203-elektrotehnika-i-elektronika-elektronika-26mb
.pdf
Лабораторная работа 3
ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
3.1. Цель работы
Исследование характеристик неуправляемых однофазных выпря- мителей, определение их особенностей в различных режимах работы.
3.2. Теоретическое введение
Электронные выпрямители – статические устройства, предна- значенные для преобразования первичной системы переменного тока во вторичную систему постоянного тока. В настоящее время выпря- мители выполняют на полупроводниковых приборах – диодах или тиристорах (управляемые выпрямители).
Структурная схема вторичного источника электропитания пока- зана на рис. 3.1.
U1 |
U2 |
U0 |
Рис. 3.1. Структурная схема источника питания
На первичную обмотку трансформатора (Тр) подается перемен- ное напряжение (U1). Напряжение (U2) со вторичной обмотки по- ступает на схему выпрямления (В). На выходе выпрямителя напря- жение по форме представляет полуволны синусоиды одной поляр- ности (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Форма напряжения на выходе выпрямителя
21
Для «сглаживания» формы напряжения используют фильтр низких частот (Ф). Его использование позволяет уменьшить размах пульсаций
(рис. 3.3).
Рис. 3.3. Форма напряжения на выходе фильтра
В случае, если к величине и форме выходного напряжения предъ- являются повышенные требования (высокая стабильность, низкое содержание гармоник), схема может включать модуль стабилизатора напряжения (Ст).
На рис. 3.4 приведена однополупериодная схема выпрямителя без фильтра.
Рис. 3.4. Схема однополупериодного выпрямителя
Форма напряжения на выходе выпрямителя без фильтра пред- ставляет собой положительные полуволны синусоиды (рис. 3.5) при синусоидальном напряжении на входе выпрямителя. Пунктирной линией показана форма напряжения на входе выпрямителя, а утол- щенной – среднее значение напряжения на выходе за период.
Падение напряжения на открытых диодах при номинальном токе составляет около 0,7 В. Максимальное обратное напряжение на за- крытых диодах в однополупериодной схеме выпрямления равно ам-
плитуде входного напряжения.
При выборе диодов для схемы выпрямления необходимо, что- бы значение параметра Uобр max (максимально допустимое обратное напряжение на диоде) превышало максимальное значение об-
ратного напряжения.
22
Рис. 3.5. Форма напряжений для однополупериодного выпрямителя
Выпрямленное напряжение (среднее значение за период) U0 в од- нополупериодной схеме выпрямления при напряжении на вторичной обмотке U2 (действующее значение) составляет
U0 |
= |
1 |
2πU |
2m sin(ωt)dωt = |
1 |
π U |
2 2 sin(ωt)dωt, |
|
|
||||||
|
|
2π ∫ |
|
2π ∫ |
|
||
|
0 |
0 |
|
||||
где U2m – амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора; ω – угловая частота.
После интегрирования получим
U0 = π2 U2 .
Среднее значение тока в нагрузке
I0 = U0 / Rn .
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора
|
|
|
1 2π |
|
|
I |
2 |
= |
2π ∫ |
i2dωt. |
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
Для однополупериодной схемы I2 = U2m/2Rn или 1,57 I0. Достоинством однополупериодной схемы выпрямления является
еепростота.
Кнедостаткам относятся: низкое значение выпрямленного напря- жения и частота пульсаций, большое значение обратного напряжения (в сравнении с величиной выпрямленного напряжения). Расчетная мощность для вторичных обмоток (U2 I2) трансформатора составляет 3,5U0I0. В результате типовая мощность трансформатора будет зна- чительно превышать мощность, отдаваемую в нагрузку.
Двухполупериодная схема выпрямления с нулевым выводом может рассматриваться как две однополупериодные, работающие поперемен- но в разные полупериоды. Схема выпрямителя показана на рис. 3.6.
