Контрольные вопросы

1. Что такое выпрямление электрических колебаний, и на каком принципе осуществляется выпрямление?

2. Что такое выпрямитель?

3. Как работает мостовой выпрямитель?

4. Какие условия выбора диодов в выпрямителе?

5. Что называется коэффициентом пульсаций выпрямителя?

6. Что такое внешняя характеристика выпрямителя

Литература [3, с.258-265]

Из Питолина

форматора ΔР_Σ ; мощность потерь в стали сердечника Р_с; мощ­ность потерь в меди обмоток Р_м; к.п.д. трансформатора η пря­мым методом (η) и по данным опытов холостого хода и короткого замыкания (η), коэффициент нагрузки β_ОПТ, при котором к.п.д. максимален; построить в одной системе координат ха­рактеристики трансформатора: I₁, Р₁, cos φ₁, η, U = f (β).

6. Произвести анализ результатов опытов холостого хода и короткого замыкания, результатов испытания трансформатора под нагрузкой и сделать соответствующие выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните устройство и принцип действия испытуемого трансформатора.

2. Объясните принципы выбора приборов для выполнения опыта холостого хода.

3. То же для выполнения опыта короткого замыкания.

4. То же для испытания трансформатора под нагрузкой.

5. Объясните порядок сборки схемы рис.2.

6. Объясните порядок проведения опыта холостого хода, используя схему на рис.2.а.

7. То же для опыта короткого замыкания.

8. То же для испытания трансформатора под нагрузкой,

9. В чём отличие опыта короткого замыкания от аварийно­го режима короткого замыкания?

10. Какие величины определяются по данным опыта холо­стого хода, объясните смысл и изменение этих величин.

11. То же для опыта короткого замыкания.

12. То же для испытания трансформатора под нагрузкой.

13. Объясните смысл величин, указанных на щитке транс­форматора.

14. Объясните условные обозначения, нанесённые на шка­лы приборов.

15. Объясните устройство, принцип действия и назначение

приборов, используемых в данной работе.

Лабораторная работа № 8 исследование неуправляемого однофазного выпрямителя

Цель работы: изучить устройство и принцип действия однофазного выпрямителя; исследовать работу выпрямителя без фильтра и с емкостным фильтром в режимах холостого хо­да и под нагрузкой.

Теоретические сведения

Выпрямитель представляет собой устройство, предна­значенное для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство состо­ит из трансформатора, вентильной группы, в которой вентили соединены между собой по определенной схеме, и сглажи­вающего фильтра. К выходу устройства подключена нагрузка.

Трансформатор предназначен для согласования выход­ного напряжения сети и входного напряжения выпрямителя. Вентильная группа осуществляет выпрямление переменного тока. Сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульса­ции выпрямленного напряжения на нагрузке до необходимой величины. Выпрямители находят широкое применение в качестве источников питания устройств электроники, автоматики и ра­диотехники. Постоянный ток широко применяется для пита­ния двигателей постоянного тока на транспорте и промышлен­ных предприятиях. Передача энергии на большие расстояния в ряде случаев производится постоянным током высокого на­пряжения.

В выпускаемых промышленностью неуправляемых вы­прямителях применяются в основном полупроводниковые диоды, обладающие односторонней проводимостью. Вольтамперная характеристика такого диода приведена на рис. 1.

Рис.1. Рис. 2 a

При подаче на диод положительной полуволны напря­жения через него протекает прямой ток 1_пр, при этом прямое напряжение U_np для большинства диодов не превышает 1 вольта. При подаче на диод отрицательной полуволны напря­жения ток, протекающий через него, незначителен и составля­ет (10^-3 – 10^-4 ) I_{пр макс}. При обратном напряжении, равном или превышающем U_o6p._n., происходит пробой полупроводниковой структуры, и диод становится непригодным для дальнейшей эксплуатации. Выбор диодов для выпрямителя выполняется по их предельно допустимым параметрам на основании максимальных значений напряжения и тока нагрузки, допустимых в ус­ловиях эксплуатации: U_ОБРmax - максимально допустимое обратное напряжение; I_{пр.макс} - максимально допустимый средний прямой ток; Р_{СPДмакс} - максимально допус­тимая средняя рас­сеиваемая мощность диода. Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя, схема которого показана на рис.2.а. При этом примем допущения, что трансформатор и диод идеальны. На­грузка на выходе вы­прямителя носит ак­тивный характер. При синусоидальном напряжении U₁ питаю­щей сети напряжение U₂ на вторичной об­мотке трансформато­ра тоже синусоидаль­но (рис.2.б): u₂(t) = U_2msin ωt. В положительный полупериод напряжения U₂ через диод проходит ток нагрузки I_Н, напряжение на диоде U_пр согласно принятым допущениям равно нулю. При этом напряжение на нагрузке U_н соответству­ет напряжению U2 (рис.2.б). В отрицательный полупериод напряжения U₂ через диод,

