Лабораторная работа № 2 полупроводниковые выпрямители
Цель работы: изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового выпрямителя.
Задание к работе:
К работе допущен:
Работу выполнил:
Работу защитил:
Введение
Выпрямитель - устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Основными параметрами выпрямителя являются:
Среднее
значение выходного напряжения:
где Т – период следования импульсов, Uвых – мгновенное значение выпрямленного напряжения, t – время;
Среднее
значение выходного тока:
где I вых – мгновенное значение выпрямленного тока;
Коэффициент
пульсации выпрямленного напряжения:
где Umi
–
амплитуда переменной составляющей
напряжения (амплитуда основной гармоники),
Uном
–
номинальный уровень напряжения;
Внешняя характеристика выпрямителя (рис.2.1) – зависимость среднего значения выходного напряжения на нагрузке от среднего значения выходного тока (тока нагрузки).
Здесь
Еср –
напряжение при токе нагрузки, равном
нулю (ЭДС выпрямителя),
- падение напряжения от протекания тока
нагрузки по активным сопротивлениям
источника питания
и
выпрямительных диодов в открытом
состоянии R.
К основным величинам, характеризующим эксплуатационные свойства выпрямителей, принято также относить КПД, коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной) и регулировочную характеристику, т.е. зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования для управляемых выпрямителей (с регулируемым выпрямленным напряжением).
Классификация выпрямителей по различным признакам:
- по форме выпрямленного напряжения – однополупериодные и двуполупериодные;
- по числу фаз силовой сети – одно-, двух-, трёх- и шестифазные;
- по мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 5 кВт), мощные (свыше 5 кВт);
- по напряжению – низкого (до 250 В), среднего (до 1 кВ), высокого (свыше 1 кВ);
- по частоте выпрямляемого тока – промышленной частоты (50 Гц), повышенной (от 400 до 1000 Гц), высокой (свыше 1000 Гц);
Работа однофазного однополупериодного выпрямителя(2.2,а)
Будем
считать, что входное U
изменяется по гармоническому закону
.
Тогда в интервале времени 0<t<Т/2
диод VD
открыт, ток через нагрузку и падение
напряжения на нагрузке повторяют форму
входного сигнала. На интервале Т/2<t<T
диод VD
закрыт, ток через нагрузку не течет и
напряжение на нагрузке равно нулю (рис.
2.2,б).
Среднее значение напряжения составит:
(2.1)
Аналогично
среднее значение тока, текущего через
резистор
Мгновенное значение напряжения на нагрузке (рис.2.2,б) удобно представить в виде ряда Фурье:
где
Uо
–
постоянная
составляющая выпрямленного напряжения.
Тогда коэффициент
.
С учетом (2.1) при выборе диода для его использования по схеме однофазного однополупроводникового выпрямителя, обратное напряжение равно
(2.2)
Среднее
значение тока в этом случае равно
выпрямленному току. С учетом вышеизложенного,
для рассматриваемой схемы выпрямителя,
расчетная мощность трансформатора
.
Тогда коэффициент использования обмоток
трансформатора
Один из вариантов реализации идеи улучшения параметров выходного напряжения показан на примере мостового выпрямителя (рис.2.3):
Ток в данном случае через нагрузку протекает в оба полупериода в одном и том же направлении. Следовательно, на основании (2.1) запишем:
(2.3)
Аналогично Iср=0,62m Im, соответственно, коэффициент пульсаций уменьшается – 0,67.
Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра:
По первому закону Кирхгофа прямой ток через диоды VD2, VD3 равен
где Uc=Uн=Umcoswt – напряжение на конденсаторе фильтра емкостью С;
-
ток, текущий через конденсатор.
Предположим, что i1=0. Тогда
откуда
Таким образом, начиная с момента времени t1, напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис.2.4,б, штриховая линия):
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе Uc и на выходе выпрямителя U2=-Umsinwt будут равны, и откроются диоды VD1, VD4. Далее в цепи процесс будет повторяться.
Схемы трёхфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение, приведены на рис. 2.5
Простейшая трёхфазная система выпрямления с нулевым выводом (рис.2.5,а) состоит из трехфазного трансформатора и трёх диодов. Первичная обмотка трансформатора может соединяться звездой или треугольником, вторичная – только звездой, иначе отсутствует нулевой провод. Выпрямители питаются тремя напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120 градусов (рис.2.5,б).
К недостаткам этой схемы можно отнести плохое использование трансформатора и повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.
Исключить перечисленные недостатки позволяет мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова) (рис.2.5,в). Обмотки трансформатора в этом случае могут соединяться по любой схеме, нулевой провод здесь не нужен. Трехфазную мостовую схему удобно представить как два трехфазных выпрямителя, которые включены последовательно т питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180 градусов (рис.2.5,с).