21

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Кафедра электротехники и электрооборудования

РАСЧЁТ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Методические указания к расчётно-графической работе

по дисциплине

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Направление подготовки:	150700	Машиностроение
	151000	Технологические машины и оборудование
	151900	Конструкторско-технологическое обеспече-ние машиностроительных производств
	261200	Технология полиграфического и упаковочного производства

Форма обучения – очная, заочная

Тула 2011

Методические указания к выполнению расчётно-графической работы составлены доцентом В.Е. Полевым и обсуждены на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» факультета САУ.

протокол № 8 от 5 мая 2012 г.

Зав. кафедрой ________________ Б.В. Сухинин

Методические указания к выполнению расчётно-графической работы пересмотрены и утверждены на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование» факультета САУ.

Протокол № 1 от 29 августа 2014 г.

Зав. кафедрой ________________ Б.В. Сухинин

СОДЕРЖАНИЕ

Общие методические указания 4

1  Теоретические сведения и методические рекомендации 5

2  Расчёт полупроводниковых выпрямителей 8

2.1  Расчёт однофазного однополупериодного выпрямителя 8

2.2  Расчёт однофазного двухполупериодного выпрямителя мостовой схемы 8

2.3  Расчёт параметров двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора 11

2.4  Расчёт трёхфазного выпрямителя с нейтральным выводом 13

2.5  Выбор сглаживающего фильтра 14

3  Контрольные вопросы 17

4  Литература 18

Приложение 19

Общие методические указания

Оформление контрольных работ осуществляется на листах формата А4 или в ученических тетрадях в клетку, чернилами или пастой. Все чертежи и схемы выполняются с применением чертежных инструментов в соответствии с действующими ГОСТами. Сокращения и исправления в текстах не допускаются. Расчёты производятся с точностью то третьей значащей цифры.

Работа должна содержать титульный лист, на котором указываются: полное наименование учебного заведения, имя, фамилия и отчество студента, номер учебной группы, номера личного и группового вариантов, дата выполнения контрольной работы. Образец титульного листа представлен в приложении Б.

Номер личного варианта представляет собой порядковый номер фамилии студента в групповом журнале.

Номер группового варианта указывается преподавателем.

1 Теоретические сведения и методические рекомендации

Основные свойства выпрямительного диода заключаются в односторонней проводимости электрического тока [1, с. 13-16, 22-24].

При изучении схем выпрямления полупроводниковый диод считается идеальным.

	При прямом включении, когда к аноду подключен «+», а к катоду «–», диод имеет сопротивление равное нулю, т.е. Rд,пр = 0.
	При обратном включении, когда к аноду подключен «–», а к катоду «+», диод имеет сопротивление бесконечно большое, т.е. Rд,обр = ∞.

При указанных предположениях диод представляет собой идеальных электронных ключ, включение и выключение которого управляется полярностью приложенного напряжения.

Свойство односторонней проводимости (вентильное свойство) сохраняется полупроводниковыми диодами в режимах, не превышавших предельного электрического режима диода, который характеризуйся следующими параметрами:

1) максимально допустимым обратным напряжением ;

2) максимально допустимым прямым током ;

3) максимальной частотой тока .

Предельно допустимые значения параметров обязательно указываются в паспортных данных прибора.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий:

> ; (1)

примерно с превышением в 30 %,

где – среднее значение прямого тока через диод;

– максимальное значение обратного напряжения на диоде в данной схеме выпрямления [1, c. 229].

Отметим, что в учебнике [1] в обозначениях величин, входящих в условие (1), допущены опечатки.

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение, полярность которого изменяется в пульсирующее напряжение, полярность которого остается постоянной. Для получения постоянного напряжения из пульсирующего на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. Классификация и структурные схемы выпрямительных устройств приведены в [1, с.224-226].

Основными характеристиками выпрямителей являются:

- средние выпрямленные значения напряжения , тока , мощности

; (2)

- амплитуда первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения ;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

; (3)

- действующие значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора U₁, I₁, U₂, I₂;

- типовая мощность трансформатора

, (4)

где , .

Среднее выпрямленное значение представляет собой постоянную составляющую напряжения на выходе выпрямителя, поэтому она является полезной, целевой составляющей. В связи с этим, чем больше при данном питающем напряжении U₂ значение U_н.ср и чем меньше U_осн.т (а значит, и коэффициент пульсации р), тем более качественно работает выпрямитель.

Работа простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя, состоящего из трансформатора и одного диода, описана в [1, с. 227-226]. При синусоидальном питающем напряжении с амплитудой вследствие односторонней проводимости диода на нагрузочное сопротивлении существуют синусоидальные ток и напряжение только один полупериод питающего напряжения (рис. 1.1). Поэтому данный выпрямитель называется однополупериодным.

Рисунок 1.1 – Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя

Однофазный однополупериодный выпрямитель имеет следующие характеристики: U_н.ср. ≈ 0,45U₂; U_oсн.т ≈ 0,707U₂; p =1,57.

Однофазные двухполупериодные выпрямители выполняются по двум схемам: 1) мостовой схеме [1, с.229-231] и 2) схеме с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора [1 с.231-233]. Эти выпрямители в отличие от однополупериодного выпрямителя обеспечивают протекание тока в нагрузке в одном направлении каждый полупериод питающего синусоидального напряжения.

В первой схеме это достигается за счёт блока из четырёх диодов, а во второй – с помощью двух диодов и специального трансформатора.

Вследствие протекания тока нагрузки в каждый полупериод питающего напряжения значения показателей качества выпрямления указанных схем увеличиваются, по крайней мере, в два раза по сравнению с однополупериодным выпрямителем:

; . (5)

Однофазные выпрямители применяются для питания устройств малой и средней мощности.

Работа двух основных типов трёхфазных выпрямителей – с нейтральным выводом и мостовой схемой описана в [1, с.233-235].

Трёхфазные выпрямители имеют два важных преимущества по сравнению с однофазными. Во-первых, трёхфазные выпрямители применяется для питания нагрузочных устройств средней и большой мощности, в которых средние значения выпрямленного тока доходят до сотен ампер, а напряжение – до десятков киловольт. Во-вторых, трёхфазные выпрямители обеспечивают более высокое качество выпрямления:

- выпрямитель с нейтральным выводом имеет

; ; (6)

- мостовой выпрямитель

; . (7)

Таким образом, качество выпрямления в несколько раз выше, чем у однофазных двухполупериодных выпрямителей.

После выпрямителя напряжение, кроме целевой постоянной составляющей, содержит также нежелательную переменную составлявшую, которая вызывает пульсации выходного напряжения. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения служат сглаживающие фильтры. Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на выходе и входе фильтра:

. (8)

Простейшими и наиболее распространенными сглаживающими фильтрами являются ёмкостный, индуктивный и индуктивно-ёмкостный фильтры. В [1, с.236-239] подробно описана их работа с точки зрения протекания переходных процессов. При этой эффект уменьшения пульсации объясняется запасанием электрической ( ) или магнитной ( ) энергии в реактивных , элементах при открытых диодах и отдачей этой энергии в нагрузку на интервалах времени, в течение которых диоды закрыты. Отдача энергии заполняет разрядным током паузу в нагрузочном токе , которая, например, имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра, что уменьшает пульсацию тока и, соответственно, напряжения .