Моделирование электротехнических устройств. Методические указания для самостоятельной работы студентов направления подготовки 140400.62 «Электроэнерге

выпрямления переменного напряжения. Трансформатор служит для согласования величины выпрямленного напряжения с величиной напряжения сети переменного тока. Обычно это - понижающий трансформатор. Диоды соединяют по нулевой или мостовой схемам. На рис. 26 представлены однофазная однополупериодная а) и однофазная мостовая двухполупериодная б) схемы выпрямления.

Рис. 26. Однофазная однополупериодная а) и однофазная мостовая б) схемы выпрямления

Напомним, что электрод диода, присоединенный к слою полупроводника с р-проводимостью, называют анодом, к слою полупроводника с n-проводимостью - катодом. На условном обозначении диода острие направлено от анода к катоду. Диод переходит в проводящее состояние (открыт), если напряжение на аноде положительное, а на катоде - отрицательное. В противном случае диод запирается, ток, проходящий через него (обратный ток), пренебрежимо мал. Следовательно, диод, включенный в цепь переменного тока, будет открыт, когда к нему приложена положительная полуволна (полупериод) переменного напряжения и закрыт, когда действует отрицательная полуволна напряжения. Первое называют

прямым напряжением, или падением напряжения на открытом диоде.

Последнее называют обратным напряжением. На рис. 27. показана кривая выпрямленного напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя.

u

ωt

Рис. 27. Кривая выпрямленного напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя.

31

Как видим, форма кривой выпрямленного напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя далека от линейной и, говорят, имеет значительные пульсации, т.е. провалы. Пульсации характеризуются ко-

эффициентом пульсаций К П , который равен отношению амплитуды пульсаций U П к среднему значению выпрямленного напряжения U d :

К П = U П / U d .

Среднее значение выпрямленного напряжения U d зависит от схемы выпрямления:

-для однофазной однополупериодной U d =U m /π = 2 U/ π = 0,45U; -для однофазной мостовой U d = 2U m / π = 2 2 U/ π = 0,9 U ;

-для однофазной нулевой U d = 2U m /π = 2 2 U/ π = 0,9 U;

-для трехфазной нулевой U d = 2,6 U m /π= 2,6 2 U/ π = 1,17 U Ф ; -для трехфазной мостовой U d = 5,19 U m /π =5,19 2 U/ π = 2,32 U Ф ,

где U - действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя, U Ф - фазное для трехфазных выпрямителей.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения также зависят от типа выпрямителя.

Например, в случае однофазного однополупериодного выпрямителя (рис.26) амплитуда пульсаций равна амплитуде переменного напряжения U П = U m (рис.27), а коэффициент пульсаций составляет 1,57. Величи-

на обратного напряжения в однополупериодной схеме: U обр =U m =3,14 U d .

Очевидно, что (при равном входном напряжении) чем больше среднее значение выпрямленного напряжения, чем меньше коэффициент пульсаций, тем совершеннее выпрямитель, поскольку тем больше величина выпрямленного напряжения приближается к амплитудному, а его форма тем больше приближается к прямой линии.

Выполнение работы.

Однофазный мостовой выпрямитель. Для сборки схемы извлечем из библиотек пиктограмм на рабочее поле амперметр ХММ1, вольтметры ХММ2, ХММ3; источник напряжения V1, трансформатор Т1, диоды D1D4, резистор R1 и соединим их в соответствии со схемой, представленной на рис. 28. Величина сопротивления нагрузки R1 может изменяться в пределах от 0 в режиме короткого замыкания до ∞ в режиме холостого хода.

Установим действующее напряжение первичной обмотка равным 220 В, тогда амплитудное составит 311 В.

Заземлим отрицательный зажим выпрямителя и один из зажимов источника переменного напряжения.

Присоединим вход А осциллографа XCS к выходу выпрямителя. Последовательно с сопротивлением нагрузки R1 включен мультиметр

32

ХММ1 в режиме амперметра постоянного тока, а среднее значение выпрямленного напряжения измеряет вольтметр ХММ2.

Принцип работы выпрямителя сводится к тому, что в каждый полупериод открыты два диода: тот, на аноде которого напряжение положительно и тот, на катоде которого оно отрицательно. Таким образом, в первый полупериод открыты, например, диоды D2 и D3, а во второй полупериод D1 и D4 и т.д.

XSC1

Рис. 28. Схема однофазного мостового выпрямителя.

Исследование первое. Включим схему, активируем осциллограф и другие измерительные приборы. При данной нагрузке напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет U=32 В, амплитуда U m =

2 U = 44,8 В, выпрямленное напряжение U d = 27,7 В, а выпрямленный

ток I d = 2,3 А.

Осциллограмма выпрямленного напряжения представлена на рис. 29. Заметим, что число полуволн на период в осциллограмме удвоилось в сравнении с однополупериодной схемой, а уровень пульсаций выпрямленного напряжения снижается. Коэффициент пульсаций выпрямителя составляет 0,67.