Рис. 2 б Рис. 3 б

а, следовательно, и через нагрузку ток не проходит. При этом все напряжение U₂ приложено к диоду VD в обратном направлении и равно U_o6p , напряжение на на­грузке U_н равно нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения на на­грузке (постоянная составляющая) определяется как:

где U_2m= л/2 и₂-амплитуда выходного напряжения трансфор­матора; U₂ -действующее значение этого напряжения; Кс - ко­эффициент схемы выпрямления выпрямителя, для однополупериодного выпрямителя К_C = √2/π; = 0,45.

При расчете выпрямителя по средним значениям вы­прямленного напряжения U_H необходимо определять величи­ну действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂:

U₂ = = 2,22U_H.

Временная диаграмма напряжения на диоде U_д(1) показана на рис.2.б. Максимальное значение обратного напряжения диода равно амплитудному значению напряжения на вторичной об­мотке трансформатора и связано с напряжением нагрузки со­отношением:

U_{обр.макс} = U_2m = √2U₂ = U_H = πU_H.

Среднее значение тока диода определяется, как 1_Д = I_H = U_H/R_H.

Важным показателем схемы выпрямления является ко­эффициент пульсаций выпрямленного напряжения К_П, пред­ставляющий собой отношение двойной амплитуды пульсаций 2U_m к среднему значению выпрямленного напряжения на на­грузке U_H: К_П = 2U_m/U_Н. При однополупериодном выпрямлении Кп = 1,57.

Недостатками однополупериодной схемы выпрямления являются: плохое использование мощности трансформатора, большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Схема однофазного мостового выпрямителя показана на рис.3.а. В этой схеме при подаче положительной полуволны напряжения U2 ток проходит по цепи, содержащей диод VD1, сопротивление нагрузки R_H, диод VD3. Мгновенное значе­ние этого тока равно I_д1 = I_h = I_дЗ = U₂/R_H. Дио-

ды VD2 и VD4 в этот полупериод за­крыты, так как к ним приложено обратное напряжение. В отрицательный по­лупериод напряжения U₂ ток будет прохо­дить по цепи, содер­жащей диод VD2, со­противление нагруз­ки R_H, диод VD4, при этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в предыдущем полупе­риоде. Среднее зна­чение выпрямленного напряжения на нагрузке

Рис. 3 а Рис. 3 б

будет определяться:

U_H =

Коэффициент схемы выпрямления: К_С = 2√2/π = 0,9. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора: U₂ = U_Н/K_C = πU_Н/(2√2) = 1,1U_Н.

Среднее значение тока через диод I_Д = I_н/2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде: U_0бР._макс = √2U₂ = πU_H / 2 = 1,57U_H. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения: К_п = 2U_m/U_H = 0,67. Преимуществом мостовой схемы выпрямления являет­ся уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, луч­шее использование трансформатора из-за отсутствия подмагни - чивания сердечника выпрямленным током. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухуд­шает работу потребителей. Для уменьшения пульсаций на вы­ходе выпрямителя устанавливают сглаживающие фильтры. На рис. 4 представлена схема емкостного фильтра. В таком фильт­ре конденсатор С_ф подключается параллельно нагрузочному резистору. При этом переменная составляющая выпрямленно­го тока проходит через конденсатор, сопротивление которого значительно меньше сопротивления нагрузки 1/ω « R_H. В интервале времени t₁ - t₂

конденсатор, который до это­го был заряжен, разряжается через сопротивление нагрузки R_H с постоянной времени т = R_НС_Ф, поэтому напряжение на нагрузочном резисторе изменяется по кривой U_н (рис.5). В интервале времени t₂ - t₁

Рис.4 Рис.5

вы­прямленное напряжение становится больше U_oh и конденсатор заряжается. При этом за счет тока I_C увеличивается напряжение ΔU_а на активных сопротивлениях выпрямительного устройства (мгновенные значения заштрихованного участка на рис.5), что приводит к сглаживанию напряжения в этом интервале.