Нагрузка

u₀

^U01

U₂

U₁

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций

Российской Федерации

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 №1

«Исследование однофазных схем выпрямителей»

Выполнили:

Студенты группы

Проверил:

 Савостин С.Д.

Москва 2025

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами многофазных схем выпрямления. Экспериментальное исследование работы трех многофазных схем вы- прямления на нагрузку индуктивного характера и определение их основных параметров.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Снять внешние характеристики U_н=f(I_н) при U_c = const трехфазной, шестифазной и мостовой схем выпрямления.

2. Определить внутренние сопротивления выпрямителей r.

3. Определить коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения K_n.

4. Определить КПД (η) и коэффициент мощности (χ) исследуемых схем выпрямления.

5. Для каждой из схем выпрямления определить габаритную мощность первичной (S₁) и вторичной (S₂) обмотки, а также габаритную мощность трансформатора (S_тр).

6. Зарисовать для каждой из схем выпрямления форму напряжения на выходе (до сглаживающего фильтра) и форму тока одной из фаз вторичной обмотки трансформатора.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Выпрямители.

Статический преобразователь электрической энергии переменного тока в энергию по- стоянного тока является выпрямительным устройством (ВУ).

Традиционно выпрямитель состоит из трех основных элементов (рис. 1).

Тр ВБ СФ

U₁ U₂

t

U01

t

u₀

U

U_н

mk

t t

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя, выполненного по традиционной схеме.

Тр – низкочастотный трансформатор (f = 50 Гц) в традиционной схеме выпрямления предназначен для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

ВБ – вентильный блок, состоит из одного или нескольких вентилей, соединенных по оп- ределенной схеме.

СФ – сглаживающий фильт служит для ослабления пульсации, т.е. для уменьшения пере- менных составляющих, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения. Состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединенных по определнной схеме.

2. Параметры выпрямителя.

ВУ характеризуется:

- выходными параметрами;

• параметрами, характеризующими работу вентилей;

• параметрами трансформатора.

1. Выходные параметры ву:

   • номинальное среднее значение выпрямленного напряжения, В; – номинальное среднее значение выпрямленного тока, А;

   • частота основной гармоники выпрямленного напряжения; К_П – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей . Мо- жет измеряться коэффициент пульсации может измерятся в процентах по отношению к напряжениею . Коэффициент 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.

Внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения выпрямителя от то- ка нагрузки при неизменном напряжении на выходе выпрямителя. По этой характери- стики можно определить номинальное значение выходного напряжения выпрямителя и

его внутреннее споротивление .

2. Параметры характеризующие работу вентилей:

- средний выпрямленный ток;

– действующее значение тока;

– амплитуда тока;

–амплитудное значение обратного напряжения;

– средняя мощность.

Вентили подразделяютя на управляемые и неуправляемые. В качестве неуправляемых используются тиристоры. Основным элементом в неуправляемых выпрямителях является диод – нелинейный прибор с односторонней проводимостью. Условное обозначение дио- да приведено на рис.2, а его вольтамперная характеристика (ВАХ) представлена на рис. 3.

катод

-

+

анод

VD

Рис. 2. Условное обозначение диода.

t=50°C

U₀

^Uпр

U_n

^Iобр max

^Uпр

^Uобр max

^Uобр

Реальная характеристика

^Iпр max

Идеальная характеристика

t=20°C

^Iпр

Рис. 3. Идеальная и реальная вольт-амперная характеристика.

3. Параметры, характеризующие работу трансформатора в схемах выпрямления:

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;

По тому, сколько раз за период работает каждая фаза вторичной обмотки трансформатора, 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 ВУ каждая фаза вторичной обмотки работает за период два раза. При этом токи, протекающие через обомотку за период, имеют равные величины, но противо- положное направление. Поэтому в каждой фазе трансформатора двухтактного ВУ нет по- стоянной составляющей.

3. Многофазные выпрямители.