Изменяя величину сопротивления нагрузки от наибольшего (например, 12 кОм) до наименьшего значения (например, 1.2 Ом), запишем значения выпрямленного тока и среднего значения

33

ωt

Рис. 29. Осциллограмма выпрямленного напряжения однофазного двухполупериодного выпрямителя

выпрямленного напряжения (6-7 значений). Построим внешнюю характеристику выпрямителя, т.е. зависимость его напряжения от тока нагрузки

U d = f (I d ) .

Исследование второе. Подключим параллельно к выходу выпрямителя простейший фильтр в виде конденсатора емкостью, например, 1 мкФ и вновь включим питание. Новое значение выпрямленного напряжения равно 28,8 В, тока нагрузки 2,4 А. На рис. 30 представлена осциллограмма выпрямленного напряжения того же выпрямителя при использовании конденсатора.

u d

ωt

Рис. 30. Осциллограмма выпрямленного напряжения того же выпрямителя при включении конденсатора параллельно нагрузке

Как видим, включение конденсатора привело, во-первых, к существенному снижению пульсаций выпрямленного напряжения и, вовторых, как следствие, к повышению среднего значения выпрямленного напряжения того же выпрямителя. Таким образом, конденсатор обладает фильтрующими свойствами, которые обеспечивают сглаживание кривой выпрямленного напряжения.

34

Объясним механизм сглаживания выпрямленного напряжения. Читатель может легко убедиться, что амплитудные значения напряжения на рис. 29 значительно больше, чем на рис. 30, тогда как среднее значение выпрямленного напряжения во втором случае на добрый вольт больше, чем в первом. Происходит это вследствие того, что конденсатор заряжается при напряжении, превышающем среднее значение (запасается энергией), и разряжается при меньшем напряжении (возвращает энергию), что и приводит к снижению пульсаций. Очевидно, увеличение емкости повлечет за собой ещё большее снижение пульсаций, а кривая выпрямленного напряжения будет близка по виду к прямой линии. Рекомендуем самостоятельно убедиться в этом.

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой

Соберем теперь трехфазный выпрямитель с нулевой точкой. Для этой цели используем три одинаковых источника переменного напряжения. Соединим их в звезду и установим соответствующие фазы напряжений: 0, 120º и 240º. Включим в каждую фазу по вентилю и объединим их катоды. Это будет плюсовый (+) зажим выпрямителя.

Рис. 31. Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой.

Вкачестве минусового (-) используем нейтраль (нулевую точку). Схема выпрямителя представлена на рис. 31.

Вцепь нагрузки включим амперметр ХММ1, а параллельно ей - вольтметр ХММ2. Подключим вход А осциллографа к фазному напряжению, а вход В - к напряжению выпрямителя.

На рис. 32. показаны осциллограмма одного из фазных переменных напряжений (u а ) и кривая выпрямленного напряжения трехфазного вы-

ωt

u а

Рис. 32. Осциллограммы фазного u а и выпрямленного u d напряжений трехфазного выпрямителя с нулевой точкой.

На рис. 32. видно, что в трехфазной схеме выпрямления на один период приходится три полуволны напряжения, поэтому и пульсации напряжения в такой схеме значительно меньше, чем в однофазной. Коэффициент пульсации выпрямителя составляет 0,25. Величина обратного напряжения в схеме: U обр = 2 U d .

Принцип работы схемы сводится к тому, что в каждый момент времени в проводящем состоянии находится тот вентиль, на аноде которого наибольшее положительное напряжение. Таким образом, в промежутке времени от точки 1 до точки 2 будет открыт вентиль D1, от точки 2 до точки 3 - вентиль D2, от 3 до 1 - вентиль D3 и т.д. Точки 1, 2, 3 называют-

ся точками естественной коммутации вентилей. Это точки, в которых под воздействием анодного напряжения происходит самостоятельное переключение вентилей выпрямителя. Таким образом, каждый вентиль находится в открытом состоянии одну треть периода Т/3. Следовательно, среднее значение тока каждого вентиля равно трети тока нагрузки: I В =

I d /3.

Изменяя ток нагрузки от минимального значения до наибольшего и записывая значения тока и выпрямленного напряжения, следует построить внешнюю характеристику выпрямителя:

U d = f (I d ) .

Трехфазный мостовой выпрямитель

Соберем теперь трехфазный мостовой выпрямитель. Для этого, как и в предыдущем случае, используем три одинаковых источника перемен-

36

ного напряжения. Соединим их в звезду и установим амплитуды напряжений 16 В и соответствующие фазы напряжений: 0Deg, 120ºDeg и 240ºDeg. Включим в каждую фазу по два вентиля, объединим их аноды и катоды, получив так называемые анодную и катодную группы вентилей

(рис.33).