23
Рис. 3.6. Cхема двухполупериодного выпрямителя
Для реализации схемы необходим трансформатор с двумя вто- ричными обмотками. Напряжения U21 и U22 сдвинуты по фазе на 180°. В течение одного полупериода открыт один диод, в течение другого полупериода – другой диод. Форма напряжений в схеме выпрямле- ния показана на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Форма напряжений для двухполупериодного выпрямителя
Выпрямленное напряжение в двухполупериодной схеме с нуле- вым выводом в два раза больше, чем в однополупериодной:
U0 = 2 π2 U2.
В мостовой и двухполупериодной с нулевым выводом схемах вы- прямителей выпрямленное напряжение в два раза больше.
Значение тока I2 для каждой из полуобмоток двухполупериодной схемы с нулевым выводом составит 0,25πI0, а расчетная мощность для вторичных обмоток (U2I2) трансформатора 1,74 U0I0.
Для мостовой схемы значение тока I2 = 1,1I0, расчетная мощность
1,23 U0I0.
Максимальное обратное напряжение на диодах равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Форма напряжения на выходе выпрямителей представляет перио- дическую последовательность полуволн синусоиды положительной полярности. Помимо постоянной составляющей в спектре выходного
24
напряжения содержатся гармонические составляющие с частотами, кратными частоте питающего напряжения.
Отношение амплитуды основной гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций. Амплитуда основной гармо- ники для однополупериодной схемы равна половине амплитуды на- пряжения на входе выпрямителя на частоте входного напряжения, так что коэффициент пульсаций равен π/2.
Амплитуда основной гармоники в мостовой и двухполупериодной с нулевым выводом схемах выпрямления составляет 0,426 от ампли- туды входного напряжения, а частота равна удвоенному значению частоты входного напряжения. Коэффициент пульсаций равен 0,67.
Для уменьшения амплитуды пульсаций используют фильтры нижних частот – устройства, предназначенные для уменьшения ам- плитуды гармонических составляющих на частотах выше некоторой граничной частоты.
В однофазных выпрямителях обычно используют С-фильтры, которые представляют собой конденсатор большой емкости, включенный параллельно нагрузке. На рис. 3.8 приведена схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. На схеме U1, U2 – действующие значения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора; U0, I0 – выпрямленные на- пряжения и ток.
Рис. 3.8. Выпрямитель с емкостным фильтром
На рис. 3.9 показана форма напряжения на нагрузке, подключен- ной к однофазному выпрямителю с С-фильтром.
Рис. 3.9. Форма напряжения на выходе выпрямителя с фильтром
25
Изменение напряжения du при заряде и разряде конденсатора можно считать удвоенной амплитудой пульсаций на частоте основ- ной гармоники. Тогда коэффициент пульсаций определяется как от- ношение du/2U0.
3.3.Подготовка к работе
1.Освоить основные положения теоретического введения.
2.Нарисовать в лабораторную тетрадь принципиальные схемы измерений, приведенные в лабораторном практикуме по требовани- ям отечественных ГОСТов.
3.Подготовить таблицы для занесения в них результатов измерений.
3.4.Порядок выполнения работы
Задание 1. Исследование однополупериодной схемы выпрямления
1. Собрать схему выпрямителя, изображенную на рис. 3.10.
Рис. 3.10. Однополупериодная схема выпрямителя
2.Нарисовать временные диаграммы с экрана виртуального ос- циллографа с отключенным конденсатором.
3.Нарисовать форму напряжений U2 и U0 (точки 4 и 5).
4.Снять внешнюю характеристику выпрямителя, изменяя сопро- тивление нагрузки R1 от 10 до 100 Ом через 10 Ом.
5.Занести результаты измерения в табл. 3.1.
6.Подключить конденсатор фильтра. Провести наблюдение диа- грамм на экране осциллографа с подключенным конденсатором.
7.Нарисовать форму напряжений U2 и U0 при значениях R 20, 50
и80 Ом.
26
Таблица 3.1
R, Ом |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U0, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.Снять внешнюю характеристику выпрямителя, изменяя сопро- тивление нагрузки от 10 до 100 Ом через 10 Ом.
9.Вычислить коэффициент пульсаций Кп при значениях R 20, 50 и 80 Ом. Результаты измерения занести в табл. 3.2.