Многофазные выпрямители питаются от трехфазной сети переменного тока. С их помо- щью получают напряжения постоянного тока, предназначенные для питания аппаратуры связи, электротехнической и радиотехнической аппаратуры. Многофазные выпрямители имеют весьма широкий диапазон использования по величине выходного напряжения (от единиц вольт до нескольких десятков киловольт) и тока нагрузки (от нескольких десятков миллиампер до нескольких тысяч ампер). Многофазные выпрямители, как правило, ис- пользуют при работе на нагрузку индуктивного характера. Однако в некоторых случаях (при низких выходных напряжениях и малой выходной мощности) многофазные схемы выпрямления могут применяться при работе на нагрузку емкостного характера (ток на- грузки при этом составляет десятки миллиампер). Преимуществом применения многофазных схем выпрямления по сравнению с однофазными являются: 1 – равномерная загрузка трех фаз питающей сети переменного тока, 2 – меньшая величина коэффициента пульса- ции, 3 – большая частота первой гармоники пульсации.

Фронтальный вид стенда для исследования трехфазной однотактной, трехфазной мосто- вой и шестифазной однотактной схем выпрямления показан на рис.1.

Рис.4. Фронтальный вид стенда для проведения исследования многофазных схем выпрям- ления.

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 трехфазной сети общего пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA1, тумблер для подключения переменного сопротивления нагрузки – SA2;

• принципиальная схема нагрузки с указанием измерительных приборов и гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38.

Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, подключаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA1 к одной из схем выпрямления, приведены на рис.5.

Как видно из рис.5 первичная обмотка трехфазного трансформатора с подключенными приборами (A₁, V₁, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для любой из трех схем выпрямления. Причем с целью обеспечения электробезопасности токовый шунт-резистор R1 и точки Г1, Г2 недоступны для подключения измерительных прибо- ров.

4. Трехфазная однотактная схема выпрямления.

Форма ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора e_2i, тока в фазе вторичной обмотки трансформатора i₂₂ и выпрямленного напряжения e₀ при работе идеального выпрямителя на нагрузку индуктивного характера для случая бесконечно большой индуктивности L дросселя выходного сглаживающего фильтра показаны сплошными линиями на рис. 6, а, б, в соответственно.

Рис.5. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки.

В промежутке времени от 0 до 2π/3 открыт вентиль VД2, так как имеет наибольшее по- ложительное напряжение на аноде по сравнению с вентилями VД1, VД3; в этом интервале времени VД1 и VД3 закрыты и к ним приложено обратное напряжение. В интервале 2π/3 до 4π/3 открыт вентиль VД3, а от 4π/3 до 2π – вентиль VД1. Таким образом, за период ка- ждый вентиль открыт один раз и продолжительность протекания через него тока состав- ляет 2π/3. Ток каждой из фаз вторичной обмотки трансформатора также имеет форму прямоугольника с длительностью 2π/3 – (рис. 6, б). Выпрямленное напряжение e₀ пред- ставляется в виде огибающей всех фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 6, в). Среднее значение этого напряжения для идеального выпрямителя равно сред- нему значению напряжения на нагрузке U_H. В реальном выпрямителе элементы схем вы- прямления обладают как активным, так и индуктивными сопротивлениями ( прежде всего это относится к обмоткам трансформатора), имеет место так называемое перекрытие фаз, т.е. одновременная работа двух фаз при переходе нагрузки с одной фазы на другую. Уве- личение длительности перекрытия фаз приводит к увеличению длительности фронта и длительности среза импульса тока фазы, уменьшению среднего значения выходного на- пряжения и увеличению переменной составляющей выходного напряжения. На рис.6 б пунктиром показан примерный вид импульса тока фазы реального выпрямителя при конечном значении индуктивности дросселя.

Следует отметить, что трехфазная однотактная схема выпрямления не находит широкого применения вследствие:

• сравнительно большого значения коэффициента пульсации по первой гармонике частоты f_П1 = 3f_c, K_п1 = 25% на входе LC-фильтра;

• наличия вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора.

5. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная трехфазного мостового выпрямителя приведена на рис. 5.

Форма ЭДС вторичных обмотках трансформатора e_2i, тока в фазе вторичной обмотке трансформатора i₂₂ при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и вы- прямленного напряжения e₀ приведены на рис. 6 а, г и д соответственно. В промежутке времени от 0 до 2π/3 напряжение на аноде вентиля VД3 наибольшее и положительное, по сравнению с напряжением на аноде VД1, VД5. Поэтому вентиль VД3 открыт, а вентили VД1, VД5 закрыты. Ток i₂₂ протекает через вентиль VД3, далее через нагрузку (рис. 5 б), подключенную к выходным клеммам А, Б выпрямителя.

