Содержание, 1-2

s = .

При последовательном включении нескольких фильтров общий коэффициент сглаживания s определяется произведением коэффициентов сглаживания:

s = s₁s₂…s_n,

где n – число последовательно включенных фильтров.

Важной характеристикой схемы выпрямления и применяемого фильтра является максимальное обратное напряжение на вентиле, обозначаемое U_обр.max. Это напряжение может быть измерено при помощи осциллографа. Практически, для характеристики источника питания определяют следующие соотношения:

U_2ф/U_d0; U_обр.max/U_d0; I₂/I_d.

Принцип работы любого типа фильтра основан на способности конденсаторов и индуктивностей (дросселей) накапливать электромагнитную энергию, потребляя её из сети через выпрямитель, и отдавать накопленную энергию в нагрузку. Интервалы времени, в течение которых идет процесс накопления энергии, и интервалы времени, в течение которых энергия отдается в нагрузку, в любом типе фильтра определяются соотношением напряжений на выходе выпрямителя и на нагрузке, а также величиной накопленной энергии в элементах фильтра: в индуктивностях и конденсаторах. Степень сглаживания выпрямленного напряжения простейшими емкостными и индуктивными фильтрами, содержащими либо один конденсатор, включенный параллельно нагрузке, либо включенную последовательно с нагрузкой катушку индуктивности, зависит от соотношения емкости конденсатора С, величины индуктивности L и активного сопротивления нагрузки R_Н. Для хорошего сглаживания необходимо выполнение следующих условий:

2πf_ПL/R_Н  1;

1/2πf_ПCR_Н << 1,

где f_П – частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

При использовании индуктивного фильтра и заданном коэффициенте сглаживания s величина индуктивности приблизительно определяется по формуле

L = s·R_Н/(2πf_П).

При использовании С-фильтра по заданному коэффициенту сглаживания определяют произведение LC:

.

Кроме этого, обычно требуется выполнение условий:

2πf_ПL ≥ 5R_Н;

1/(2πf_ПC) ≤ 1/5R_Н,

а также, чтобы собственная частота фильтра ω₀ = 1/ была меньше частоты основной гармоники пульсаций и не была кратной ей.

Контрольные вопросы и задания

1. Сравните характеристики трех схем выпрямления, исследованных в лабораторной работе. Каковы их достоинства и недостатки?

2. Что такое обратное напряжение? Как изменяется его величина в зависимости от схемы выпрямителя? Как влияет подключение С-фильтра на величину обратного напряжения?

3. Как влияет подключение С-фильтра на форму тока I₂?

4. Как определяется коэффициент пульсаций?

5. В чем состоит принцип работы различных фильтров?

6. Рассмотрите сравнительные характеристики С-фильтра, RС-фильтра. В чем заключаются их достоинства и недостатки?

7. Какова форма выпрямленного напряжения выпрямителя с С-фильтром?

8. Какова форма выпрямленного напряжения при активном сопротивлении нагрузки и разных схемах выпрямителей?

9. Как изменяется величина выпрямленного напряжения и его форма при подключении емкостного фильтра и почему?

10. Как влияет на питающий трансформатор подключение однополупериодного выпрямителя?

11. Как соотносится между собой типовая мощность трансформатора при трех схемах выпрямителя и одной и той же мощности нагрузки?

12. Чем отличаются внешние характеристики выпрямителей с RC-фильтром и LС-фильтром?

13. В чем заключается принцип работы индуктивного фильтра?

14. Покажите цепь тока через нагрузку в каждой из схем выпрямления?

15. Влечет ли подключение емкостного фильтра изменение значения тока I₂, и каким образом?

16. Какой фильтр лучше применять, если нагрузка постоянна, и почему?

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ

СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: приобретение знаний и навыков по исследованию трехфазных схем выпрямления; экспериментальное определение соотношений между токами и напряжениями, снятие внешних характеристик.

Описание лабораторной установки

На рис. 2.1 представлена схема лабораторной установки, позволяющей исследовать две схемы выпрямления.

