- •Методические указания
- •Основные понятия Принцип работы выпрямителя с нулевым отводом
- •Емкостной фильтр и особенности работы выпрямителя
- •Индуктивный фильтр и работа выпрямителя с таким фильтром
- •Требования по технике безопасности при выполнении лабораторной работы
- •Техника эксперимента
- •Порядок выполнения эксперимента и обработки результатов
- •1. Исследование работы выпрямителя на активную нагрузку
- •(Ключ s2 разомкнут)
- •2. Исследование работы выпрямителя с емкостным фильтром (ключи s1 и s2 замкнуты)
- •3.Исследование работы выпрямителя с индуктивным фильтром
- •Обработка результатов эксперимента
- •Содержание и оформление отчета по работе
- •Вопросы для самопроверки
- •Литература
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 RH 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 u2-1 и u2-2, 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 RH протекает ток. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении индуктивностью вторичной обмотки трансформатора совпадает с временной зависимостью напряжения u2-1, что иллюстрируется положительной полуволной на рис.2,в.
В интервале фаз в открытом состоянии находится диод Д2, а в закрытом - диод Д1. Ток протекает через нижнюю обмотку трансформатора, диод Д2 и нагрузку RH. 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 id, 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 ud() иid() 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 напряженияud(). 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 Ud. 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 fc=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.