Таблица 3.2
R,Ом |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
I0,А
U0,В
Кп
При работе в Multisym:
–в меню Simulate выбрать Analisis – Fourier Analisis;
–в подменю Analisis parameters выбрать:
•fundamental frequency (основная частота) – 50 Гц (следует предварительно установить частоту источника питания равной при 50 Гц),
•количество гармоник – 5,
•значение Stop time for sampling – 0,15 с;
–представление результатов: Display as bar graph, Display – Chart and Graph;
–активировать режим моделирования (Simulate).
27
При работе в EWB5_12:
–в меню Circuit (schematic options – show/hide) установить show nodes (показать номера точек схемы);
–в меню Analysis–Fourier установить:
•наблюдаемая точка (output node), соответствующая узлу с на- пряжением U0,
•выбрать fundamental frequency (основная частота) 50 Гц;
–выбрать Simulate;
–сравнить значение амплитуды основной гармоники (диаграм- ма гармоник) с вычисленным значением.
Задание 2. Исследование мостовой схемы выпрямления
1. Собрать мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис. 3.11. Диодный мост собрать из отдельных (1NXXX) диодов.
Рис. 3.11. Мостовая схема выпрямителя
2.Нарисовать временные диаграммы с экрана виртуального ос- циллографа с отключенным конденсатором.
3.Нарисовать форму напряжений U2 и U0.
4.Снять внешнюю характеристику выпрямителя, изменяя сопро- тивление нагрузки R1 от 10 до 100 Ом через 10 Ом.
5.Результаты измерения занести в табл. 3.3.
6.Подключить конденсатор фильтра. Провести наблюдение диа- грамм на экране осциллографа с подключенным конденсатором.
7.Нарисовать форму напряжений U2 и U0 при значениях R 20, 50
и80 Ом.
28
Таблица 3.3
R, Ом |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U0, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.Снять внешнюю характеристику выпрямителя, изменяя сопро- тивление нагрузки от 10 Ом до 100 Ом через 10 Ом.
9.Вычислить коэффициент пульсаций при значениях R 20, 50 и 80 Ом. Результаты измерения занести в табл. 3.4.
Таблица 3.4
R, Ом |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
30 |
20 |
10 |
I0, А
U0, В
Кп
10.Установить режим обрыва (open) одного из диодов. Нарисо- вать форму напряжений U2 и U0 при R = 50 Ом.
11.Измерить значения U0 и I0 и записать результат в табл. 3.4.
12.Сравнить эти значения со значениями для исправной схемы.
3.5.Обработка результатов эксперимента
1.По данным таблиц построить внешние характеристики выпря- мителей.
2.Построить графики зависимости коэффициента пульсаций для выпрямителей с емкостным фильтром в зависимости от сопротивле- ния нагрузки.
3.Используя результаты измерений, вычислить выходное сопро- тивление схем выпрямления.
29
3.6.Содержание отчета
1.Наименование и цель работы.
2.Необходимые теоретические сведения.
3.Изображения электрических схем испытания выпрямителей.
4.Таблицы результатов измерений и расчетов.
5.Расчетные формулы.
6.Осциллограммы и графики, построенные по результатам экспе- риментов и расчетов.
7.Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Каковы основные параметры выпрямителей?
2.Что такое выпрямленное напряжение?
3.Принцип работы однофазного мостового выпрямителя.
4.Каковы основные параметры фильтра?
5.Что такое коэффициент пульсаций?
6.Что такое коэффициент сглаживания?
7.Как экспериментально определить коэффициент пульсации?
8.В какой из рассмотренных схем выпрямления обратное напря- жение выше и почему?
9.Как влияет на величину выпрямленного напряжения подключе- ние емкости параллельно нагрузке?
10.Как изменяется коэффициент пульсаций при подключении ем- кости параллельно нагрузке?
11.Если емкость С-фильтра бесконечна, чему равно средневы- прямленное напряжение?
12.Какова частота пульсаций однофазных выпрямителей?
13.Нарисуйте вид внешней характеристики выпрямителя.
14.Как отразится на работе мостовой схемы выпрямления обрыв одного из диодов?
15.Как отразится на работе мостовой схемы выпрямления корот- кое замыкание одного из диодов?
30