Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ

РАБОТЫ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

С ЕМКОСТНЫМ И ИНДУКТИВНЫМ ФИЛЬТРАМИ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу

"Электротехника и электроника"

для студентов специальности

направления

Цель работы: изучить принцип работы и провести эксперимен­тальное исследование однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора при активной нагрузке, а также с емкостным и индуктивным фильтрами.

Основные понятия Принцип работы выпрямителя с нулевым отводом

Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторич­ной обмотки трансформатора представлена на рис.1. В ее состав входят силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками, с ко­торых снимаются напряжения, одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° относительно нулевой точки, а также два диода Д₁ и Д₂, обладающие свойством односторонней проводимости.

Рис. 1

Принцип работы выпрямителя целесообразно рассматривать для случая активной нагрузки R_H с использованием временных диаграмм напряжений и токов, которые приведены на рис.2.

На рис. 2,а,б представлены временные зависимости напряжения u₁ поступающего на первичную обмотку трансформатора, и напряже­ний u_2-1 и u_2-2, снимаемых с вторичных обмоток.

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме, когда входное напряжение и₁ имеет положительную и отрицательную полярности (интервалы фаз 0 ÷ исоответственно). Полярность напря­жений на обмотках трансформатора на рис.1 указана без скобок для интервала фаз 0 ÷и в скобках для интервала фаз.

Рис.2

В интервале фаз 0 ÷ на анод диода Д₁ подается положитель­ное напряжение, а на анод диода Д₂ - отрицательное напряжение. Поэтому диод Д₁ находится в открытом состоянии, а диод Д₂ - в закрытом состоянии. Через верхнюю обмотку трансформатора, диод Д₁ и нагрузку R_H протекает ток. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении индуктивностью вторичной обмотки трансформатора совпадает с временной зависи­мостью напряжения u_2-1, что иллюстрируется положительной полу­волной на рис.2,в.

В интервале фаз в открытом состоянии находится диод Д_2, а в закрытом - диод Д₁. Ток протекает через нижнюю обмотку трансформатора, диод Д₂ и нагрузку R_H. При этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в интервале фаз 0 ÷ . Поэтому напряжение на нагрузке также имеет положительную полярность (см. рис.2, в).

Ток i_d, протекающий через нагрузку (рис. 2, г), определяется по формуле

. (1)

Как видно из рис.2,в,г выпрямленные напряжение и ток имеют пульсирующий характер. Разложение периодических функций u_d() иi_d() в ряд Фурье позволяет выделить постоянную и гармонические составляющие напряжения и тока. Для потребителей выпрямленного напряжения важной является постоянная составляющая, которую мож­но определить как среднее значение напряженияu_d(). Поскольку период выпрямленного напряжения соответствует интервалу фаз, внутри которого напряжение изменяется как функция синуса, можно записать

, (2)

где U₂ - действующее значение напряжения, снимаемого с одной из вторичных обмоток трансформатора. При этом пренебрегается поте­рями в открытом диоде и вторичной обмотке трансформатора. В этом случае амплитудное значение напряжения на нагрузке совпадает с амплитудой напряжения на вторичной обмотке

. (3)

Аналогичные соотношения могут быть записаны для выпрямлен­ного тока

. (4)

. (5)

Средние значения выпрямленных напряжений и тока на рис.2,в,г отмечены горизонтальными прямыми. Амплитуды переменных составляющих (или гармоник) напряжений могут быть определены из соотношения

, (6)

где υ - номер гармоники, a m - число периодов выпрямленного нап­ряжения на периоде входного напряжения. Как видно из сравнения рис.2,а,в для рассматриваемой схемы выпрямителя m =2.

Качество выпрямленного напряжения оценивается параметром, называемым коэффициентом пульсаций q, который определяется как отношение амплитуды υ-й гармоники к среднему значению напряже­ния U_d. Наибольшая амплитуда соответствует первой гармонике, для которой

. (7)

Величина параметра m одновременно указывает на то, во сколько раз увеличивается частота первой гармоники выпрямленного напряжения относительно частоты питающей сети. Так при частоте питающей сети f_c=50 Гц частота первой гармоники выпрямленного напряжения составляет 100 Гц. Коэффициент пульсаций для этой гармоники согласно соотношению (7) равен q= 0,67.

В рассматриваемой схеме диоды находятся в открытом и закры­том состояниях попеременно. Поскольку через каждый диод ток протекает в течение одного полупериода питающего напряжения, величина среднего тока диода вдвое меньше среднего тока нагрузки

. (8)

Амплитудные значения токов в диодах и в нагрузке одинаковы.

Когда через открытый диод протекает ток, падение напряжения на нем практически равно нулю. К закры­тому диоду приложено обратное напряжение, величина которого из­меняется по синусоиде. Все это иллюстрируется графиками, приве­денными на рис.2,д - ж. При этом прикладывается удвоенная величина напря­жения, снимаемого с двух вторичных обмоток трансформато­ра. Поэтому максимальная величина обратного напряжения, которую должен выдерживать диод,

. (9)

Соотношения (8) и (9) используются при выборе типа диода, который может быть применен в выпрямителе, обеспечивающем задан­ные значения выпрямленных напряжений и токов.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения выпрямителя на его выходе устанавливаются фильтры, которые должны, с одной стороны, пропускать без ослабления постоянную составляющую этого напряжения в нагрузку, а с другой стороны, ослаблять гармонические составляющие. Такие требования обеспечиваются выполнением фильтров на реактивных элементах (индуктивностях и конденсаторах), сопротивление которых являются функциями частоты. В простейшем случае фильтры выполняются на одном из этих элементах, в связи с чем получили наименование индуктивного и емкостного фильтров.