналогию между этим фильтром и П-образным пассивным LC-фильтром, полагая, что дроссель последнего заменяется транзистором, имеющим большое сопротивление эммитер-коллектор по переменному току и малое – по постоянному.

Различие этих сопротивления легко уяснить из рассмотрения рабочей точки А, соответствующей режиму работы транзистора на коллекторных характеристиках (рисунок 6,б). В самом деле, сопротивление транзистора постоянному току пропорционально tg(α_cm) и невелико (α_cm<< π/2₎. Сопротивление же переменному току пропорционально tg(α_дин) и значительно, ибо α_дин≈ π/2.

Резистор R_б служит для установления нужного режима по постоянному току (задает ток в базу транзистора). Цепь R_эC_р, имеющая большую постоянную времени, используется для поддержания постоянства тока эммитера, благодаря чему и коллекторный ток остается примерно постоянным, то есть пульсация напряжения на нагрузке ослабляется. Существует ряд модификаций схем активных СФ.

Достоинствами этих фильтров являются: малые габариты, возможность фильтрации медленных пульсаций (вплоть до стабилизации напряжения).

Недостатки активных СФ состоят в их сложности, повышенной стоимости, чувствительности к коротким замыканиям нагрузки, трудности обеспечения больших нагрузочных токов.

III. Описания лабораторной установки

Рисунок 6. Транзисторный сглаживающий фильтр:

а) принципиальная схема

б) коллекторные характеристики транзистора с указанием рабочей точки А;

α_{cm –} угол, характеризующий статическое сопротивление транзистора

α_{дин –} угол, характеризующий динамическое сопротивление транзистора

Лабораторная установка (см. рисунок 7) дает возможность исследовать полупроводниковые однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой выпрямители для однофазной сети переменного тока.

Рисунок 7. Принципиальная схема лабораторной установки.

Переход от одной схемы выпрямителя к другой осуществляется путем соответствующих переключения выключателя S4 и переключателя S3. В установке предусмотрено исследование 5 видов сглаживающих фильтров, а именно: C-фильтра; L-фильтра; Г-образного LC-фильтра; Г-образного RC-фильтра и активного (электронного) транзисторного фильтра. Выбор нужного фильтра производится с помощью переключателя S5 и выключателя S6.

Для наблюдения временных диаграмм, действующих в установке напряжения и токов, используется стандартный осциллограф. Проведение измерений при выполнении экспериментов обеспечивается имеющимися в установке вольтметром переменного тока ИП-1, амперметром ИП-2 и вольтметром ИП-3 постоянного тока. Прибор ИП-1 контролирует действующее значение выпрямляемого напряжения. Приборы ИП-2, ИП-3 служат для измерения постоянного тока в нагрузке и постоянного напряжения на ней.

IV. Порядок выполнения работы

1. изучить схему лабораторной установки, ознакомиться на ее макете с органами управления и регулировки, а также с имеющимися в нем контрольно-измерительными приборами.

2. с разрешения преподавателя включить выключателем S1 макет. При этом должна загореться сигнальная лампочка HL. Включить контрольный осциллограф.

3. установить наибольшее значение сопротивления нагрузки, для чего ручку регулировки реостата R5 поставить в крайнее правое положение.

4. подготовить макет для опытов с однополупериодной схемой выпрямителя, для чего переключатели S2 и S3 поставить в положение 1, а выключатель S4 в положение «выкл».

5. подключить вход контрольного осциллографа к клеммам Х4-Х5. Если используемый тип осциллографа при измерениях интенсивности входных воздействий требует калибровки, - откалибровать его. Отрегулировать чувствительность осциллографа так, чтобы обеспечивалось удобство наблюдения пульсаций выходного напряжения выпрямителя.

6. установить выключатель S6 конденсатора C2 в положение «выкл», а переключатель S5 в положение 1. Наблюдать и зарисовывать осциллограмму напряжения на число активной нагрузки. Измерить с помощью осциллографа величину Uпр половины размаха пульсаций выходного напряжения выпрямителя. Вольтметром постоянного тока ИП-3 зафиксировать постоянную составляющую Uн напряжения на нагрузке.

