Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра Информационно-измерительной техники

Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя методические указания

к лабораторной работе по курсу «Силовая электроника в системах управления и контроля ЛА»

Кумертау 2015

Составитель:

УДК 681.5

Исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Силовая электроника в системах управления и контроля ЛА»/ Уфимск. гос. авиац. техн. унив-т; Сост. Тузбеков Р.М. – Кумертау, 2015. – 19 с.

В методических указаниях приведено описание лабораторной работы, во время которой студенты исследуют внешнею (нагрузочною) и энергетические характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации. При этом используется программный пакет MatLab6.х.

Методические указания предназначены для студентов направления 12.03.01 «Приборостроение» и специальности 24.05.06 «Системы управления летательными аппаратами».

Табл.2. Ил.20 . Библиогр.: 3 назв.

Рецензенты: д-р техн. наук

Содержание

1.Цель работы………………………………………………………...….4

2. Теоретическая часть……………………………………..……………4

2.1. Импульсные источники питания постоянного тока ………………4

2.2. Энергетические характеристики импульсных источников питания......7

3.Описание виртуальной лабораторной установки…………………………….9

4. Порядок проведения лабораторной работы…………………………………12

5. Содержание отчета……………………………………………………………15

6. Контрольные вопросы………………………………………………………..19

Список литературы………………………………………………………….1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. Цель работы

Целью работы является: исследование однофазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с обратным диодом без учета коммутации; экспериментальное определение основных параметров и характеристик исследуемых устройств.

2. Теоретическая часть.

На летательных аппаратах (ЛА)с первичной системой электроснабжения (СЭС) переменного тока напряжением 115/200 В или 115 В с частотой 400 Гц в качестве вторичной системы используется СЭС постоянного тока с номинальным напряжением 27 В, которая получает энергию от первичной с помощью статических преобразователей (СП) переменного тока в постоянный. В качестве СП используются полупроводниковые выпрямительные установки (ВУ). В настоящее время ВУ реализуются на полупроводниковых диодах, тиристорах, симисторах и оптотиристорах.

Выпрямительной установкой или просто выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока [4,8].

В общем случае ВУ состоит из следующих основных элементов (рис.2.1,а): трансформатора ТР, вентильной группы или схемы ВГ, сглаживающего фильтра СФ, стабилизатора напряжения СТН. К выходу ВУ подключается нагрузка R_H. В регулируемом ВУ (рис.2.1,б) вентильная группа раелизуется на тиристорах (ТВГ), управление которыми осуществляется с помощью управляющего устройства (УУ). В зависимости от назначения и требований к ВУ отдельные элементы схемы могут отсутствовать.

Полупроводниковые выпрямители классифицируются по различным признакам. По числу фаз источника переменного напряжения различают выпрямители однофазного и трехфазного тока. По числу раз протекания тока в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора за один период напряжения сети различают однотактные и двухтактные выпрямители.

По выходной мощности выпрямители подразделяются на микромощные (до 1 Вт), малой мощности (1-10 Вт), средней мощности (10-100 Вт), повышенной мощности (100-1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт). По возможности регулирования (стабилизации выходного напряжения) выпрямители делятся на нерегулируемые и регулируемые (тиристорные) [8].

Рис.2.1. Структурная схема выпрямителей:

а – нерегулируемого; б - регулируемого.

Основные схемы однофазных выпрямителей приведены на рис.2.2: однополупериодная однотактная (а), двухполупериодная с нулевым выводом (б), двухполупериодная мостовая (в), с удвоением напряжения (г). Наибольшее применение в бортовых СЭС из однофазных схем выпрямителей нашли мостовая и схема с нулевым выводом. Временные диаграммы работы однополупериодной однотактной схемы выпрямителя и двухполупериодных схем мостовой и с нулевым выводом приведены соответственно на рис.2.3,а,б.

