Добавил:
chrysler_a57_mltbnk
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:лаба 2 / лаба_7_02_эуиси_метода
.PDF
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский технический университет связи и информатики»
Кафедра экологии, безопасности жизнедеятельности и электропитания.
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Москва 2017
2
План УМД 2017/2018 уч. г.
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ
СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
Составители: С.Л. Яблочников, профессор
К.Ф. Шакиров, ассистент
Издание утверждено на заседании кафедры
протокол № 4 от 12.10 .2017 г.
Рецензент: Е.В.Костюк, доцент
3
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами, наиболее часто
встречающихся на практике, однофазных схем выпрямления.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1.Выпрямительные устройства (ВУ).
Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечи-
вающее преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энер-
гию постоянного тока. Традиционная схема выпрямителя приведена на рис. 1.
Нагрузка
Тр ВБ СФ
U
2
U
1
U
01
u
0
U
1
t
U
2
t
U
01
t
u
0
U
н
t
U
mk
Рис.1 Структурная схема ВУ, выполненного по традиционной схеме.
Выпрямительное устройство состоит из трех основных устройств:
ТР – низкочастотный трансформатор, работающий на частоте f = 50 Гц;
ВБ - вентельный блок, чаще всего он строится на основе полупроводниковых устройств
неуправляемых диодов или управляемых тиристоров, пропускающих ток преимущест-
венно в одном (прямом) направлении.
СФ – сглаживающий фильтр, представляющий собой фильтр нижних частот.
Трансформатор ТР выполняет несколько функций:
- изменяет напряжение источника (сети)
до значения, необходимого для вентиль-
ной группы ( );
- электрически отделяет потребителя от источника (сети), что позволяет создать не-
сколько напряжений гальванически не связанных между собой;
- преобразует число фаз переменного тока.
Вентильный блок ВБ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправлен-
ный.
В выпрямительных устройствах используют полупроводниковые управляемые (тири-
сторы) и неуправляемые (диоды) вентили. Обозначение диода приведено на рис. 2 а.
Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой ВАХ, которая при-
ведена на рис. 2б. для идеального и реального вентиля. Идеальный диод в отличие от
реального обладет односторонней проводимостью. При положительном потенциале ано-
да относительно катода (прямое напряжение) через диод протекает ток в прямом на-
правлении (сопротивление диода равно нулю ). При обратном напряжении,
когда потенциал анода отрицателен, сопротивление идеального диода и вен-
4
тиль не пропускает ток . ВАХ зависит от температуры окружающей среды и
электронно-дырочного перехода. На рис. 2 б. приведена ВАХ диода при t=+50 (пунк-
тирная линия) и при t=+20 (сплошная линия).
Рис. 2 а. Условное обозначение диода.
б)
Рис. 2 б. Вольт-амперная характеристика идеального и реального диода.
Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения или то-
ка до величины, допустимой для работы нагрузки.
Кривая выпрямленного напряжения представляет собой периодическую несинусои-
дальную функцию, которая содержит постоянную и переменную составляющие. Разло-
жение 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.
По тому, сколько раз за период работает каждая фаза вторичной обмотки трансформа-
тора, выпрямительные устройства различаются на однотактные и двухтактные.
В однотактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки трансформатора в течение периода
работает только один раз и ток в каждой фазе имеет постоянную составляющую.
В двухтактных же каждая фаза вторичной обмотки работает за период два раза. При
этом токи, протекающие через обомотку за период, имеют равные величины, но проти-
воположное направление. Поэтому в каждой фазе трансформатора двухтактного ВУ нет
постоянной составляющей.
5
2.Однофазная однополупериодная однотактная схема выпрямления
(работа ВУ на активную нагрузку).
При данном подключении анод вентиля VD подключен к началу вторичной обмотке
трансформатора . Нагрузка включена между катодом вентиля и концом вторичной
оботки трансформатора. Схема представлена на рис. 3, а.
VD
U
1
U
0
U
2
i
0
Tр
а)
R
н
+ (-)
- (+)
Рис. 3, а. Однополупериодный выпрямитель (принципиальная электрическая схема вы-
прямителя).
При включении данного выпрямителя в сеть синусоидального тока во вторичной об-
мотке трансформатора наводится синусоидальная ЭДС. Эта ЭДС и напряжене (рис.
3, б) будут одинаковы по величине и форме (вентиль и трансформаторы принимаются,
как идеальные).
В интервале от 0 до анод диода VD находится под положительным потенциалом,
вентиль открыт и под действием напряжения через вторичную обмотку трансформа-
тора, открытый вентиль и активную нагрузку протекает ток .
Вентиль идеальный, потери напряжения на нем равны нулю и, следовательно, проходя
по нагрузке ток, создает на ней падение напряжения, равное мгновенному значениею
(рис. 3, г). Вентиль открыт, пока его анод положителен по отношению к катоду,
т.е. на интервале от до в течение первого периода, а также во все другие
положительные полупериоды напряжения .
