Добавил:
YagamiRam
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Лабораторная работа №2 / Методичка
.pdf
11
0
π 2π 3π
б)
ωt
0
в)
ωt
U
2
i
1,4
0
г)
i
2,3
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
2m
Рис. 5. Однофазная мостовая схема выпрямления. б – напряжение на вторичной обмотке;
в – ток первого и четвертого вентиля; г – ток второго и третьего вентиля; д – ток и на-
пряжение на нагрузке; е – ток первичной обмотки; ж – обратное напряжение на венти-
лях.
12
5. Работа выпрямителей на емкостную и индуктивную нагрузку.
Выше приводились особенности работы выпрямителей, питающихся от однофазной
сети, только на активную нагрузку. На активную нагрузку выпрямители работают лишь
в тех устройствах, где пульсация выпрямленного напряжения не лимитируется (цепи
сигнализации, контроля защиты и т.д. ). Поэтому в основном различают два режима ра-
боты ВУ: работу ВУ на нагрузку емкостного характера и работу ВУ на нагрузку индук-
тивного характера.
В ВУ после ВБ следует сглаживающий фильтр, который и определяет форму тока,
протекающего через диоды ВБ и все элементы, стоящие перед ВБ. Поэтому сглаживаю-
щий фильтр определяет энергетические показатели выпрямителя в целом.
Как правило, выпрямители средней и большой мощности работают на индуктивную
нагрузку, а выпрямители малой мощности – на емкостную.
6. Процессы в ВУ с емкостным характером нагрузки.
а)
VD
U
1
U
0
U
2
Tр
R
н
+ (-)
- (+)
i
VD
i
сз
i
0
+
-
C
Рис 6, а. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки.
Выпрямитель работает на нагрузку емкостного характера, когда первым элементом
сглаживающего фильтра является конденсатор. Сопротивление конденсатора для первой
гармоники пульсации должно быть мало по сравнению с сопротивлением нагрузки.
Рассмотрим этот режим работы на примере однотактной однофазной схемы (рис. 6, а).
По аналогии происходящие в ней процессы с учетом индивидуальных особенностей
можно распространить и на другие схемы выпрямления. Конденсатор C в этой схеме за-
ряжается, когда вентиль VD открыт, а при закрытом вентиле разряжается на нагрузку.
Ток вентиля разветвляется на ток нагрузки и ток заряда конденсатора . Так как
конденсатор и нагрузка включены параллельно, то напряжение на конденсаторе является
и напряжением на нагрузке.
С момента (точка «a» на рис. 6, в) напряжение на вторичной обмотке больше, чем
напряжение на конденсаторе. Поэтому вентиль VD в этот момент открывается. Его ток
частично идет на заряд конденсатора и частично протекает по наргузке.
Напряжение на заряжающемся конденсаторе растет до момента (точка b кривой ).
Далее напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, на катоде венти-
ля получается более высокий потенциал, чем на аноде, и вентиль закрывается. С этого
момента вентиль отключает вторичную обмотку трансформатора от заряженного кон-
денсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается на нагрузку, поддержавая в ней ток. Ток
13
разряда конденсатора противоположен по знаку тока заряда и изменяется по экспонен-
циальному закону (рис. 6, д). В выпрямителе постоянная времени разряда конденсатора
0
π 2π 3π
б)
ωt
0
в)
ωt
U
2
0
г)
i
2
ωt
0
i
с
ωt
0
е)
ωt
U
C
U
C зар.
U
C раз.
α
β
c
ωt
1
ωt
3
ωt
2
U
н
i
VD
2θ
I
0
U
обр
U
2m
д)
U
C
0
ж)
ωt
i
0
I
0
Рис 6. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки. б – напряжение на вторичной
обмотке трансформатора; в – напряжение на конденсаторе и на нагрузке; г – ток вентиля
и вторичной обмотки трансформатора; д – ток заряда и разряда конденсатора; е – обрат-
ное напряжение на вентиле; ж – ток нагрузки.