Трехфазная нулевая схема выпрямления собирается на диодах VD4, VD5, VD6 при верхнем положении тумблера S2. Питание схем выпрямления от трехфазной сети с фазным напряжением 220 В осуществляется при помощи трехфазного трансформатора Т. Первичная обмотка этого трансформатора соединена в треугольник, а вторичная – в звезду. Со вторичной обмотки трансформатора подается напряжение 12,6 В.

Для измерения различных параметров схемы на стенде установлены измерительные приборы, перечень которых и измеряемые ими величины приведены ниже:

• миллиамперметр Ι₁ – действующее значение тока первичной обмотки трансформатора;

• вольтметр U₂ – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора (действующее значение);

• амперметр Ι₂ – действующее значение тока вентиля;

• амперметр Ι_а – среднее значение тока вентиля;

• амперметр Ι_d – среднее значение тока нагрузки;

• вольтметр U_d – среднее значение выпрямленного напряжения на активном сопротивлении нагрузки.

Тумблер S3 используется для исследования влияния сглаживающего дросселя L на форму тока в нагрузке. Изменение нагрузки производится включением или отключением резисторов R4…R17 с помощью тумблеров S4…S17.

Для снятия осциллограмм в схеме предусмотрены контрольные точки XS1…XS11.

Рис. 2.1. Схема лабораторного стенда

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Снять показания приборов при четырех режимах работы: а) холостого хода; б) минимальной нагрузки; в) средней нагрузки; г) максимальной нагрузки.

2. По данным эксперимента определить соотношения напряжений и токов: ; ; ; n, где n – коэффициент трансформации (n = U₁/U₂ или n = I₂/I₁).

3. По экспериментальным (п. 1) и расчетным (п. 2) данным заполнить табл. 2.2, 2.3, форма которых приведена в разделе «Содержание отчета».

4. Построить внешние (нагрузочные) характеристики U_d = f(Ι_d) для нулевой и мостовой схем выпрямления по данным эксперимента (п. 1).

5. В нулевой и мостовой схеме трехфазного тока зарисовать формы следующих кривых:

• фазного напряжения вторичной обмотки трансформато- ра (U₂);

• напряжения между анодом и катодом вентиля (U_обр);

• напряжений на резисторах R4…R17 (на активном сопротивлении) и катушке L (индуктивном сопротивлении) нагрузки;

• выпрямленного напряжения при холостом ходе, а также в режиме номинального тока вентилей;

• тока нагрузки (Ι_d), тока через вентиль (Ι_a) при чисто активном и активно-индуктивном характере нагрузки.

1. Определить параметры трансформатора I₁, I₂, U₂, n, S_Т, а также рассчитать ток Ι_a и обратное напряжение на вентиле U_обр, если заданы U₁ – линейное напряжение сети, U_d и Ι_d – напряжение и ток в нагрузке. Данные для расчета взять из табл. 2.1. Схему выпрямления выбрать самостоятельно.

Таблица 2.1. Исходные данные для расчета

№ бригады	1	2	3	4	5	6	7
U1, В	220	220	380	380	220	220	380
Ud, В	24	12	100	440	12	24	36
Id, А	1,5	2	100	20	20	10	6,5

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пунктам 1 – 3.

При выполнении эксперимента следить за тем, чтобы средний ток в нагрузке не превышал допустимого значения 9 А. Для построения внешней характеристики U_d = f(I_d) необходимо записать показания вольтметра U_d и амперметра I_d в четырех режимах для каждой схемы, а именно: холостого хода (все тумблеры выключены); минимальной нагрузки (включен один тумблер в цепи нагрузки); средней нагрузки (включена половина тумблеров нагрузки); максимальной нагрузки (включены все тумблеры нагрузки). Дополнительно для определения необходимых соотношений в п. 2 задания произвести замеры следующих величин:

• в режиме холостого хода – U₂;

• в режиме максимальной нагрузки – Ι₁, Ι₂, Ι_a.