Полярность положительного полупериода выпрямляемого напряжения показана на
рис. 3, а. знаками «+» и «-». При смене полярности напряжения анод вентиля становится
отрицательным относительно катода. На интервале от до вентиль на-
ходится под обратным напряжением, амплитуда которого для данной схемы равна ам-
плитуде напряжения на вторичной обмотке. Таким образом, ток нагрузки получается
пульсирующим. Он имеет форму однонаправленных импульсов (рис. 3, в) длительно-
стью в половину периода. Такова же форма выпрямленного напряжения (рис. 3, г)
Выпрямленное напряжение содержит как постоянную составляющую , так и ряд
гармонических составляющих, создающих пульсацию. Число фаз выпрямления равно
единице, так как за один период питающего напряжения через нагрузку проходит один
импульс тока. Постоянная состовляющая тока нагрузки проходит по вторичной об-
мотке трансформатора, подмагничивая сердечник. Подмагничивание сердечника ухуд-
шает параметры трансформатора – возрастают потери в стали и ток холостого хода
трансформатора. Что бы избежать этого увеличивают сечение сердечника, что в свою
очередь вызывает увеличение габаритов и массы трансформатора.
Постоянная состовляющая тока в отличие от переменных не трансформируется в
первичную обмотку трансформатора. Для определения величины и формы тока в пер-
6
вичной обмотке необходимо вычесть из тока вторичной обмотки постоянную состав-
ляющую и мгновенные значения полученного тока изменить n раз, т.е.
,
= – коэффициент трансформации.
График измененитя тока первичной обмотки показан на рис. 3, д.
U
2
0
π 2π 3π
ωt
б)
ωt
ωt
ωt
0
0
0
i
0
i
2,
I
2max
I
0
в)
г)
д)
u
0
U
2max
U
0
i
1
ωt
0
е)
u
обр
U
2max
Рис. 3 (б - е). Однополупериодный выпрямитель (диаграммы токов и напряжений, пояс-
няющих работу устройства). б – напряжение вторичной обмотки; в – ток вентиля, вто-
ричной обмотки и нагрузки; г – напряжение на нагрузке; д – ток первичнойобмотки; е –
обратное напряжение на вентиле.
7
Достоинства схемы:
- простота;
- минимальное число элементов;
- невысокая стоимость;
- возможность работы без трансформатора.
Недостатки:
- низкая частота пульсации;
- высокое обратное напряжение на вентиле;
- вынужденное намагничивание трансформатора;
- не работает на индуктивную нагрузку.
3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой во вторичной обмот-
ке трансформатора при питании от однофазной сети переменного тока (работа ВУ
на активную нагрузку).
VD1
U
1
U
0
U
21
i
01
Tр
а)
R
н
+ (-)
- (+)
VD2
U
22
+ (-)
- (+)
i
01
i
02
i
01
i
02
i
02
i
02
i
01
i
02
i
02
Рис. 4, а. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки
трансформатора ( принципиальная электрическая схема выпрямителя).
Выпрямитель состоит из трансформатора ТР вентилей VD1 и VD2 (рис. 4, а). Трансфор-
матор имеет одну первичную обмотку и вторичную обмотку с выводом от средней точки.
В данной схеме вторичную обмотку можно рассматривать как две одинаковые вторичные
обмотки, соединенные между собой. Схема представляет собой сочетание двух однополу-
периодных схем выпрямления, работающих на общую нагрузку поочередно. Так как фак-
тически у трансформатора две вторичные обмотки и каждая из них работает только в один
полупериод, то эту схему можно назвать двухфазной однотактной схемой.
При включении ВУ в сеть перемнного тока во вторичных обмотках индуцируется ЭДС.
Тогда в первый полупериод на интервале от до напряжение на вторичной
обмотке будет сориентирировано так: верхний конец вторичной обмотки положителен
относительно нулевой точки, а нижний конец той же обмотки отрицателен (рис 4, а). В
этом случае вентиль VD1 будет открыт, так как его анод положителен по отношению к
катоду. От нулевой точки по верхней половине вторичной обмотки трансформатора через
первый вентиль VD1, нагрузку и опять к нулевой точке вторичной обмотки потечет ток
( рис. 4, в). Вентиль VD2 будет закрыт отрицательным напряжением (рис. 4, ж).
8
Во второй полупериод на интервале от до напряжение на вторичных
обмотках изменит свою полярность, откроется вентиль VD2, а вентиль VD1 закроется.
Ток потечет от нулевой точки по нижней половине вторичной обмотки через вентиль
VD2, через нагрузку к нулевой точке (рис. 4, г). Вентили работают поочередно, а
ток через нагрузку проходит все время в одном направлении (рис. 4, д), создавая на ней
напряжение . Кривые тока и напряжения совпадают по форме, но имеют разный
0
π 2π 3π
б)
ωt
0
в)
ωt
U
21
U
21
U
22
U
22
i
01
i
VD1
0
г)
i
02
i
VD2
ωt
0
д)
u
0
i
0
ωt
u
0
i
0
U
0
I
0
0
е)
ωt
i
1
0
ж)
ωt
U
обр VD1
U
обр VD2
U
обр VD1
U
обр VD1
U
обр VD2
U
обр VD2
2U
2m
Рис. 4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки транс-
форматора (диаграммы токов и напряжений, поясняющих работу устройства).