14
всегда делается достаточно большой, чтобы конденсатор не успевал разрядиться полно-
стью до прихода следующего положительного полупериода. В момент времени
уменьшающееся напряжение конденсатора станет равным напряжению (точка «c»
кривой ) и процесс заряда конденсатора повторяется.
Ток через вентиль и вторичную обмотку трансформатора проходит только, при заряде
конденсатора. Половина интервала, в течение которого протекает ток вентиля, называ-
ется углом отсечки тока .
Импульс тока через вентиль имеет длительность (рис. 6, г), и его амплитуда зависит
от сопротивления нагрузки и емкости конденсатора С.
Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной
составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей. Коэффици-
ент пульсации большой, если он больше чем 10
-2
, средний, если он находится в пределах
10
-3
-10
-2
, и малый, если он меньше 10
-3
.
Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше содержание в выпрямленном на-
пряжении переменной составляющей, тем качественнее выпрямление. В составе вы-
прямленного напряжения первая (основная) гармоника имеет наибольшую амплитуду и
наименьшую частоту.
Выпрямитель с емкостным характером нагрузки чувствителен к изменению тока на-
грузки.
Увеличение нагрузки выпрямителя, т.е. уменьшение сопротивления , вызывает
уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения так как разряд конден-
сатора будет происходить быстрее (участок b-с кривой на рис. в пойдет ниже). При
этом увеличивается пульсация выпрямленного напряжения, длительность работы фазы
(угол отсечки ) и амплитуда тока через вентиль.
Увеличение емкости кондесатора приведет к небольшому увеличению выпрямленного
напряжения (участок b-c кривой пойдет выше) и снижению пульсации.
7. Процессы в ВУ с индуктивным характером нагрузки.
VD1
U
0
U
21
Tр
а)
R
н
+ (-)
- (+)
VD2
U
22
+ (-)
- (+)
Рис. 7, а. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера.
В схемах с большим потреблением тока в качестве первого элемента фильтра исполь-
зуется дроссель, обладающий большой индуктивностью. Его индуктивное сопротивле-
15
ние для первой гармоники выпрямленного тока должно быть значительно больше сопро-
тивления нагрузки при этом реакция нагрузки будет индуктивной.
0
π 2π 3π
б)
ωt
0
в)
ωt
U
21
U
2
U
22
г)
ωt
0
д)
u
0
i
0
ωt
U
0
I
0
0
е)
ωt
i
VD1
0
U
2m
ωt
0
ωt
1
L
др
= ∞
i
VD2
Рис. 7. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера. б – напряжение на вторичных
обмоткахтрансформатора; в – выпрямленное напряжение; г – ток нагрузки; д, г, ж – ток
вентиля VD1, VD2.
В однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления не применяется
фильт, начинающийся с индуктивности. При работе данной схемы на нагрузку индук-
тивного характера выпрямленный ток имеет прерывистый характер, пульсация напряже-
ния на нагрузке велика и внешняя характеристика выпрямителя имеет резко падающий-
характер.
16
На примере однофазной двухполупериодной схемы выпрямления рассмотрим работу
выпрямителя на нагрузку индуктивного характера (рис. 7, а). Кривая выпрямленного
напряжения является огибающей фазных напряжений вторичных обмоток трансформа-
тора, как и у выпрямителя с активной нагрузкой. Период равен (рис. 7, в).
0
ωt
ωL
R
н
= ∞
ωL
R
н
= 0
ωL
R
н
= 0,5
Рис. 8. Изменение формы тока для различных соотношений .
Выпрямленный ток, являющийся суммарным током всех фаз, под влиянием индуктив-
ности дросселя уменьшается, когда напряжение меньше среднего , и возрастает при
.
В промежутке открыт вентиль первой фазы и напряжение . Ток по
первой фазе проходит до тех пор, пока напряжение второй фазы не привысит напряже-
ние первой. Начиная с момента напряжение второй фазы превышает и вступает
в работу вентиль VD2, а вентиль VD1 закрывается.
