Министерство образования РФ.

Омский Государственный Технический Университет.

Методические указания к выполнению домашних работ

по курсу «Электротехника и основы электроники».

Раздел «Основы электроники».

г.Омск.

Введение.

Выпрямители находят широкое применение в источниках питания электронных и электротехнических устройств. Во многих случаях улучшение технических характеристик устройств тесно связано с повышением качества их источников питания, поэтому к параметрам выпрямителей применяются весьма высокие требования. Целью расчетно-графической работы является разработка схемы выпрямителя для блока питания систем автоматического управления, электроприводов постоянного тока, радиоэлектронных устройств и т.д. В процессе выполнения задания необходимо выбрать схему выпрямителя и фильтра, рассчитать режимы работы элементов, определить тип вентиля, параметры трансформатора, а также рассчитать значения элементов сглаживающего фильтра.

1.Общие сведения.

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от числа фаз переменного напряжения различают однофазные и многофазные (обычно трёхфазные) выпрямители. По величине мощности выпрямители подразделяются на выпрямители малой (до 1 кВт), средней (от 1 кВт до 100 кВт) и большой (> 100 кВт) мощности. Структурная схема выпрямителя приведена на рис.1. Она включает в себя: Т – трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети U_С до величины U₂, определяемой требованиями нагрузки; В – вентильную группу, которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение U₂ преобразуется в пульсирующее; Ф – фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения Ки сглаживающий его пульсации.

Основными показателями работы выпрямителя являются: среднее значение выпрямленного тока и напряжения I_d и U_d; коэффициент пульсаций:

К_П= U_О.Г./U_d , (1.1)

где U_О.Г. – амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения; выходное сопротивление постоянному току R_ВЫХ., коэффициент полезного действия ; коэффициент использования вентилей по напряжению:

К_О= U_О.М./U_О.Д. , (1.2)

где U_О.М. – максимальное обратное напряжение на вентиле; U_О.Д. – допустимое обратное напряжение вентиля; коэффициент использования вентилей по току:

К_i = I_а/I_а.н. , (1.3)

Где I_а – среднее значение тока, протекающего через вентиль, I_а.н. – номинальное значение тока вентиля. Основной характеристикой выпрямителя, как и любого источника питания, является внешняя (нагрузочная) характеристика U_d = f( I_d ). Она позволяет определить номинальное значение выпрямленного напряжения и выходное сопротивление выпрямителя:

R_ВЫХ. = U_d / I_d , (1.4)

Свойства выпрямителя в значительной степени зависят от характера на его выходных зажимах, которая может быть активной (омической), начинающейся с ёмкости.

2. Выпрямители однофазного тока, работающие на

активное сопротивление.

2.1. Однополупериодная схема.

Схема выпрямителя и диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие её работу, показаны на рис.2. Видно, что ток через нагрузку протекает только в положительные полупериоды напряжения U₂ . Тогда среднее значение выпрямленного напряжения равно:

U_d = ^. sin t ^. d( t)= U₂ . (2.1)

Действующие значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U₂ 2,22 U_d . (2.2)

Среднее значение тока через вентиль:

I_a= I_d . (2.3)

Максимальное значение тока вентиля:

I_a.м.= = I_d . (2.4)

Максимальное обратное напряжение на вентиле:

U_о.м.= U₂ = U_d . (2.5)

Частота f_о.г. переменной составляющей выпрямленного напряжения равна частоте сети f_с . Коэффициент пульсаций выпрямителя:

К_п = = 1,57. (2.6)

Параметры трансформатора.

Действующее значение тока вторичной обмотки:

I₂= = I_d . (2.7)

Действующее значение тока первичной обмотки:

I₁= = I_d , (2.8)

где К= - коэффициент трансформации. Расчётная (габаритная) мощность:

Р_т= = 3,09 P_d . (2.9)

Расчётная мощность трансформатора значительно больше мощности, отдаваемой победителю, так как ток вторичной обмотки i₂(t) несинусоидален и помимо тока основной частоты f_o.r. имеет постоянную составляющую и токи высших гармоник (рис.2б).

Полученные результаты показывают, что однополупериодная схема имеет плохие показатели – неудовлетворительное использование трансформатора и вентиля, большие пульсации выпрямленного напряжения при низкой их основной частоте. Схема нашла применение при очень малых мощностях Р_d в случае, когда нагрузка начинается с ёмкости.

2.2.Двухполупериодная схема выпрямления с

нулевым выводом.

Эту схему можно рассматривать как совокупность двух однополупериодных схем, подключённых на общую нагрузку (рис.3а). Вентили и вторичные обмотки трансформатора работают поочерёдно, пропуская в нагрузку ток в положительные полупериоды напряжений U_2a и U_2б . Следовательно, ток через нагрузку R_н проходит в одном направлении в оба полупериода сетевого напряжения (рис. 3б).

Среднее значение выпрямляемого напряжения:

U_d= t^.d( t) = . (2.10)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U₂=1,11 U_d . (2.11)

Cреднее значение тока через каждый вентиль:

I_a= I_d/2 . (2.12)

Максимальное значение тока вентиля:

I_а.м.= = I_d . (2.13)

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

U_о.м.= 2 U₂ = U_d , (2.14)

Частота основной гармоники выпрямленного напряжения:

f_о.г.=2f_c (2.15)

Коэффициент пульсаций:

К_п= = 0,67. (2.16)

Параметры трансформатора:

Действующее значение тока вторичной обмотки:

I₂= = I_d . (2.17)

Действующее значение тока первичной обмотки:

I₁= I_d = I_d . (2.18)

Расчётная (габаритная) мощность:

Р_т= = 1,48 P_d . (2.19)

Недостатки схемы с нулевым выводом – повышение габаритной мощности трансформатора в 1,5 раза, большой расход меди во вторичных обмотках трансформатора, необходимость их тщательного симметрирования. При асимметрии обмоток возникает составляющая пульсаций с частотой выпрямляемой сети и схема (рис.3а) лишается своего основного достоинства – повышенной частоты пульсаций.

2.3.Однофазная мостовая схема.

Схема (рис.4а) строится на однофазном трансформаторе Т. Вентильная группа образует мост, к одной диагонали которого подводится переменное напряжение, а в другую диагональ включается нагрузка. Вентили работают парами поочерёдно. В положительные полупериоды напряжения U₂ проводят ток вентили V₁ и V₃ , а в отрицательные полупериоды – вентили V₂ и V₄ . Через нагрузку R_н протекает пульсирующий ток в оба полупериода сетевого напряжения (рис.3б). Ток во вторичной обмотке трансформатора i₂ является переменным. Его действующее значение равно:

I₂= I_d = 1,11 I_d . (2.20)

Действующие значение тока первичной обмотки:

I₁= I_d . (2.21)

Расчётная мощность трансформатора:

Р_т=1,23 Р_d . (2.22)

Максимальное значение обратного напряжения на вентилях:

U_о.м.= U₂=1,57U_d . (2.23)

Прочие параметры мостовой схемы такие же, как у схемы с нулевым выводом. Сравнение этих схем показывает, что мостовая схема (рис.4а) является более эффективной. Она обеспечивает лучшее использование трансформатора и вентилей. При малых напряжениях U_d < 10 B часто используется схема с нулевым выводом, достоинством которой является в два раза меньшее число вентилей.