9
б - напряжение на вторичных обмоткетках; в – ток первого вентиля; г – ток второго вен-
тиля; д –ток и напряжение на нагрузке; е – ток первичной обмотки; ж – обратоное на-
пряжение на вентилях.
масштаб. В этой схеме через нагрузку за один период питающего напряжения проходят
два импульса тока, поэтому число фаз выпрямления равно двум. Основная гармоника
пульсаций имеет частоту в 2 раза больше частоты сети .
Сердечник трансформатора в схеме двухполупериодного выпрямления не подмагничи-
вается, так как постоянные составляющие токов фаз проходят по вторичным обмоткам в
противоположных направлениях и их МДС (магнитодвижущие силы) компенсирую друг
друга. Ток первичной обмотки трансформатора синусоидален ( рис. 4, а)
Закрытый вентиль в данной схеме ВУ находится под обратным напряжением, в 2 раза
превышающим напряжение на одной из вторичных обмоток т.е.
Достоинства схемы:
- частота пульсации выше, чем в предыдущей схеме;
- минимальное число вентилей;
- отсутствие вынужденного подмагничивания;
- работа на любой вид нагрузки.
- высокий КПД.
Недостатки:
- высокое обратное напряжние;
- не работает без трансформатора.
4. Однофазная двухтактная мостовая схема выпрямления (работа ВУ на активную
нагрузку).
Мостовой выпрямитель состоит из двухобмоточного трансформатора, четырех венти-
лей, включенных по схеме моста VD1, VD2, VD3, VD4, и нагрузки выпрямителя .
К одной диагонали моста подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой –
нагрузка. В схеме выпрямителя четыре вентиля соединены так, что напряжение вто-
ричной обмотки подается на нагрузку в течение одного полупериода через одну пару
вентилей, в течение второго полупериода - через вторую. Общая точка катодов вентилей
VD1, VD2 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов венти-
лей VD3, VD4 – отрицательным.
При работе выпрямителя напряжение на вторичной обмотке имеет такую фазу, что в
первый полупериод (0- ) потенциал верхнего конца вторичной обмотки «a» положите-
лен, а нижнего конца «b» – отрицателен (рис. б).
Вентили VD1 и VD4 в течение первого полупериода открыты, так как оказываются
включенными в прямом направлении, а вентили VD2, VD3 закрыты. Ток протекает
по цепи – точка «a», вентиль VD1 сопротивление нагрузки , вентиль VD4, точка «b»
(рис. 5, в). Этот ток создает на сопротвлении нагрузки падение напряжения, повто-
ряющее первую полуволну выпрямляемого напряжения . Во второй полупериод
( ) полярность напряжения на вторичной обмотке изменится на обратную и ток по-
течет по другой цепи от точки «b» вторичной обмотки через вентиль VD2, сопротивле-
ние нагрузки , вентиль VD3, к точке «a» обмотки трансформатора. Вентили VD1 и
VD4 во время второго полупериода ( ) закрыты (рис 5, г).
Через нагрузку токи , проходят в одном направлении, образуя выпрямленный
ток . Выпрямленное напряжение (рис. 5, д) совпадает по форме с суммарным током
. Ток во вторичной обмотке через каждый полупериод меняет направление,
поэтому сердечник трансформатора не подмагничивается. Ток в первичной обмотке си-
нусоидален (рис. 5, е).
10
В этой схеме выпрямления за один период питающего напряженния по нагрузке про-
ходят два импульса тока, т.е. число фаз выпрямления равно двум. Поэтому основная
гармоника пульсации имеют частоту .
Каждый полупериод два вентиля открыты, а два других закрыты. Так как сопротивле-
ние открытых вентилей равно нулю, то закрытые вентили оказываются включенными
параллельно между собой и, следовательно, находятся под обратным напряжением, ра-
ным напряжению на вторичной обмотке (рис. 5, ж).
Максимально обратное напряжение на закрытом вентиле равно амплитуде напряжения
на вторичной обмотке трансформатора .
Достоинство схемы:
- частота пульсации выше, чем в однополупериодной схеме;
- может работать без трансформатора;
- отсутствие вынужденного подмагничивания.
Недостатки:
- необходимость в четырех вентилях;
а)
VD1
U
0
U
2
Tр
R
н
+ (-)
- (+)
VD3
VD2
VD4
i
23
i
14
i
14
i
14
i
14
i
14
i
14
i
23
i
23
i
23
i
23
i
23
VD1
U
1
U
0
U
2
Tр
R
н
+ (-)
- (+)
VD3
VD2
VD4
б)
Рис. 5 (а, б). Однофазная мостовая схема выпрямления (различные изображеия принци-
пиальной электрической схемы выпрямителя).
Соседние файлы в папке лаба 2