Однополупериодный выпрямитель
Задача 1. Рассчитать однополупериодный однофазный выпрямитель, работающий на активную нагрузку.
Требуемые характеристики:
1. Напряжение питающей сети - U~=220 В.
2. Постоянная составляющая выходного
напряжения -
3. Постоянная составляющая
тока нагрузки -
Расчетное задание для каждого студента индивидуальное. Вариант определяется номером в журнале учебной группы N.
Порядок расчета.
1. Определить сопротивление нагрузки согласно закону Ома для постоянного тока.
2. Рассчитать требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора, токи постоянной и переменной составляющих вторичной обмотки.
3. Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора.
4. Определить ток первичной обмотки трансформатора.
5. Рассчитать средний ток, максимальный ток и обратное напряжение выпрямительного диода.
6. Рассчитать коэффициент пульсаций на нагрузке.
Задача 2. Составить схемы выпрямителя и выполнить компьютерное моделирование работы выпрямителя в среде Multisim.
Задача 3. Снять осциллограммы напряжений и токов во всех цепях схемы.
Задача 4. По снятым осциллограммам определить экспериментальные параметры всех токов и напряжений, рассчитанных в задаче 1. Сравнить экспериментальные и расчетные результаты.
По полученным материалам подготовить отчет.
Краткие теоретические сведения
Схема
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и его временные диаграммы представлены на рис. 1.
Рис. 1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления
Если рассматривать идеализированную схему выпрямления без потерь в трансформаторе и вентиле (диоде), то в первом полупериоде все напряжение вторичной обмотки трансформатора и2 оказывается приложенным к нагрузке Rн, и поэтому график выпрямленного напряжения uН повторяет положительную полусинусоиду графика напряжения и2.
Рис. 2.
На рис. 2 показаны значения напряжения и тока в нагрузке: мгновенные u2 (u0), i2, i0; амплитудные U2m, I2m и средние U0, I0. Графики токов, протекающих по выпрямительному диоду VD, нагрузке Rн, вторичной обмотке трансформатора, будут одинаковы, т.е. iVD=iН=i2; ординаты графика этих токов в данной (идеализированной) схеме определяются соотношением u0/Rн.
В рассматриваемой схеме постоянная составляющая выпрямленного тока I0, протекая по вторичной обмотке трансформатора, создает вынужденное подмагничивание его магнитопровода.
Основные параметры схемы.
При расчете ИВЭП обычно задаются следующие параметры нагрузки: U0, I0 — средние значения выпрямленного напряжения и тока, а также Кп.н% —допустимый, т.е. нормируемый для данной нагрузки, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. С другой стороны, каждая схема выпрямления обеспечивает определенное значение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения на выходе Кп%, так что при проектировании ИВЭП необходимо обеспечить, чтобы Кп% выбранной схемы ИВЭП не превышал указанной Кп.н%.
Выпрямленное напряжение U0 определяется графиком мгновенных значений напряжения на нагрузке uН. Для определения выпрямленного напряжения достаточно найти постоянную составляющую в спектре uН. Согласно формуле нулевой спектральной составляющей ряда Фурье она равна среднему значению uН, т. е
.
Аналогично для тока нагрузки можно получить
.
Отсюда легко находится требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора и амплитудное значение тока i2.
Коэффициент трансформации n21 определяется как отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению во вторичной
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения часто рассчитывается по 1-й гармонике. По определению он равен
KП01=U01m/U0,
где U01m — амплитуда основной (первой) гармоники (ее значение можно определить путем разложения несинусоидальной кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье).
Коэффициент пульсации для однополупериодного выпрямителя можно найти, определив амплитуду основной гармоники напряжения U01m из ряда Фурье, т.е. U01m= (π/2)U0= 1,57U0, и тогда
При расчете трансформатора исходными параметрами являются действующие значения напряжений в обмотках U1,U2 и токов I1, I2.
При выборе диодов основными параметрами являются максимально допустимые значения среднего прямого тока Iпр.ср max= I0 и импульсного обратного напряжения
Uобр.и max= U2m.
Мгновенное значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется выражением
i1=(i2 - I0)n21,
где n21= U2/U1, а I0 —постоянная составляющая выпрямленного тока i2.
Действующее значение тока в первичной обмотке
Особенности моделирования в среде Multisim
При моделировании любой схемы следует помнить, что программа рассчитывает переменные и постоянные составляющие процессов. Переменные составляющие могут рассчитываться относительно среднего значения равного нулю. Постоянные составляющие могут быть рассчитаны только относительно точки с нулевым потенциалом. По этой причине в схемах обязательно присутствие символа нулевого потенциала, в качестве которого в Multisim используется символ заземления (GROUND). Этот символ должен присутствовать во всех участках схемы, которые не связаны между собой по постоянному току. В схеме однополупериодного выпрямителя это участки до трансформатора и после него, поэтому должно быть два символа нулевого потенциала. Для первичной обмотки трансформатора зануляется средний вывод функционального генератора, к которому присоединяется один из выводов первичной обмотки. Для вторичной обмотки со средним выводом нулевой потенциал задается на среднем выводе. Для однополупериодного выпрямителя предпочтительно использовать силовой трансформатор со средним выводом, но использовать только одну половину вторичной обмотки.
В учебном моделировании удобно использовать виртуальные компоненты, особенно трансформатор. В данном курсе удобно использовать трансформатор TS_VIRTUAL из группы базовых виртуальных компонентов BASIC_VIRTUAL. Основные параметры базовых виртуальных компонентов могут легко изменяться в контекстном меню свойств (Properties). Чтобы легче было их находить, можно с помощью меню View/Toolbars установить инструментальную панель Virtual.