Основными эксплуатационными параметрами и характеристиками выпрямителей, определяющими работу вентилей и трансформатора, являются:

1. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d:

. (2.1)

2. Коэффициент преобразования схемы:

. (2.2)

3. Полная мощность на входе ВУ или расчетная мощность первичной обмотки трансформатора:

S₁ = U₁·I₁, (2.3)

где U₁, I₁ -действующие значения напряжения и тока на входе ВУ;

Рис.2.2. Основные схемы однофазных выпрямителей:

а – однополупериодная; б – двухполупериодная с нулевым выводом;

в - двухполуперидная мостовая; г – с удвоением напряжения.

4. Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:

S₂ = U₂·I₂, (2.4)

5. Расчетная типовая мощность трансформатора:

. (2.5)

6. Активная мощность, потребляемая выпрямителем из сети:

P₁= I₍₁₎₁U₁Cosφ₍₁₎, (2.6)

где I₍₁₎₁ - основная гармоника первичного тока, φ₍₁₎- угол сдвига между I₍₁₎₁ и U₁.

7. Коэффициент мощности выпрямителя:

, (2.7)

где коэффициент искажений, коэффициент сдвига.

Рис.3. Временные диаграммы работы схем выпрямителей:

а – однотактной однополупериодной; б – двухполупериодной

мостовой и с нулевым выводом.

8. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и тока

, , (2.8)

где U_(n)m, I_(n)m– амплитудные значения выпрямленного напряжения и тока гармонической составляющей «n» порядка.

Основными характеристиками выпрямителя являются:

1. внешняя характеристика выпрямителя:

U_d = f (I_d), при U₂=cоnst. (2.9)

2. регулировочная характеристика управляемого выпрямителя

U_d = f (β), при R_н = const, U₂=const, (2.10)

где β – угол регулирования (отпирания тиристоров) выпрямителя.

В таблице приведены основные эксплуатационные параметры однофазных ВУ при работе на активную нагрузку.

Табл.2.1.

Схема выпрямителя	Параметры
	Ud	KПU	ηcx	Uоб.m	ST	S1	S2
Однофазная однополупериодная	0,45U2	1,57	0,405	U2m	3,09Pd	2.69Pd	3.49Pd
Однофазная двухполупериодная с нулевым выводом	0,9U2	0,667	0,81	2U2m	1,34Рd	1.11Pd	1.57Pd
Однофазная мостовая	0,9U2	0,667	0,81	U2m	1,11Рd	1,11Pd	1,11Pd

Применение однофазной однополупериодной схемы выпрямления ограничивается следующими ее недостатками: большим коэффициентом пульсаций и низкой частотой основной гармоники выпрямленного напряжения; большим значением S_т, вызванным явлением вынужденного намагничивания сердечника трансформатора. Достоинством схемы является ее простота, малое количество вентилей. В связи с этим однополупериодная схема применяется, как правило, с емкостным фильтром при работе на мощность до 10 Вт.

Достоинствами однофазной схемы выпрямления с нулевым выводом являются лучшее использование трансформатора по сравнению с предыдущей схемой, более высокая частота пульсаций и величина выпрямленного напряжения, относительно небольшое количество диодов. К недостаткам относятся высокое обратное напряжение на вентилях, повышенное значение типовой мощности трансформатора, необходимость вывода средней точки его вторичной обмотки и симметрирование полуобмоток для исключения вынужденного намагничивания. Достоинствами однофазной мостовой схемы выпрямления по сравнению с рассмотренными являются: низкая типовая мощность трансформатора и относительно небольшое обратное напряжение на вентилях, отсутствие явления вынужденного намагничивания трансформатора. Недостатком этой схемы является удвоенное количество вентилей по сравнению со схемой с нулевым выводом, что увеличивает суммарное падение напряжения на вентилях и снижает КПД схемы, особенно при низком значении выпрямленного напряжения. Однофазные выпрямители применяются, как правило, на мощности до 1 кВт. Для обеспечения равномерной загрузки фаз бортовой СЭС или промышленной трехфазной сети при потреблении от нее мощности свыше 1 кВт применяют трехфазные выпрямители, которые имеют и лучшие эксплуатационные параметры и характеристики по сравнению с однофазными. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения требуются дополнительные устройства, так как для питания бортовых устройств обычно требуется стабильное напряжение с малыми пульсациями. Снижение пульсаций достигается с помощью называются сглаживающих фильтров (СФ), которые делятся на пассивные и активные [8]. На рис.2.4 приведены схемы пассивных фильтров, которые делятся на индуктивные (а), емкостные (б) или комбинированные (в).

