методические указания для лабораторных работ / изучение неуправляемых выпрямителей

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления

ИЗУЧЕНИЕ НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу “Информационно-измерительная техника и электроника”

для студентов специальностей 100200.62 (бакалавр) и 100400 (специалист)

всех форм обучения

Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники,

технологии и управления

Балаково 2007

Ц е л ь р а б о т ы: изучить варианты схемотехнического решения не-

управляемых выпрямителей, снять осциллограммы выпрямленных напря-

жений, проверить основные соотношения для параметров напряжения и тока, выполнить сравнительный анализ выпрямителей разных типов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Электрическая энергия в промышленных масштабах вырабатывается преимущественно в форме переменного тока. Значительная часть потреби-

телей требует для нормальной работы постоянного тока. Отсюда возникает задача преобразования переменного тока в постоянный. Устройство, вы-

полняющее преобразование переменного тока в постоянный называется выпрямителем, а сам процесс преобразования – выпрямлением переменно-

го тока.

Существует большое разнообразие выпрямительных устройств. Все они функционируют на основе элементов с односторонней проводимостью

– вентильных элементов. В настоящее время применяются, в основном,

полупроводниковые вентили или диоды. Далее в работе рассматриваются выпрямители только на неуправляемых диодах – неуправляемые выпрями-

тели.

Полупроводниковый диод это p-n переход в защитном корпусе с вы-

водами от зон p и n проводимости. Вывод зоны p называется анодом, вы-

вод зоны n – катодом. Диод на схемах изображается графическим знаком

Рис. 1. Условное графическое обозначение диода: А - анод; K - катод

Сопротивление и проводимость диода зависят от полярности прило-

женного к нему напряжения. Если на анод подать положительный потен-

3

циал (+), а на катод отрицательный (-), то включение диода, его ток и со-

противление называются прямыми. Сопротивление диода в прямом на-

правлении (Rпр) мало (десятки Ом), поэтому ток от анода к катоду опреде-

ляется сопротивлением внешней цепи диода. Если на анод подать (-), а на катод (+), то включение, ток и сопротивление диода называются обратны-

ми. Обратное сопротивление диода (Rобр) велико, составляет единицы, де-

сятки МОм, поэтому обратный ток столь мал, что им можно пренебречь.

Таким образом, свойства диода определяются свойствами образующего его p-n перехода.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим выпрямителем является однополупериодный. В нем диод включается последовательно с нагрузкой в соответствии со схемой рис. 2.

Рис. 2. Однополупериодный выпрямитель и диаграммы его работы:

а – полупериод прямого включения; б – полупериод обратного включения; в - диаграм-

ма питающего напряжения; г – диаграммы тока и напряжения в нагрузке выпрямителя

В течение положительного полупериода напряжение к диоду прикла-

дывается в прямом направлении (рис. 2а), через нагрузку RН протекает прямой ток диода. В течение отрицательного полупериода напряжение к

4

диоду прикладывается в обратном направлении (рис. 2б), через нагрузку

RН протекает обратный ток диода, которым можно пренебречь. В резуль -

тате через нагрузку протекает ток одного направления, то есть выпрямлен-

ный ток. Однако величины тока и напряжения не является постоянными,

они пульсируют (рис. 2г).

Величины выпрямленного тока и напряжения характеризуют дейст-

вующими, средними значениями и коэффициентом пульсаций. Все харак-

теристики определяются через амплитудные значения соотношениями:

где Imax – амплитудное значение тока,

I0 - среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного тока,

I = IH – действующее значение выпрямленного тока нагрузки,

Umax – амплитудное значение питающего напряжения,

U0 – постоянная составляющая выпрямленного напряжения,

U = UH – действующее значение выпрямленного напряжения, kП – коэффициент пульсаций.

Эффективность однополупериодного выпрямителя низка, так как ток в нагрузку поступает в течение одного полупериода.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Для реализации двухполупериодного выпрямления применяется диодный мост (диоды V1– V4), на одну диагональ которого подается переменное напряжение, а к другой подключается нагрузка RH (рис. 3). В течение положительного по-

лупериода ток в нагрузку течет через диоды V3 и V2 (диоды V1и V4

включены в обратном направлении и закрыты) (рис. 3а), а в течение отри-

цательного полупериода – через диоды V4 и V1 (диоды V2 и V3 закрыты) (рис. 3б). Процессы в выпрямителе поясняются диаграммами рис. 3в и г.

5

Пауза в выпрямленном токе отсутствует, ток поступает в нагрузку в тече-

ние двух полупериодов. В результате постоянная составляющая выпрям-

ленного тока и напряжения возрастают, а коэффициент пульсаций умень-

шается (6-10).

Рис. 3. Мостовой выпрямитель и диаграммы его работы:

а – полупериод прямого включения; б – полупериод обратного включения; в - диаграм-

ма питающего напряжения; г – диаграммы тока и напряжения в нагрузке выпрямителя

Двухфазный однотактный выпрямитель. Он реализуется на основе трансформатора со средним выводом (со средней точкой), который выпол-

няется от середины витков вторичной обмотки. Каждая половина обмотки называется полуобмоткой. Относительно среднего вывода потенциалы крайних выводов обмотки изменяются в противофазе. В цепь каждой по-

луобмотки включается диод, образуется два однополупериодных выпрями-

6

теля, поочередно работающих на одну и туже нагрузку (рис. 4).

