4 курс (заочка) / Учебные материалы / ЭУиСТ лабораторный практикум

План УМД 2017/2018 уч. г.

Учебно-методическое пособие по дисциплине «ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ».

Лабораторный практикум. для бакалавров

(направление: 11.03.02) Часть I.

Авторы: С.Л. Яблочников, профессор К.Ф. Шакиров, ассистент

Рецензент: к.т.н, доцент кафедры ЭБЖиЭ Костюк Е.В.

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры ЭБЖиЭ

2

Тр – низкочастотный трансформатор (f = 50 Гц) в традиционной схеме выпрямления предназначен для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

ВБ – вентильный блок, состоит из одного или нескольких вентилей, соединенных по определенной схеме.

СФ – сглаживающий фильтр служит для ослабления пульсации, т.е. для уменьшения переменных составляющих, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения. Состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединенных по определённой схеме.

3.2. Параметры выпрямителя.

ВУ характеризуется:

-выходными параметрами;

-параметрами, характеризующими работу вентилей;

-параметрами трансформатора.

1. Выходные параметры ВУ:

- номинальное среднее значение выпрямленного напряжения, В;

– номинальное среднее значение выпрямленного тока, А;

- частота основной гармоники выпрямленного напряжения; КП – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей . Может измеряться коэффициент пульсации может изморятся в процентах по отношению к напряжению . Коэффициент пульсации большой, если он больше чем 10-2, средний, если он находится в пределах 10-3-10-2, и малый, если он меньше 10-3.

Внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения выпрямителя

напряжения выпрямителя и его внутреннее сопротивление .

2. Параметры характеризующие работу вентилей:

- средний выпрямленный ток;

– действующее значение тока;

– амплитуда тока;

–амплитудное значение обратного напряжения;

– средняя мощность.

Вентили подразделяются на управляемые и неуправляемые. В качестве неуправляемых используются тиристоры. Основным элементом в неуправляемых выпрямителях является диод – нелинейный прибор с односторонней проводимостью. Условное обозначение диода приведено на рис.2, а его вольтамперная характеристика (ВАХ) представлена на рис. 3.

4

U0

Рис. 3. Идеальная и реальная вольт-амперная характеристика.

3. Параметры, характеризующие работу трансформатора в схемах выпрямления:

– действующие значения напряжения и тока вторичных обмоток трансформатора; - действующее значение напряжения и тока первичной обмотки трансформатора;

– полная мощность вторичной обмотки;

– полная мощность первичной обмотки;

– полная мощность вторичной обмотки;

– полная или габаритная мощность трансформатора;

– коэффициент использования трансформатора ( - выходная мощность выпрямителя).

Кривая выпрямленного напряжения представляет собой периодическую несинусоидальную функцию, которая содержит постоянную и переменную составляющие. Разложение кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье дает следующее выражение:

,

где - постоянная составляющая выпрямленного напряжения; - амплитуда -й гармоники; - фазовый сдвиг -й гармоники; - номер гармоники;

– круговая частота напряжения сети; - число фаз выпрямления.

5

По тому, сколько раз за период работает каждая фаза вторичной обмотки трансформатора, выпрямительные устройства различаются на однотактные и двухтактные.

Воднотактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки трансформатора в течение периода работает только один раз и ток в каждой фазе имеет постоянную составляющую.

Вдвухтактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки работает за период два раза. При этом токи, протекающие через обмотку за период, имеют равные величины, но противоположное направление. Поэтому в каждой фазе трансформатора двухтактного ВУ нет постоянной составляющей.

3.3. Многофазные выпрямители.

Многофазные выпрямители питаются от трехфазной сети переменного тока. С их помощью получают напряжения постоянного тока, предназначенные для питания аппаратуры связи, электротехнической и радиотехнической аппаратуры. Многофазные выпрямители имеют весьма широкий диапазон использования по величине выходного напряжения (от единиц вольт до нескольких десятков киловольт) и тока нагрузки (от нескольких десятков миллиампер до нескольких тысяч ампер). Многофазные выпрямители, как правило, используют при работе на нагрузку индуктивного характера. Однако в некоторых случаях (при низких выходных напряжениях и малой выходной мощности) многофазные схемы выпрямления могут применяться при работе на нагрузку емкостного характера (ток нагрузки при этом составляет десятки миллиампер). Преимуществом применения многофазных схем выпрямления по сравнению с однофазными являются: 1 – равномерная загрузка трех фаз питающей сети переменного тока, 2 – меньшая величина коэффициента пульсации, 3 – большая частота первой гармоники пульсации.

Фронтальный вид стенда для исследования трехфазной однотактной, трехфазной мостовой и шестифазной однотактной схем выпрямления показан на рис.1.

Рис.4. Фронтальный вид стенда для проведения исследования многофазных схем выпрямления.

6

Стенд содержит:

-измерительные приборы;

-принципиальные схемы выпрямления с указанием способов подключения к ним измерительных приборов, токовых шунтов и гнезд для определения с помощью осциллографа форм кривых тока и напряжения в различных точках схем, а также среднеквадратического значения переменного напряжения с помощью милливольтметра В3-38;

-коммутационные приборы для подключения стенда к трехфазной сети общего пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA1, тумблер для подключения переменного сопротивления нагрузки – SA2;

-принципиальная схема нагрузки с указанием измерительных приборов и

гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38. Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, под-

ключаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA1 к одной из схем выпрямления, приведены на рис.5.

Как видно из рис.5 первичная обмотка трехфазного трансформатора с подключенными приборами (A1, V1, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для любой из трех схем выпрямления. Причем с целью обеспечения электробезопасности токовый шунт-резистор R1 и точки Г1, Г2 недоступны для подключения измерительных приборов.