По формуле K_п = U_пр/U_н оценить коэффициент пульсации при отсутствии сглаживающих фильтров.

7. Снять внешнюю (нагрузочную) характеристику выпрямителя, т. е. зависимость (()() постоянной составляющей Uн напряжения на нагрузке от тока Iн через нее. Для этого, изменяя с помощью реостата R5 сопротивление нагрузки от максимального до минимального, сделать (3-4) измерения напряжения Uн и тока Iн с помощью приборов ИП-3 и ИП-2. Параллельно производить измерения полуразмаха Uпр пульсации выходного напряжения с помощью осциллографа. Результаты измерений занести в табл. 1. Записать величину переменного напряжения U2 на входе вентильного звена, измеряемую вольтметром переменного тока ИП-1.

Uн [B]
Iн [мА]
Uпр [B]
Kп

8. По данным измерений рассчитать коэффициент пульсации K_п = U_пр/U_н для каждой пары значений Uн и Iн. Результаты расчетов поместить в последней строке табл.1.

Построить графики зависимостей U_н(I_н) и К_п(I_н).

9. Для значения I_нср постоянного тока нагрузки, соответствующего середине диапазона его изменения, по данным табл. 1 сравнить напряжения U₂ и U_нср, осмыслить и уметь объяснить соотношение между этими величинами.

При токе нагрузки I_н зарисовать осциллограмму пульсации напряжений на выходе выпрямителя.

10. Проделать работу по п п. (7-9) для всех типов пассивных фильтров, имеющихся в макете, т. е. для C-, L-, LC-, RC-фильтров, исключая транзисторный активный фильтр. Выбор фильтров производится с помощью выключателя S6 и переключателя S5 по схеме, изображенной на передней панели макета.

11. Для средней величины I_нср нагрузочного тока сравнить коэффициенты пульсации выходного напряжения при отсутствии сглаживания и использовании различных фильтров.

Проанализировать различие осциллограмм пульсации, зарисованных в соответствии с заданием п.9. Для всех использованных фильтров рассчитать коэффициенты сглаживания (q_c;q_L;q_LC;q_RC).

11. Подготовить макет для работы с двухполупериодной схемой выпрямителя со средней точкой; для чего переключатели S2 и S3 поставить в положение 1, а переключатель S4 поставить в положение «вкл».

Выполнить для этой схемы те же работы, что и для однополупериодного выпрямителя по п п. (6-11), включая исследование с активным транзисторным фильтром.

11. Подготовить для работы мостовую схему выпрямителя, для чего, оставив выключатель S4 в положении «вкл», переключатели S2 и S3 перевести в положение2. Провести те же работы, что и для предыдущей схемы.

V. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Принципиальная схема лабораторной установки.

3. Таблицы с результатами измерений и расчетов.

4. Графики зависимостей U_н(I_н); К_п(I_н) для всех исследованных схем выпрямителей при чисто активной нагрузке применении различных сглаживающих фильтров.

5. Зарисованные в соответствии с заданием осциллограммы пульсаций выходного напряжения выпрямителей.

6. Рассчитанные значения коэффициентов сглаживания различных фильтров (см. п. 11 порядка выполнения работы).

7. Краткая характеристика результатов работы и выводы по ней.

VI. Контрольные вопросы..

1. Схемы, принцип работы и сравнительная характеристика однополупериодного, двухполупериодного со средней точкой и постового выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока.

2. Особенности работы выпрямителей на активную, емкостную и индуктивную нагрузки.

3. Нагрузочная характеристика выпрямителя, определения по ней его внутреннего сопротивления и величины ЭДС постоянного тока в схеме замечания выпрямителя.

4. Определения и смысл коэффициента пульсации и коэффициента сглаживания для устройств электропитания.

5. Классификация сглаживающих фильтров, требования к ним.

6. Достоинства, недостатки и область применения простого индуктивного фильтра

7. То же, что и в предыдущем вопросе, относительно простого емкостного фильтра.

8. Принцип построения и общая характеристика LC- и RC-фильтров.

9. Активные сглаживающие фильтры, их принципиальные схемы, достоинства, недостатки, область применения.

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СУМНОЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