Раздел 1. Лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомление с процессами в различных схемах выпрямления однофазного и трехфазного тока и их внешними характеристиками.

2. Экспериментальная проверка основных расчетных соотношений для этих схем.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Маломощные источники питания применяются для питания электронных устройств в различных схемах автоматики. Поскольку первичным источником обычно является промышленная сеть, то для получения необходимого значения постоянного напряжения переменное напряжение преобразуется трансформатором Т_Р, а затем выпрямляется с помощью вентильной группы В (рис. 1).

Рис. 1

Сглаживающий фильтр С_Ф уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до необходимой величины. Стабилизатор С_Т поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе при изменениях напряжения сети или сопротивления резистора R_Н.

В зависимости от требований, предъявляемых к источнику питания, отдельные узлы его могут отсутствовать, но обязательным элементом источника питания является вентильная группа.

По числу фаз выпрямленного напряжения различают однофазные и трехфазные выпрямители. Для регулирования напряжения на нагрузке применяют управляемые выпрямители. Для выпрямления однофазного напряжения используют в основном три типа выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных (мостовой и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора).

Преобразование переменного напряжения в постоянное осуществляется с помощью вентилей – нелинейных элементов, имеющих несимметричную вольтамперную характеристику. В настоящее время в качестве вентилей широко применяются полупроводниковые диоды. Они имеют небольшие габариты, высокий КПД, высокую надежность.

На рис. 2а приведена вольтамперная характеристика диода (кривая 1).

На характеристике масштаб токов и напряжений в прямом и обратном направлении выбран различным. Сопротивление диода зависит от величины и направления протекающего по нему тока. В прямом направлении сопротивление диода составляет единицы Ом, а в обратном – МОм. Обратный ток небольшой и слабо зависит от приложенного напряжения. Если обратное напряжение на диоде превысит допустимое значение, происходит тепловой пробой, ток резко увеличивается. Это вызывает нагрев диода, дальнейший рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) p-n перехода и выход диода из строя.

Если к диоду приложить прямое напряжение порядка нескольких десятков вольт, то возникает недопустимо большой ток, что вызовет интенсивный нагрев прибора и, как следствие, его разрушение. Поэтому для диодов определяются предельные эксплуатационные данные. Эти данные приводятся в справочниках. К ним относятся (рис. 2б):

Рис. 2

I_{m ПР} – максимально допустимый прямой ток диода;

U_ПР – прямое напряжение (среднее значение падения напряжения на диоде, включенном в прямом направлении), составляет 0,3÷0,8 В для различных типов диодов;

U_{m ОБР} – максимально допустимое обратное напряжение диода;

I_ОБР – средний обратный ток.

Анализ работы выпрямителя упрощается при допущении, что трансформатор и вентили идеальны. Идеальная характеристика диода показана на рис. 2а, кривая 2.

Схема однополупериодного выпрямителя и процесс выпрямления представлены на рис. 3. Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств, допускающих повышенную пульсацию.

Схема мостового выпрямителя и процесс выпрямления представлены на рис. 4.

Диоды VD1÷VD4 являются плечами моста. К одной диагонали моста подается переменное напряжение, к другой подключается нагрузочный резистор R_Н. В полупериод, когда потенциал точки b положителен относительно потенциала точки a, открыты диоды VD1, VD3, напряжение на них U_пр ≈ 0, через нагрузочный резистор протекает ток, напряжение на нем определяется положительной полуволной вторичной обмотки трансформатора U₂. На электродах диодов VD2, VD4 действует обратное напряжение, равное напряжению вторичной обмотки трансформатора U₂. Максимальное обратное напряжение на каждом из них равно:

.

В следующий полупериод ток проходит через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Ток в цепи нагрузки проходит в одном направлении каждый полупериод.

Основные электрические параметры выпрямителей:

• средние значения выпрямленных тока и напряжения I₀, U₀;

• мощность нагрузочного устройства ;

• амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ;

• коэффициент пульсации выпрямленного напряжения р;

• действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора .

Выпрямленное напряжение (рис. 3г, 4г) имеет пульсирующий характер и является периодическим несинусоидальным напряжением, которое может быть представлено рядом Фурье в виде суммы постоянной и гармонических составляющих.

Для однополупериодного выпрямителя:

, (1)

где U₀ – среднее значение или постоянная составляющая выпрямленного напряжения за период;

.

Для двухполупериодного выпрямителя:

, (2)

где U₀ – среднее значение или постоянная составляющая выпрямленного напряжения за период;

;

U_т – максимальное значение выпрямленного напряжения (или напряжения вторичной обмотки трансформатора);

U_т1 (1), U_т2 (2) – амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения (пульсации) – U_{т ОСН}.

U_т2 (1), U_т4 (2) – амплитуды высших гармонических составляющих напряжений пульсаций;

- угловая частота, где f=50 Гц.

Для двухполупериодного выпрямителя частота основной гармоники равна удвоенной частоте сети.

Амплитуду основной гармоники (переменной составляющей) выпрямленного напряжения U_{т ОСН} получаем, вычитая из выпрямленного пульсирующего напряжения его среднее значение (постоянную составляющую) U₀. Переменная составляющая имеет несинусоидальную форму (рис. 3д).

В этом случае вклад всех гармонических составляющих U_~(t)= в выпрямленное напряжение (рис. 3д) получаем графически, вычитая из временной диаграммы выпрямленного напряжения U_Н(t) (рис. 3г) его постоянную составляющую U₀. Переменная составляющая U_~(t) имеет несинусоидальную форму. Если учесть, что амплитуды высших гармоник U_т2, U_т4 и т.д. существенно меньше амплитуды основной гармоники U_т1 (1), то можно принять, что

U_~(t)= =.

Выпрямленное напряжение оценивают коэффициентом пульсации р, представляющим отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей этого напряжения:

.

Он не зависит от амплитуды выпрямленного напряжения, а обуславливается лишь формой этого напряжения.

Для однополупериодного выпрямителя:

.

Для двухполупериодного выпрямителя:

.

В тоже время коэффициент пульсации напряжения, питающего электрические устройства, должен составлять, например, для усилительных каскадов 10^-4 – 10^-5. Для уменьшения коэффициента пульсации в источниках питания применяют сглаживающие фильтры. Фильтры обычно состоят из конденсаторов и индуктивных катушек.

У конденсаторов с ростом частоты емкостное сопротивление уменьшается, а у индуктивных катушек сопротивлениеувеличивается.

По виду реактивных элементов существуют емкостные, индуктивные и смешанные фильтры. Смешанные сглаживающие фильтры в зависимости от способа соединения входящих в него элементов подразделяются на Г-образные и П-образные. Эффективность фильтров оценивают коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации р₁ на входе фильтра (выходе выпрямителя) и р₂ на выходе фильтра (нагрузке):

Емкостный фильтр С_ф (рис.4 а, д) включается параллельно нагрузочному резистору R_H. Его работа основана на использовании переходных процессов заряда-разряда конденсатора. Скорость разряда определяется постоянной времени:

.

Рис. 3 Рис.4

Если постоянная времени  будет значительно больше периода изменения выпрямленного напряжения Т, , то конденсатор будет разряжаться медленно и напряжение на нем существенно не изменится. Это приводит к увеличению среднего значения выпрямленного напряженияU₀ практически до амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2m и к снижению коэффициента пульсации р. Таким образом, емкостный фильтр наиболее эффективен при больших нагрузках.

Располагая номинальными параметрами U₀ и Р₀ для потребителя, допустимым коэффициентом пульсации р, можно из приведенных ранее соотношений (1) и (2) для соответствующей схемы выпрямления определить основные параметры трансформатора, вентилей.

Например, для мостового выпрямителя:

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

.

