2041

ется фазным и определяется по формуле

где UФ – фазное напряжение на зажимах приемника; ZФ – полное сопротивление фазы.

При симметричной нагрузке фазные токи во всех фазах одинаковы по величине

и сдвинуты по отношению к своим фазным напряжениям на одинаковые углы

IB -IAB

Рис. 21. Векторная диаграмма токов и напряжений для трехфазной цепи при соединении

активной симметричной нагрузки «треугольником»

Линейные и фазные токи связаны векторными уравнениями

где IA, IB, IC – линейные токи; IAB, IBC, ICA – фазные токи.

41

При симметричной нагрузке между линейными и фазными токами справедливо соотношение

При соединении приемников «треугольником» всякое изменение нагрузки в одной из фаз вызывает изменение соответствующих фазного и двух линейных токов и не влияет на величины фазных напряжений и токов других фаз, а также на величину третьего линейного тока. Обрыв одного из линейных проводов нарушает нормальный режим работы трехфазной цепи. Трехфазная цепь превращается в однофазную.

Перед построением векторной диаграммы выбирается масштаб по напряжению и току. Трехфазная система линейных напряжений всегда симметрична. Построение векторной диаграммы трехфазной цепи при соединении приемников «треугольником» удобно начинать с векторов симметричной системы линейных напряжений UAB, UBC, UCA. Это векторы одинаковой длины, выходящие из одной точки под углом 120° друг относительно друга (рис. 21). Эти же напряжения являются фазными. Далее в зависимости от характера нагрузки проводят векторы фазных токов, которые должны быть повернуты относительно векторов фазных напряжений на соответствующие углы φAB, φBC, φСA. В данном случае согласно (54) эти углы равны нулю. Затем на основании уравнений (55) проводятся векторы линейных токов.

А

Рис. 22. Векторная диаграмма трехфазной системы напряжений на нагрузке, соединенной «треугольником» (а) и векторная диаграмма напряжений на той же нагрузке при обрыве линейного провода А (б)

При обрыве линейного провода схема становится однофазной, состоящей из двух параллельных ветвей. Чтобы объяснить построение векторной диаграммы напряжений для этого случая, удобно изобразить систему линейных напряжений в виде равностороннего треугольника (рис. 22, а). При обрыве линейного провода треугольник «складывается». Например, при обрыве линейного провода А вершина А треугольника «ложится» на сторону, являющуюся вектором UВС (рис. 22, б). Таким образом, все векторы

42

напряжений расположены параллельно друг другу. Векторы всех токов будут параллельны векторам напряжений, так как нагрузка фаз носит активный характер. Направление векторов токов определится по направлениям векторов напряжений и исходя из уравнений (55).

2.Порядок выполнения работы

1.Убедиться в том, что напряжение на стенд не подано.

2.Собрать схему эксперимента (см. рис. 20).

3.С разрешения преподавателя или учебного мастера включить стенд. При проведении экспериментов все напряжения измерять по очереди одним вольтметром.

4.Включить в каждой фазе одинаковое количество ламп (4 или 5), что соответствует симметричной нагрузке. Результаты измерений занести в табл. 12.

5.В фазе АВ выключить две лампы (несимметричная нагрузка). Результаты измерений занести в табл. 12.

6.В фазе АВ выключить все лампы (обрыв фазы АВ). Результаты измерений занести в табл. 12.

7.Выключить стенд.

8.Отсоединить провод между клеммой А источника трехфазного на-

пряжения и амперметром, измеряющим ток IA (обрыв линейного провода

А).

9.С разрешения преподавателя или учебного мастера включить стенд.

10.Включить в каждой фазе одинаковое количество ламп. Результаты измерений занести в табл. 12.

11.Выключить стенд.

12.Для каждой строки табл. 12 в масштабе построить векторную диаграмму напряжений и токов.

Таблица 12

Измеренные параметры цепи

43

Контрольные вопросы

1.Как три однофазных приемника электроэнергии соединить «треугольником»?

2.Изобразите трехфазную систему, в которой фазы генератора и нагрузки соединены «треугольником».

3.Покажите на схеме условно-положительные направления фазных

илинейных токов и напряжений.

4.Какие существуют зависимости между линейными и фазными токами и напряжениями трехфазной системы при соединении приемников «треугольником»?

5.Как по векторной диаграмме определить линейный ток?

6.Изобразите схему при обрыве линейного провода и укажите на ней параллельные ветви.

7.Почему при соединении «треугольником», несмотря на обрыв одного линейного провода, лампы будут гореть во всех трех фазах?

Лабораторная работа № 7

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Цель работы: изучение характеристик однофазных и трехфазных выпрямительных схем и сглаживающих фильтров.

1. Общие сведения о выпрямителях

Выпрямителем называют устройство с электрическими вентилями, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Выпрямители являются основными источниками питания разнообразной радиоэлектронной аппаратуры. Мощные выпрямители применяются в электроприводе для питания двигателей постоянного тока, в электросварочных аппаратах, в электрометаллургии, электрохимии

ит. д. В общем случае в выпрямительное устройство входят трансформатор, вентили, сглаживающий фильтр. В некоторых случаях трансформатор

ифильтр могут отсутствовать. В качестве вентилей могут быть использованы электровакуумные (ламповые), ионные и полупроводниковые диоды. Наиболее широко в современных выпрямительных устройствах применяются полупроводниковые диоды, характеристики которых близки к характеристикам идеальных вентилей.