К выходу выпрямителя (зажимы - и +) подключим нагрузку в виде активного сопротивления R1, последовательно с которым включим мультиметр ХММ1 в режиме амперметра постоянного тока. Параллельно к выходу подключим мультиметр ХММ6 в режиме вольтметра постоянного тока, а также вход А осциллографа ХSС1. Параллельно к одному из источников переменного напряжения подключим мультиметр ХММ7 для измерения входного фазного напряжения. Минусовый зажим выпрямителя заземлим.

Принцип работы мостового выпрямителя сводится к тому, что в каждый момент времени в отрытом состоянии находятся два диода: тот, к аноду которого приложено наибольшее положительное напряжение и тот, к катоду которого приложено наибольшее отрицательное напряжение.

Например, в момент времени, отмеченный на рис. 34, а), вертикальной чертой и стрелками, по указанной причине, открыты диоды D2 и D3. Контур выпрямленного тока тогда замыкается по элементам: источник напряжения V1 - открытый диод D2 - (+) зажим выпрямителя - амперметр ХММ1 - сопротивление нагрузки R1- (-) зажим выпрямителя - диод D3 - источник напряжения V2. Затем, по мере спадания отрицательной полуволны напряжения u b и нарастания отрицательной полуволны напряже-

ния u с (не показанной на рис.12.9, а), диод D3 закроется, диод D5 откроется, а диод D2 продолжает пребывать в открытом состоянии. При этом контур тока: V1 - D2 - (+) - XMM1 - R1 - (-) - D5 - V3 - V1. Следующие π/6

градусов в паре работают диоды D5 -D4, затем D1-D4, затем D1-D6 и т.д.

37

16V 50Hz 0Deg 16V 50Hz 120Deg 16V 50Hz 240Deg

XMM1

R1

XMM6 10ohm

Рис. 33. Схема исследования трехфазного мостового выпрямителя

38

u а u b а)

ωt

б)

ωt

Рис. 34. а) Осциллограммы фазных переменных напряжений u а и u b , б) осциллограмма мгновенных значений выпрямленного напряжения u d и среднее значение выпрямленного напряжения U d

мостового выпрямителя

Осциллограмма выпрямленного напряжения u d и среднее значение выпрямленного напряжения U d мостового трехфазного выпрямителя

представлены на рис. 34,б. Легко видеть, что уровень пульсаций напряжения схемы невелик. Коэффициент пульсаций мостового выпрямителя составляет к П = 0,05.

Ток через каждый диод протекает треть периода, следовательно, среднее значение тока, по которому выбирают диод, составит треть тока нагрузки: I В = I d /3. Допустимое обратное напряжение равно величине

выпрямленного напряжения: U обр = U d .

Для того, чтобы убедиться в этом, читатель может включить в цепь любого диода мостового выпрямителя датчик тока указанным выше образом и подключить к нему осциллограф.

Чтобы получить внешнюю характеристику выпрямителя, следует изменять ток нагрузки от минимального значения до наибольшего и, записывая значения тока и выпрямленного напряжения, построить зависимость:

U d = f (I d ) .

39

Мостовой трехфазный выпрямитель обладает не только минимальным уровнем пульсаций, но в этой схеме, в отличие от трехфазной нулевой, наиболее полно используется понижающий трансформатор. Трехфазный трансформатор для упрощения схемы не показан, функции его вторичных фазных обмоток выполняют источники напряжения V1, V2 и V3. Мы могли видеть, что в каждый момент времени в мостовом выпрямителе в работе находятся две фазы, тогда как в нулевой схеме - только одна фаза.

Трехфазные выпрямители, выполненные по нулевой и мостовой схемам, находят исключительно широкое применение для питания постоянным нерегулируемым напряжением электроприемников средней и большой мощности.

Исследование усилителей постоянного тока

Целью работы является сборка виртуальной схемы с усилителем постоянного тока, исследование его основных параметров и характеристик.

Программа работы.

1.Сборка виртуальной схемы.

2.Расчет коэффициентов обратной связи и коэффициента усиления усилителя.

3.Снятие и изучение амплитудной характеристики усилителя при изменении коэффициента обратной связи.

4. Снятие и изучение частотной характеристики усилителя при изменении коэффициента обратной связи.

5. Составление отчета по работе.

Общие сведения. Усилители - это электронные устройства, которые служат для усиления напряжения, тока или мощности слабых элек-

трических сигналов. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают:

-усилители низкой частоты (диапазон частот - от десятков герц до десятков килогерц);

-избирательные усилители, работающие в весьма узком диапазоне высоких частот;

-импульсные или широкополосные усилители, работающие в диапа-

зоне от нескольких десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц;

-усилители постоянного тока.

Усилителем постоянного тока (УПТ) называют электронное устройство, предназначенное для усиления медленно изменяющихся во времени электрических сигналов в диапазоне частот от нуля (постоянное напряжение) до некоторой наибольшей частоты. УПТ широко исполь-

40