Из нижней группы вентилей VД2, VД4, VД6 открыт будет тот вентиль, на катоде кото- рого будет наибольшее отрицательное напряжение. В интервале от 0 до π/3 таким венти- лем будет VД6, а от π/3 до 2π/3 вентиль VД2 (см. рис. 6а). Та же фаза e₂₂ будет проводить ток в интервале от π до 5π/3, но теперь этот ток будет протекать через вентиль VД4, на- пряжение на катоде которого наибольшее и отрицательное в этом интервале. Через верх- нюю группу вентилей в этом промежутке времени ток будет протекать от π до 4π/3 через вентиль VД5, в промежутке от 4π/3 до 5π/3 через вентиль VД1 (см. рис. 6а). Причем, если в первом случае ток данной фазы i₂₂ протекал в направлении от обмотки к диодной груп- пе, то во втором – от диодной группы к обмотке. В трехфазной мостовой схеме выпрями- теля ток i_2i каждой фазы протекает через нагрузку и два последовательно включенных вентиля (см. рис. 6г).

Трехфазная мостовая схема применяется для получения выпрямленных напряжений U_н от нескольких десятков вольт до десятков киловольт при токах нагрузки от единиц до не- скольких тысяч ампер. При низких выходных напряжениях (единицы вольт) КПД этой схемы оказывается меньше, чем шестифазной однотактной схемы выпрямления (рис. 5 в). Коэффициент пульсации по первой гармоники на входе фильтра в трехфазной мостовой схеме равен K_п1 = 5,7%, а частота первой гармоники пульсации равна 6f_c.

6. Шестифазная однотактная схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная шестифазного выпрямителя приведена на рис. 5.

На каждом стержне трехфазного трансформатора намотана обмотка с выводом средней точки так, что ЭДС e₂₁ и e’₂₁, e₂₂ и e’₂₂, e₂₃ и e’₂₃ равны по величине и сдвинуты по фазе относительно средней точки на π.

Формы ЭДС вторичных обмотках трансформатора e_2i и е ^/, тока в фазе вторичной об-

2i

мотки трансформатора i₂₂ при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и выпрямленного напряжения e₀ показаны на рис. 7 а, б, в соответственно. Каждая из шести фаз за период работает один раз и продолжительность протекания через нее тока равна π/3.

Шестифазная схема при соединении первичной обмотки треугольником применяется для получения выпрямленных напряжений Uн до 10 В при токах нагрузки до нескольких сотен ампер.

Коэффициент пульсации и частота первой гармоники пульсации такие же, как в трехфазной мостовой схеме.

Рис.6. Временные диаграммы.

Рис.7. Временные диаграммы шестифазной схемы выпрямления.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Перед подключением стенда с помощью автомата 3 к сети переменного тока необходимо:

1. – ручку переменного резистора R_н вывести в крайнее левое положение, соответствую- щее максимальному значению сопротивления нагрузки. Тумблер SA2 установить в ра- зомкнутое состояние;

2. – переключатель SA1 “схема выпрямления” установить в положение “I”;

После выполнения указанных подготовительных операций подать на схемы напряжение сети с помощью автомата QF1.

1. Исследование трехфазного выпрямителя.

Снятие внешней характеристики U_н = f ( I_н ) трехфазного выпрямителя осуществляется при U₁ = 220 В = const и изменении тока нагрузки I_н . Для снятия внешней характеристи- ки следует определить возможный диапазон изменения тока нагрузки. С этой целью сле- дует подключить тумблером SA2 нагрузочный резистор R_H и с помощью регулятора на- грузки определить возможный диапазон тока нагрузки, с тем, чтобы уточнить значения тока нагрузки при которых следует производить запись показаний приборов (следует про- изводить запись показаний приборов для 4-х –5-ти значений тока нагрузки в диапазоне 0…IH МАКС)

Результаты измерений и расчета заносятся в табл. 1, 2.