Напряжение на выходе выпрямителя, строго говоря, не является постоянным, хотя оно не принимает отрицательных значений. Это напряжение

44

имеет сложную форму, оно содержит постоянную составляющую и переменные, гармонические составляющие основной частоты и кратной ей частот (высшие гармоники). Такое напряжение называют пульсирующим. Важнейшими параметрами выпрямителя являются его выходные параметры: постоянная составляющая выпрямленного напряжения U0, постоянная составляющая выпрямленного тока I0 и коэффициент пульсаций Кп, равный отношению амплитуды переменной составляющей основной частоты выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей

Варианты выпрямительных схем отличаются числом фаз переменного напряжения, схемой соединения вентилей, формой выпрямленного напряжения и другими особенностями.

Однофазный однополупериодный выпрямитель содержит всего один вентиль, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 23). Ток через вентиль и нагрузку протекает в течение лишь половины периода при положительной полуволне приложенного к вентилю напряжения. При отрицательной полуволне приложенного к вентилю напряжения последний закрыт, и напряжение U2 является для него обратным. Амплитудное значение этого напряжения

Рис. 23. Схема (а) и диаграмма (б) однополупериодного выпрямителя

Напряжение и ток нагрузки пульсируют с частотой сети. Постоянная составляющая напряжения нагрузки равна среднему за период значению выпрямленного напряжения

Среднее значение тока вентиля равно среднему току нагрузки, т.е. его

45

постоянной составляющей

Крупным недостатком простейшего однополупериодного выпрямителя является большое значение коэффициента пульсаций

Отметим также, что постоянная составляющая тока нагрузки протекает по вторичной обмотке трансформатора, вызывая постоянное подмагничивание его магнитопровода. Это ведет к росту потерь в трансформаторе и вынуждает увеличивать его габариты. Поэтому однополупериодные выпрямители применяются относительно редко и лишь при небольшой мощности.

Лучшими свойствами обладают двухполупериодные выпрямители,

которые бывают двух видов: с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора и мостовые.

u2

Рис. 24. Электрическая схема (а) и осциллограммы напряжений и токов (б) однофазного мостового выпрямителя

На рис. 24 приведена схема однофазного мостового выпрямителя, ко-

46

лее распространенными. Мощные выпрямители обычно выполняются по многофазным схемам, преимуществом которых являются равномерная загрузка фаз питающей сети и малые значения коэффициента пульсаций. Одной из наиболее распространенных выпрямительных схем такого рода является трехфазная мостовая (рис. 25, а).

Выпрямитель имеет 6 вентилей: 3 в анодной группе и 3 в катодной. В любой момент времени ток проводят два вентиля – по одному из каждой группы. Как видно из диаграммы (рис. 25, б), каждый вентиль проводит

ток в течение 13 периода, поэтому средний ток вентиля

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения этого выпрямителя больше действующего значения переменного напряжения и составляет

что в некоторых устройствах позволяет применять ее без сглаживающего фильтра.

Однофазные выпрямители, как правило, снабжаются сглаживающими фильтрами, снижающими коэффициент пульсаций до допустимой величины. Эффективность такого фильтра оценивают коэффициентом сглажи-

где Кп – коэффициент пульсаций выпрямителя без фильтра; Кпф – коэффициент пульсаций того же выпрямителя с фильтром.

Простейший фильтр состоит из конденсатора, включенного на выходе выпрямителя параллельно нагрузке (рис. 26, а). Действие конденсатора как элемента фильтра заключается в том, что при нарастании напряжения на входе фильтра, он заряжается до амплитудного значения пульсирующего напряжения, а при спаде напряжения, разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 26, д). Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее он разряжается и тем меньше пульсирует выпрямленное напряжение. Необходимая емкость конденсатора для двухполупериодного выпрямителя с резистивной нагрузкой при Кп=0,1 может быть рассчитана по упрощенной формуле

48

применяют при токах 0,1А и выше. Потеря постоянного напряжения здесь очень мала, поскольку сопротивление дросселя постоянному току незначительно. При уменьшении тока нагрузки эффективность такого фильтра снижается.

При высоких требованиях к качеству сглаживания применяют комбинированные RС- или LC-фильтры, которые наряду с конденсаторами содержат последовательные элементы: резистор Rф или дроссель Lф (рис. 26, в, г). Недостатком RС-фильтра является неизбежная потеря постоянной составляющей напряжения

Лучшими сглаживающими свойствами обладают LC-фильтры благодаря наличию дросселя. Недостатком LC-фильтра является большая масса дросселя. В сглаживающих фильтрах обычно используются электролитические конденсаторы, обладающие большой удельной емкостью.

2. Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд содержит трехфазный понижающий трансформатор, комплект измерительных приборов и 6 выпрямительных диодов. Соединяя соответствующим образом диоды и обмотки трансформатора, можно получить следующие выпрямительные схемы:

1)однофазную однополупериодную;

2)однофазную мостовую;

3)трехфазную однополупериодную;

4)трехфазную мостовую (Ларионова).

Для получения нужной схемы выпрямления необходимо в соответствующие гнезда вставить определенное число вилок-замыкателей. Аналогично производится выбор схемы и параметров сглаживающего фильтра. Сопротивление нагрузки собранного выпрямителя регулируется ступенчато: первая ступень соответствует холостому ходу, последняя – максимальному току нагрузки.

3.Вопросы для допуска к работе

1.Из чего состоит выпрямитель и каково его назначение?

2.В чем различие между одно- и двухполупериодными схемами выпрямления?

3.Каковы преимущества полупроводниковых вентилей перед вентилями других типов?

4.Каково назначение сглаживающих фильтров и из чего они состоят?

5.Как оценивается эффективность работы сглаживающего фильтра?

50