Работа № 2

Исследование одно- и трехфазных выпрямителей

Цель работы — исследование одно- и трехфазных вып­рямителей, выполненных по мостовой схеме. Приобретение на­выков измерения и вычисления основных параметров, снятия внешних характеристик.

Принципиальные схемы, основные параметры и характеристики выпрямителей

Для питания различных электронных устройств требуется постоянное напряжение различного значения. Так как основ­ным источником электрической энергии является сеть перемен­ного тока частотой 50 Гц, то для получения постоянного тока широко применяют различные выпрямители.

Выпрямителем называется, устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока (пе­ременного напряжения) в электрическую энергию постоянного тока (постоянного напряжения).

Основными элементами выпрямительного устройства явля­ются электрические вентили и сглаживающий фильтр. Перемен­ное напряжение сети поступает либо через трансформатор, либо непосредственно на вентили. Электрические вентили, предназ­начены для преобразования переменного напряжения в пульси­рующее, форма которого зависит от схемы выпрямления.Для уменьшения пульсаций после вентилей включают сглаживаю­щие фильтры, улучшающие форму напряжения.

Качество постоянного напряжения, поступающего к потре­бителю, зависит от схемы выпрямления и типа сглаживающего фильтра.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Наибольшее распространение получила мостовая схема вып­рямления, исследуемая в данной лабораторной работе (рис.2.1,а). Из рисунка видно, что выпрямитель содержит четыре вентиля V1-V4, включенных по мостовой схеме. На одну диагональ мос­та подается переменное напряжение, а с другой диагонали мо­ста выпрямленное напряжение подается .на нагрузку R_H.

Каждая пара диодов (V1; V4 и V2; VЗ) работают поочередно. Диоды V1; V4 открыты в первый полупериод напряжения U₂, когда потенциал точки А выше потенциала точки В. В интервале от 0 до Т/2 ток i₂ протекает от точки А через вентиль V1, резис­тор R_H, вентиль V4, точку В, источник U₂ (обычно вторичная обмотка трансформатора, которая на схеме не указана), к точке А. Во второй полупериод потенциал точки В выше, чем потенциал точки А. Ток протекает от точки В через вентиль V₂, резистор R_н вентиль V3, источник U₂ к точке В.

На рис. 2.1 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия выпрямителя, выполненного по мостовой схеме.

Среднее значение выпрямленного напряжения U₀ опреде­ляют как среднее за полупериод значение напряжения U₂:

где U₂ - действующее значение напряжения и₂ .

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Форма обратного напряжения для диодов VI, V4 показа­на на рис. 2.1,г. Максимальное обратное напряжение определя­ется амплитудным значением напряжения U_2m:

Рис. 2.1. Схема однофазного мостового выпрямителя (а) и его временные диаграммы (б-г)

Как видно из рис. 2.1,в, выпрямленное напряжение имеет пуль­сирующий характер. Разложение такой периодической функции в ряд Фурье показывает, что она состоит из суммы постоянной составляющей (U₀) и четных гармонических составляющих, т.е.

Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуют­ся коэффициентом пульсации К_п, который равен отношению амплитудного значения первой гармоники выпрямленного на­пряжения U_m1 к постоянной составляющей, равной среднему зна­чению выпрямленного напряжения U₀:

При мостовой схеме выпрямителя U_m1=2/3U₀, тогда K_п = 0,б7, и коэффи­циент пульсации можно вычислить по формуле:

где т — числофаз. Для исследуемого выпрямителя т = 2:

Для питания большинства электронных устройств напряже­ние такой формы не обеспечивает нормальную работу, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устрой­ства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами.

В зависимости от принципа действия и используемыхэле­ментов сглаживающие фильтры разделяют на активные и пас­сивные. Простейшимпассивным фильтром является емкостной фильтр, исследуемый в данной работе (рис.2).

При подключении конденсатора параллельно нагрузке пуль­сирующий ток распределитсяследующим образом: переменная составляющая пройдет через конденсатор, так как онобладает малым сопротивлением для всех гармоник тока, а постоянная составляющая — через R_н. Коэффициент пульсации К_пф в дан­ном случае можно определить по формуле (рис. 2.3)

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки I₀, то есть U₀=f(I₀) называ­ют внешней характеристикой выпрямителя. Вид внешних харак­теристик выпрямителя без фильтра и с емкостным фильтром показан на рис. 2.4.

Рассмотрим внешнюю характеристику выпрямителя без сгла­живающего фильтра. Без учета падений напряжения на элемен­тах выпрямителя напряжение U₀ связано с напряжением U₂ со­отношением U₀ = 0,9 U₂.

Для реального выпрямителя это соотношение справедливо при токе нагрузки I₀ = 0. При I₀ ≠ 0 при протекании токов через элементы выпрямителя (диоды, соединительные провода, ис­точник U₂) на них создаются падения напряжения, вследствие чего выпрямленное напряжение U₀ уменьшается (рис. 2.4). Уве­личение тока I₀ приводит к большим падениям напряжения на элементах выпрямителя и, соответственно, к снижению напряже­ния U₀. Поэтому внешняя характеристика выпрямителя имеет падающий характер.

Рис. 2.4. Внешние характеристики однофазного выпрямителя (U₀=f(I₀): 1 — без фильтра; 2— с фильтром

При наличии емкостного фильтра при холостом ходе (I₀ = 0) конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения U_2m, т.е. U₀ = √2U₂. При увеличении тока нагрузки I₀ снижение напряжения U₀ связано с более быстрым разрядом конденсато­ра. Поэтому наклон внешней характеристики выпрямителя с емкостным фильтром больше, чем без фильтра.