3.4. Трехфазная однотактная схема выпрямления.

Форма ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора e2i, тока в фазе вторичной обмотки трансформатора i22 и выпрямленного напряжения e0 при работе идеального выпрямителя на нагрузку индуктивного характера для случая бесконечно большой индуктивности L дросселя выходного сглаживающего фильтра показаны сплошными линиями на рис. 6, а, б, в соответственно.

В промежутке времени от 0 до 2π/3 открыт вентиль VД2, так как имеет наибольшее положительное напряжение на аноде по сравнению с вентилями VД1, VД3; в этом интервале времени VД1 и VД3 закрыты и к ним приложено обратное напряжение. В интервале 2π/3 до 4π/3 открыт вентиль VД3, а от 4π/3 до 2π – вентиль VД1. Таким образом, за период каждый вентиль открыт один раз и продолжительность протекания через него тока составляет 2π/3. Ток каждой из фаз вторичной обмотки трансформатора также имеет форму прямоугольника с длительностью 2π/3 – (рис. 6, б). Выпрямленное напряжение e0 представляется в виде огибающей всех фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 6, в). Среднее значение этого напряжения для идеального выпрямителя равно среднему значению напряжения на нагрузке UH. В реальном выпрямителе элементы схем выпрямления обладают как активным, так и индуктивными сопротивлениями ( прежде всего это относится к обмоткам

7

Рис.5. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки.

трансформатора), имеет место так называемое перекрытие фаз, т.е. одновременная работа двух фаз при переходе нагрузки с одной фазы на другую. Увеличение длительности перекрытия фаз приводит к увеличению длительности фронта и длительности среза импульса тока фазы, уменьшению среднего значения выходного напряжения и увеличению переменной составляющей выходного напряжения. На рис.6 б пунктиром показан примерный вид импульса тока фазы реального выпрямителя при конечном значении индуктивности дросселя.

Следует отметить, что трехфазная однотактная схема выпрямления не находит широкого применения вследствие:

-сравнительно большого значения коэффициента пульсации по первой гармонике частоты fП1 = 3fc, Kп1 = 25% на входе LC-фильтра;

-наличия вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора.

8

3.5. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная трехфазного мостового выпрямителя приведена на рис. 5.

Форма ЭДС вторичных обмотках трансформатора e2i, тока в фазе вторичной обмотке трансформатора i22 при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и выпрямленного напряжения e0 приведены на рис. 6 а, г и д соответственно. В промежутке времени от 0 до 2π/3 напряжение на аноде вентиля VД3 наибольшее и положительное, по сравнению с напряжением на аноде VД1, VД5. Поэтому вентиль VД3 открыт, а вентили VД1, VД5 закрыты. Ток i22 протекает через вентиль VД3, далее через нагрузку (рис. 5 б), подключенную к выходным клеммам А, Б выпрямителя.

Из нижней группы вентилей VД2, VД4, VД6 открыт будет тот вентиль, на катоде которого будет наибольшее отрицательное напряжение. В интервале от 0 до π/3 таким вентилем будет VД6, а от π/3 до 2π/3 вентиль VД2 (см. рис. 6а). Та же фаза e22 будет проводить ток в интервале от π до 5π/3, но теперь этот ток будет протекать через вентиль VД4, напряжение на катоде которого наибольшее и отрицательное в этом интервале. Через верхнюю группу вентилей в этом промежутке времени ток будет протекать от π до 4π/3 через вентиль VД5, в промежутке от 4π/3 до 5π/3 через вентиль VД1 (см. рис. 6а). Причем, если в первом случае ток данной фазы i22 протекал в направлении от обмотки к диодной группе, то во втором – от диодной группы к обмотке. В трехфазной мостовой схеме выпрямителя ток i2i каждой фазы протекает через нагрузку и два последовательно включенных вентиля (см. рис. 6г).

Трехфазная мостовая схема применяется для получения выпрямленных напряжений Uн от нескольких десятков вольт до десятков киловольт при токах нагрузки от единиц до нескольких тысяч ампер. При низких выходных напряжениях (единицы вольт) КПД этой схемы оказывается меньше, чем шестифазной однотактной схемы выпрямления (рис. 5 в).

Коэффициент пульсации по первой гармоники на входе фильтра в трехфазной мостовой схеме равен Kп1 = 5,7%, а частота первой гармоники пульсации равна

6fc.

3.6. Шестифазная однотактная схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная шестифазного выпрямителя приведена на рис. 5.

На каждом стержне трехфазного трансформатора намотана обмотка с выводом средней точки так, что ЭДС e21 и e’21, e22 и e’22, e23 и e’23 равны по величине

исдвинуты по фазе относительно средней точки на π.

Формы ЭДС вторичных обмотках трансформатора e2i и е2i/, тока в фазе вто-

ричной обмотки трансформатора i22 при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и выпрямленного напряжения e0 показаны на рис. 7 а, б, в соответственно. Каждая из шести фаз за период работает один раз и продолжительность протекания через нее тока равна π/3.

9

Шестифазная схема при соединении первичной обмотки треугольником применяется для получения выпрямленных напряжений Uн до 10 В при токах нагрузки до нескольких сотен ампер.

Коэффициент пульсации и частота первой гармоники пульсации такие же, как в трехфазной мостовой схеме.

. Рис.6. Временные диаграммы

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Перед подключением стенда с помощью автомата 3 к сети переменного тока необходимо:

1 – ручку переменного резистора Rн вывести в крайнее левое положение, соответствующее максимальному значению сопротивления нагрузки. Тумблер SA2 установить в разомкнутое состояние;

2 – переключатель SA1 “схема выпрямления” установить в положение “I”;

После выполнения указанных подготовительных операций подать на схемы напряжение сети с помощью автомата QF1.

10