Поскольку вторичный ток трансформатора Ι_2тр непосредственно не измеряется, то для его определения можно воспользоваться показаниями амперметра Ι₂ (действующее значение тока вентиля):

• для нулевой схемы – Ι_2тр = Ι₂;

• для мостовой схемы – Ι_2тр = 2Ι₂.

К пункту 5.

Для снятия осциллограмм напряжений и токов необходимо подключить осциллограф к следующим гнездам (рис. 2.1):

• XS3, XS4 – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

• XS5, XS6 – напряжение между анодом и катодом вентиля;

• XS7, XS8 – напряжение на активном сопротивлении нагрузки;

• XS7, XS11 – напряжение на активноиндуктивной нагрузке;

• XS10, XS11 – напряжение на индуктивности нагрузки;

• XS9, XS10 – ток нагрузки;

• XS4, XS5 – ток через вентиль.

Создание активной нагрузки осуществляется шунтированием дросселя (переключатель S3 в верхнем положении). Активно-индуктивная нагрузка создается выключением тумблера S3 (нижнее положение).

К пункту 6.

Для расчета можно использовать теоретические соотношения из табл. 2.2.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

• принципиальные схемы исследуемых выпрямителей (рис. 2.2);

• таблицы с результатами измерений и с расчетными данными (табл. 2.2, 2.3);

• диаграммы напряжений и токов (рис. 2.3, 2.4);

• внешние характеристики;

• результаты расчета параметров трансформатора (согласно заданию).

Таблица 2.2. Данные измерений

Показания приборов	Режимы работы для нулевой схемы				Режимы работы для мостовой схемы
	х.х.	мин.	сред.	макс.	х.х.	мин.	сред.	макс.
I1, А I2, А Ia, А Id, А Ud, В U2, В	- - -	- - - -	- - - -	-	- - -	- - - -	- - - -	-

Примечание. Графы, в которых стоит прочерк (-), данными не заполняются.

Таблица 2.3. Опытные и теоретические соотношения токов и напряжений

Наименование схемы	Опытные соотношения				Теоретические соотношения
Нулевая					0,48	0,59	0,33	0,85
Мостовая					0,817	0,817	0,33	0,43

Примечание. Теоретические соотношения Ι₁/Ι_d = 0,48 и Ι₁/Ι_d = 0,817 справедливы только для коэффициента трансформации К_тр = 1.

Задания для домашней подготовки

Домашнюю подготовку рекомендуется начать с изучения работы трехфазных схем выпрямления для активного и активно-индуктивного характера нагрузки. Предлагается для самоконтроля ответить на следующие вопросы:

1. Какая из двух схем выпрямления применяется в промышленности и почему?

2. По каким параметрам выбираются вентили для схем выпрямления?

3. Какими основными электрическими параметрами характеризуется каждая из исследуемых схем?

4. Какая схема предпочтительней? Почему?

5. Что такое внешняя характеристика выпрямителя?

Краткие теоретические сведения

За исключением случаев, когда единственно возможным источником питания является сеть однофазного переменного тока, питание постоянным током потребителей средней и большей мощности производится от трехфазных выпрямителей. При выпрямлении трехфазного тока достигается лучшее качество выпрямленного напряжения за счет снижения амплитуды пульсаций. Напряжение трехфазных выпрямителей к тому же легче подвергается сглаживанию, так как частота пульсаций здесь существенно выше, чем в однофазных выпрямителях. Трехфазные схемы выпрямления способствуют меньшей загрузке вентилей по току и напряжению.

Из выпрямителей трехфазного тока преимущественное применение на практике получила трехфазная мостовая схема (схема Ларионова). Но для лучшего уяснения принципа выпрямления трехфазного тока и режимов работы выпрямителей предлагается сначала исследовать трехфазную схему с нулевым выводом (схему Миткевича).