Т1+ (-) V1

u(t) RН

u(t)

V2

- (+)

Рис. 4. Двухполупериодный выпрямитель на основе трансформатора со средней точкой

Диаграммы работы выпрямителя не отличаются от соответствующих диаграмм мостового выпрямителя. Преимущество – в сокращении числа диодов выпрямителя вдвое, недостаток – наличие трансформатора со сред-

ней точкой, усложняющей его конструкцию.

Расчетные соотношения для тока и напряжения нагрузки совпадают с приведенными выше (6 - 10) для мостового выпрямителя.

Трехфазный однотактный выпрямитель. В рассмотренных выше выпрямителях напряжение и ток пульсируют от нулевого значения до мак-

симального, коэффициент пульсаций велик. Для его снижения применяют трехфазные выпрямители. Схема простейшего трехфазного выпрямителя приведена на рис. 5. По своей сути он представляет собой три однофазных выпрямителя, работающих на общую нагрузку RН. Каждый из диодов включается в проводящем направлении только в положительный полупе-

риод (верхняя часть графиков рис. 5б) и в той фазе обмотки трансформато-

ра, в которой напряжение превышает напряжения в других фазах.

В интервале времени t1t2 напряжение фазы «а» превышает напряже-

ния остальных фаз, диод V1 включается в проводящем направлении и по-

дает ток в нагрузку. Диоды V2 и V3 закрыты. В интервале t2 – t3 открыт

V2 (V1 и V3 закрыты), а в интервале t3 – t4 открыт диод V3.

7

uc( t)

а) б)

t

uH(t)

в) u(t)

t

t

Рис. 5. Трехфазный однополупериодный выпрямитель и его временные диаграммы:

а – схема выпрямителя; б – диаграммы трехфазного напряжения; в – диаграмма вы-

прямленного напряжения

Диаграмма напряжения рис. 5в показывает, что выпрямленное напря-

жение не снижается до нуля. В результате возрастает постоянная состав-

ляющая выпрямленного тока и напряжения и снижается коэффициент пульсаций (11-15).

Трехфазный мостовой выпрямитель. Его схема приведена на рис. 6.

Рис. 6. Трехфазный мостовой выпрямитель

8

Трехфазный мостовой выпрямитель можно рассматривать как комби-

нацию трех однофазных. Если бы у трансформатора отсутствовала фаза

«с», то выпрямительный мост был бы образован диодами V1, V2, V3, V4,

при отсутствии фазы «b» – диодами V1, V2, V5, V6, а при отсутствии фазы

«а» – диодами V3, V4, V5, V6. В каждый конкретный момент образуется мост из комбинации тех диодов, на которые подается максимальное по мо-

дулю линейное напряжение. В результате за один период шесть раз проис-

ходит переключение с одного моста на другой (рис. 7).

а– диаграммы линейных напряжений; б – диаграмма выпрямленного напряжения

Винтервале времени 0 t2 максимальным по модулю является напря-

жение ubc отрицательной полуволны (полупериода), работает мост, образо-

ванный диодами V3-V6. В интервале времени t2 t4 максимальным по мо-

дулю является напряжение uаb, работает мост, образованный диодами V1V4. Каждый раз переключение с одного моста на другой происходит, когда

9

уровень напряжения по модулю превышает порог, показанный пунктир-

ными линиями uк2. Результирующее выпрямленное напряжение показано жирной огибающей линией выше напряжения коммутации uк2. Из рис. 7

очевидно, что это напряжение значительно превышает напряжение пере-

ключения для трехфазного однополупериодного выпрямителя uк1 (uк2 > uк1). Соответственно этому возрастают постоянные составляющие тока и напряжения:

Сглаживающие фильтры. У всех выпрямителей на выходе (в точ-

ках подключения нагрузки) кроме постоянной составляющей напряжения формируется переменное пульсирующее напряжение. Ряд потребителей не допускает пульсаций. Для их уменьшения применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр включается между вентильными элементами и нагрузкой и представляет собой реактивные элементы С и L, способные накапливать электрическую энергию во время нарастающего фронта им-

пульсов и возвращать ее в интервалах ниспадающего фронта.

Варианты фильтров приведены на рис. 8.

Рис. 8. Варианты сглаживающих фильтров:

а – емкостный; б – индуктивный; в – индуктивноемкостный Г-образный; г - индуктив-

ноемкостный П-образный

10

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОРУДОВАНИЯ

Лабораторная установка, предназначенная для изучения выпрями-

телей, представляет собой набор лабораторных блоков стандартного лабо-

раторного стенда по электротехнике и комплекта измерительных прибо-

ров. Установка включает (рис. 10):

собственно блок для изучения выпрямителей,

блок конденсаторов,

ламповый реостат стенда,

клеммы трехфазного источника стенда,

трехфазный трансформатор.

Комплект измерительных приборов включает:

электронный осциллограф типа С1-112,

вольтметр магнитоэлектрической системы,

вольтметр электромагнитной системы,

амперметр магнитоэлектрической системы,

амперметр электромагнитной системы,

омметр (или тестер),

электронный вольтметр.

Схема блока для изучения выпрямителей показана на рис. 9.

Рис. 9. Схема блока для изучения выпрямителей

11