Рис.2.4. Схемы сглаживающих фильтров выпрямителей:

а – индуктивного; б – емкостного; в – комбинированного.

Степень сглаживания выпрямленного напряжения фильтром оценивается его коэффициентом сглаживания К_сг, определяющимся отношением коэффициента пульсаций К_{п (вх)} на входе фильтра к коэффициенту пульсаций К_п(вых) на его выходе:

, (2.11)

где U_(1)m(вых) - амплитуда основной гармоники пульсаций на выходе фильтра, U_d(вых) – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

Преобразовав выражение для К_сг, получим:

, (2.12)

где К_ф – коэффициент фильтрации, η_ф - коэффициент передачи постоянной составляющей с входа фильтра на его выход, характеризующий падение напряжения на фильтре. При небольших потерях в фильтре можно считать, что К_сг ≈ К_ф. В качестве элементов сглаживающих фильтров используются дроссели, конденсаторы и резисторы. Наиболее часто в бортовых источниках питания применяются индуктивный, емкостной и Г-образный индуктивно-емкостной (комбинированный) фильтры. Сглаживающее действие индуктивного фильтра основано на возникновении в дросселе L_d ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению выпрямленного тока, при этом сопротивление дросселя переменной составляющей тока большое, а постоянной весьма мало. Сглаживающее действие емкостного фильтра основано на накоплении энергии в электрическом поле конденсатора C_ф в моменты, когда выпрямленное напряжение больше напряжения на конденсаторе. В интервале времени, когда напряжение на конденсаторе больше выпрямленного напряжения, вентили выпрямителя запираются, а цепь нагрузки питается от конденсатора. Конденсатор имеет весьма малое сопротивление для переменной составляющей и бесконечно большое для постоянной составляющей выпрямленного напряжения. При повышенных требованиях к пульсации выпрямленного напряжения используются многозвенные фильтры, представляющие собой последовательное соединение отдельных звеньев (простых фильтров). Для многозвенных фильтров общий коэффициент фильтрации К_фоб определяется как произведение коэффициентов фильтрации отдельных звеньев:

К_фоб = К_ф1∙К_ф2∙К_ф3∙…∙К_фn. (2.13)

В соответствии с существующими требованиями напряжение на выходе ВУ при изменении напряжения ее питания (СЭС) или величины нагрузки, должно поддерживаться (регулироваться) в определенных пределах. В этих случаях широкое применение нашел фазоимпульсный метод регулирования выходного напряжения выпрямителей. Для его реализации в качестве вентиля используются тиристоры. Изменяя угол отпирания тиристоров β можно регулировать (стабилизировать) среднее значение выпрямленного напряжения. Структурная схема регулируемых выпрямителей приведена на рис.2.1,б. В связи с тем, что напряжение на выходе может регулироваться в широких пределах, регулятор и стабилизатор напряжения отсутствуют, однако при этом предъявляются повышенные требования к сглаживающим фильтрам.

Регулировочная характеристика для однофазной схемы с нулевым выводом на тиристорах при работе на активную нагрузку имеет вид:

, (2.14)

где U_d0– среднее значение выпрямленного напряжения при =0.

При работе на активно-индуктивную нагрузку при непрерывном токе нагрузки регулировочная характеристика имеет вид:

. (2.15)