Схема включает в себя трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается между общей точкой соединения катодов вентилей и нулевым выводом вторичных обмоток (рис. 2.2, а).

а) б)

Рис. 2.2. Трёхфазная схема выпрямления: а – нулевая; б – мостовая

Схема работает следующим образом: в открытом состоянии может находиться только тот из вентилей, который имеет наивысший анодный потенциал. Каждый из непроводящих вентилей закрыт обратным напряжением, равным разности напряжений его фазы и фазы проводящего вентиля. Временные диаграммы напряжения для трехфазной нулевой схемы представлены на рис. 2.3, где моменты равенства потенциалов фаз являются моментами естественной коммутации t₀, t₁, t₂, t₃ и т.д. Так, например, для момента времени t₀ наивысший потенциал прикладывается к аноду диода VD4, следовательно, он проводит ток, а остальные заперты. В интервале времени t₀ < t < t₁ – проводит диод VD4, при t₁ < t < t₂ – диод VD5, а при t₂ < t < t₃ – диод VD6.

Рис. 2.3. Временные диаграммы напряжений и токов в трёхфазной нулевой схеме выпрямления

Среднее значение выпрямленного напряжения за период повторяемости 2π/3 для рассматриваемой схемы определится из выражения

cosωtdωt ,

где U₂ – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Средний ток вентилей Ι_a связан со средним значением тока нагрузки Ι_d = U_d/R_d соотношением Ι_а = Ι_d/3.

Остальные соотношения для данной схемы приведены в табл. 2.3.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 2.2, б) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили VD1, VD2, VD3, соединенные анодами, называют анодной группой, а вентили VD4, VD5, VD6, соединенные катодами, – катодной. Нагрузка включается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Анализ схемы проводится для чисто активной нагрузки. Схема работает следующим образом. В катодной группе в открытом состоянии находится вентиль, на аноде которого в данный момент наивысшее напряжение, а в анодной группе открыт вентиль, на катоде которого наименьшее фазное напряжение. Следовательно, на интервале времени t₀ – t₁ – проводят вентили VD4, VD2, на интервале t₁ – t₂ – вентили VD4, VD3, на интервале t₂ – t₃ – вентили VD5, VD3, на интервале t₃ – t₄ – вентили VD5, VD1, на интервале t₄ – t₅ – вентили VD6, VD1, на интервале t₅ – t₆ – вентили VD6, VD2 и т.д. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 2.4.

Интервал проводимости каждого вентиля составляет ψ = 2π/3, а интервал совместной работы двух вентилей равен π/3. За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей.

Рис. 2.4. Временные диаграммы напряжений и токов в трёхфазной мостовой схеме выпрямления

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d определится за период повторяемости π/3,т.е.

U_d = ·U_2Л·соsωtdωt = ·U_2Л = ·U₂ = 2,34U₂.

Среднее значение тока нагрузки в этой схеме подчиняется вышеприведенному выражению.

Контрольные вопросы и задания

1. Построить диаграммы напряжений и токов в нагрузке для трехфазных схем выпрямления при активном и активно-индуктивном характере нагрузки.

2. Для мостовой схемы выпрямления найти типовую (расчетную) мощность трансформатора для P_Н = 1 кВт.

3. Сравните схемы выпрямления, обоснуйте и выберите лучшую.

4. В каком случае схемы выпрямления можно включать без трансформатора?

5. Объясните расхождение между опытными и теоретическими соотношениями токов и напряжений и .

6. Чем отличаются от идеальных реальные вентили и трансформаторы?

7. Оцените характер работы вентилей при повышенной температуре внешней среды.

8. Назовите виды пробоя p-n-перехода.

9. Какие изменения нужно произвести в схеме при необходимости изменения полярности напряжения на нагрузке, например, при реверсе двигателя?

10. Что произойдет с полярностью в нулевой схеме выпрямления, если вентили подключить не анодами, а катодами?

11. Объясните по диаграмме (рис. 2.3, 2.4) форму кривых обратных напряжений на вентилях.

28