За один период выпрямляемого напряжения поочередно срабатывают две фазы вто-
ричной обмотки трансформатора и их токи (рис. 7, д, е, ж), сложившись в цепи нагрузки
(L, ), дадут непрерывный выпрямленный ток.
Форма кривой тока нагрузки зависит от отношения индуктивного сопротивления
дросселя к сопротивленияю . Чем больше индуктивность дросселя, тем ближе вы-
прямленный ток к постоянному.
На рис. 8 показано изменение формы тока фазы при различных отношениях .
При =0 выпрямитель работает на активное сопротивление и форма импульса тока
повторяет кривую ЭДС соответствующей фазы.
При увеличении увеличивается ЭДС самоиндукции дросселя и ток спадает и воз-
растает на меньшую величину.
17
ПЛАН РАБОТЫ
1. Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами однофаз-
ных схем выпрямления.
2. Снять и построить внешние характеристики однополупериодной схемы выпрямле-
ния при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значе-
ний (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых на-
пряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рас-
считать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.
3. Снять и построить внешние характеристики двухполупериодной схемы выпрямления
при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значений
(не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напря-
жения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчи-
тать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.
4. Снять и построить внешние характеристики однофазной мостовой схемы выпрямле-
ния при её работе на активную, емкостную и индуктивную нагрузки. Для одного из значе-
ний (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых на-
пряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рас-
считать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.
5. Оформить индивидуальный отчет по лабораторной работе и ответить на контрольные
вопросы.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И
ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА
1. Общие рекомендации.
Ознакомление с принципом действия, режимами работы и основными параметрами од-
нофазных схем выпрямления производится по [1], конспекту лекций и разделу «Общие
сведения» данного пособия.
Фронтальный вид стенда для исследования однофазных схем выпрямления показан на
рис.9.
Стенд содержит:
- измерительные приборы;
- принципиальные схемы выпрямления с указанием способов подключения к ним
измерительных приборов, токовых шунтов и гнезд для определения с помощью ос-
циллографа форм кривых тока и напряжения в различных точках схем, а также
среднеквадратического значения переменного напряжения с помощью милли-
вольтметра В3-38;
- коммутационные приборы для подключения стенда к однофазной сети общего
пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для
подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA, тумб-
леры для коммутации элементов фильтра нижних частот (ФНЧ) – SA1… SA3 и
подключения переменного сопротивления нагрузки – SA4;
- принципиальная схема ФНЧ и нагрузки с указанием измерительных приборов и
гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38.
18
Рис.9. Фронтальный вид стенда для проведения исследования однофазных схем выпрям-
ления.
Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, подклю-
чаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA к одной из схем вы-
прямления, приведены на рис.10.
Как видно из рис. 10 первичная обмотка однофазного трансформатора с подклю-
ченными приборами (A
1
, V
1
, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для
любой из трех схем выпрямления.
2. Исследование однофазной однотактной однополупериодной схемы.
2.1.Исследование на активную нагрузку.
Для исследования однофазной однотактной однополупериодной схемы выпрямления пе-
реключатель SA следует перевести в положение 1, в результате чего нагрузка с измери-
тельными приборами А
Н
, V
H
, элементами ФНЧ (С
0
, С
1
, L) и тумблерами SA1… SA4
будет подключена к выходу исследуемой схемы.
Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индук-
тивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С
0
и С
1
отключены
тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку R
H
, определяют по ампер-
метру А
Н
максимально возможное значение тока нагрузки. Следует подключить милли-
вольтметр В3-38 к гнездам Г4, Г5 для определения среднеквадратического значения пере-
менного напряжения на выходе выпрямителя. В диапазоне возможного изменения тока
нагрузки от максимального до нулевого значения (нулевое значение устанавливается с
помощью тумблера SA4) следует произвести 5…6 измерений показаний всех приборов.
Результаты измерений заносятся в табл.1.