Средний ток диода:

.

Максимальный прямой ток диода:

.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

.

Трехфазные выпрямители применяют при сравнительно большой мощности постоянного тока (больше 1 кВт). Из большого числа известных схем выпрямления трехфазного тока наибольшее применение находят следующие схемы: трехфазная схема с нейтральным выводом (рис. 5), трехфазная мостовая схема (рис. 6).

Рассмотрим основные соотношения для трехфазных выпрямителей.

В схеме выпрямителя с нейтральным выводом диоды работают поочередно в течение одной трети периода. Выпрямленный ток на нагрузке R_H определяется суммой выпрямленных токов каждой из фаз, пульсации его значительно меньше по сравнению с однофазным выпрямителем (рис. 5в).

Выпрямленное напряжение на нагрузке можно представить рядом Фурье:

,

где – постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя:

.

При однополупериодном выпрямлении n=m, где т – число фаз выпрямителя. При двухполупериодном выпрямлении частота основной гармоники (переменной составляющей) выпрямленного напряжения в два раза больше при том же числе фаз, при этом п=2т.

Для выпрямителя с нейтральным выводом:

.

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

.

Максимальное обратное напряжение закрытого диода определяется линейным напряжением:

.

Средний ток диода:

.

Максимальный прямой ток диода:

.

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 6) имеет лучшие показатели по сравнению с предыдущим выпрямителем. В нем работают две группы вентилей:

1. Катодная (вентили VD1, VD3, VD5) – катоды соединены между собой, а аноды присоединены к фазам.

2. Анодная (вентили VD2, VD4, VD6) – соединены между собой аноды, а катоды присоединены к фазам.

Нагрузка включена между общей точкой катодов и общей точкой анодов этих групп. Положительным полюсом для цепи нагрузки здесь служит общая точка катодов, а отрицательным – общая точка анодов. При работе схемы ток всегда проводят два вентиля: один в катодной группе, а другой в анодной. В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот вентиль, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других вентилей, а в анодной группе – вентиль, потенциал катода которого ниже потенциалов катодов других вентилей в группе. Коммутация тока с одного вентиля на следующий в данной группе происходит в моменты, соответствующие пересечениям синусоидальных фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

Таким образом, каждый вентиль работает в течение одной трети, а смена пар вентилей происходит через каждую шестую часть периода (рис. 6б). Выпрямленный ток I_H (рис. 6в) пульсирует с частотой в шесть раз большей, чем в схеме с нейтральным выводом. Пульсации выпрямленного тока очень незначительны.

Коэффициент пульсаций в мостовом выпрямителе:

.

Среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения из ряда Фурье:

где U_2Ф, U_2Л – действующие значения фазного и линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, определяется линейным напряжением вторичной обмотки трансформатора, так как он оказывается присоединен через практически нулевое сопротивление открытых диодов к началу двух фаз вторичной обмотки:

.

Средний выпрямленный ток диода:

Максимальный прямой ток диода:

.

Важной характеристикой источника питания является внешняя характеристика – зависимость напряжения на нагрузке от тока в ней. Она определяет границы изменения нагрузочного тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.

Рис. 5 Рис. 6

Внешние характеристики представлены на рис. 7. Если учесть активное сопротивление обмотки трансформатора R_ТР и сопротивление открытого диода R_ПР, то напряжение на нагрузке и ток в нагрузке можно связать аналитическим выражением:

,

где – средневыпрямленное напряжение на выходе ненагруженного выпрямителя (режим холостого хода).

При емкостном фильтре с ростом тока нагрузки снижение напряжения происходит не только за счет увеличения падения напряжения на внутренних сопротивлениях диода и обмотки трансформатора, но и за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление R_H , что приводит к дополнительному снижению выпрямленного напряжения. Обычно понижения напряжения составляет 5÷6 % при изменении тока от 20 до 100 % номинального значения.

Рис. 7