Таблица 1
Результаты измерений
Результаты расчета
I
H
,
А
U
H
,
В
U
0~
,
В
U
2
,
В
I
2
,
А
U
1
,
В
I
1
,
А
P
1
,
Вт
К
П0
,
-
η,
-
χ,
-
S
ТР
,
ВА
К
исп тр
-
19
Рис.10. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки.
Измерение среднеквадратического значения переменной составляющей напряжения на
выходе выпрямителя U
0~
осуществляется вольтметром В3-38, подключаемым к гнездам
Г3-Г5.
По результатам измерений определяются:
- коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя
К
П0
= U
0~
/ U
H
, (1)
- коэффициент полезного действия
η= (U
H
* I
H
)/ P
1
, (2)
- коэффициент мощности
χ(cosφ
1
)= P
1
/( U
1
* I
1
), (3)
- габаритная мощность трансформатора
S
ТР
=( U
1
* I
1
+ U
2
* I
2
)/2, (4)
- коэффициент использования трансформатора
К
исп тр
= Р
0
/ S
ТР
= (U
H
* I
H
)/ S
ТР
(5)
20
С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде,
определить и зарисовать в отчете для одного из значений тока нагрузки:
- форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i
2
=f(t);
- форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u
0
= f(t).
2.2.Исследование на емкостную нагрузку.
При работе схемы на нагрузку емкостного характера тумблером SA2 следует подклю-
чить конденсатор С
0
к выходу выпрямителя (обмотка дросселя L должна оставаться зако-
роченной тумблером SA1). Затем определить максимально возможное для этого режима
работы значение тока нагрузки I
H МАКС
и произвести 5…6 измерений показаний приборов
в диапазоне изменения тока нагрузки от I
H
=0 до I
H
= I
H МАКС.
Результаты измерений
заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные в этой таблице определя-
ются по выше приведенным выражениям (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки
(отличного от нуля) с помощью .осциллографа определить и зарисовать в отчете:
- форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u
0
= f(t);
- форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i
2
=f(t);
- форму кривой тока конденсатора С
0
(гнезда Г3-Г4) i
С0
=f(t).
Подключить тумблером SA3 параллельно конденсатору С
0
конденсатор С
1
и иссле-
довать влияние величины ёмкости на форму кривых u
0
= f(t) и i
С0
=f(t).
2.3.Исследование на индуктивную нагрузку.
При исследовании работы схемы на нагрузку индуктивного характера конденсаторы
С
0
и С
1
следует отключить тумблерами SA2 и SA3, а дроссель L подключить тумблером
SA1 последовательно нагрузке R
H
. Определить максимально возможное для этого режи-
мами значение тока нагрузки I
H МАКС
и произвести 5…6 измерений показаний приборов в
диапазоне изменении тока нагрузки от I
H
=0 до I
H
= I
H МАКС
. Результаты измерений за-
носятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные таблицы определяются
также по (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки с помощью осциллографа опре-
делить и представить в отчете:
- форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u
0
= f(t);
- форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i
2
=f(t).
3. Исследование однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления.
3.1.Исследование на активную нагрузку.
Для исследования работы и характеристик однофазной, однотактной, двухполупериодной
схемы выпрямления переключатель SA на стенде перевести в положение 2, в результате
чего нагрузка с измерительными приборами и элементами коммутации (тумблеры SA1…
SA4) будет подключена к выходу данной схемы.
Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктив-
ность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С
0
и С
1
отключены
тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку R
H
, определяют по ампер-
метру А
Н
максимально возможное значение тока нагрузки. Для того, чтобы убедиться в
том, что тумблеры установлены верно, следует подключить осциллограф к гнездам Г1, Г2
и определить форму кривой тока вентиля VD1 (кривая тока вентиля должна иметь в этом
случае синусоидальную форму с длительностью, равной половине периода). В диапазоне
возможного изменения тока нагрузки (от максимального до нулевого значения) следует
произвести 5…6 измерений показаний приборов. Результаты измерений заносятся в
таблицу, аналогичную табл.1.
Соседние файлы в папке Лабораторная работа №2