Министерство путей сообщения

Российской Федерации

Ростовский государственный университет

путей сообщения

Е. Ю. Микаэльян, М. А. Трубицин, А. В. Костюков

Исследование различных схем выпрямления

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Электроника и электротехника»

Ростов-на-Дону

2000

УДК 621.38

Исследование различных схем выпрямления: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электроника и электротехника» / Е. Ю. Микаэльян, М. А. Трубицин, А. В. Костюков; Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов н/Д, 2000. 12 с.

Рассмотрены основные способы преобразования однофазного переменного тока в постоянный, изложена методика экспериментального исследования различных схем выпрямления. Дается краткий анализ работы сглаживающих -фильтров.

Предназначены студентам всех специальностей, выполняющим лабораторные работы по курсу «Электроника и электротехника».

Одобрены к изданию кафедрой «Теоретические основы электротехники».

Ил.4. Табл. 3. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Т. В. Щурская (РГУПС)

Костюков Александр Владимирович

Трубицин Михаил Анатольевич

Микаэльян Елена Юрьевна

Исследование различных схем выпрямления

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электроника и электротехника»

Редактор и корректор Т. В. Бродская

Подписано к печати 2001 г. Формат 60´84/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,7.

Уч.-изд. л. 0,88. Тираж 60. Изд. № 000. Заказ № 000.

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Лицензия ЛР № 65-54 от 10.12.99 г.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Ризография РГУПС. Лицензия ПЛД № 65-10 от 10.08.99 г.

Адрес университета:

344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского стрелкового полка народного ополчения, 2.

Ростовский государственныё университет путей сообщения, 2000

Содержание

1. Цель работы

2. Предмет исследования

3. Экспериментальная установка

4. Порядок выполнения работы

5. Контрольные вопросы

Рекомендуемая литература

1. Цель работы.

Изучить работу различных схем выпрямления, переменного тока и экспериментально исследовать принцип действия сглаживающих фильтров

2. Предмет исследования

Выпрямителем называется статическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Выпрямитель представляет собой электрический агрегат, который состоит из следующих основных элементов (рис. 1): трансформатора 1, служащего для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя, а также для электрического разделения цепи выпрямленного тока с питающей сетью; схемы выпрямления 2, служащей для преобразования переменного напряжения в пульсирующее; сглаживающего фильтра 3, который ослабляет пульсации выпрямленного напряжения в цепи нагрузки 4.

В некоторых случаях в схеме выпрямления могут отсутствовать отдельные элементы, например, фильтр 3 при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера или трансформатор 1 в случае бестрансформаторного включения выпрямителя.

Рис.1. Блок-схема последовательного преобразования электрической энергии

Основными элементами, параметры которых подлежат расчету в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и трансформатор. Исходными данными при расчетах служат:

— среднее значение выпрямленного напряжения и тока , ;

— действующее значение тока первичной и вторичной обмоток трансформатора , ;

— среднее и максимальное значение тока, протекающего через вентиль, , ;

— сопротивление нагрузки ;

— расчетная мощность трансформатора , мощность первичной и вторичной обмоток,

; (1)

— коэффициент формы тока ,

; (2)

— коэффициент пульсации ,

, (3)

где – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения,

– число фаз выпрямления, т. е. число полуволн выпрямленного напряжения, приходящихся на один период переменного тока, питающего выпрямитель;

— максимальное значение обратного напряжения на вентиле в непроводящую часть периода ;

— частота пульсации ,

, (4)

где – частота питающей системы, – коэффициент выпрямления, выбирают в зависимости от выбранной схемы выпрямления (для однополупериодных , для двухполупериодных ).

В зависимости от количества выпрямленных полупериодов питающего напряжения схемы выпрямления подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные. По числу фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители делятся на однофазные и трехфазные.

2.1 . Выпрямители однофазного тока

Однофазные выпрямители предназначены для питания постоянным током различных устройств промышленной электроники, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока малой и средней мощности. Наибольшее распространение получили однофазные схемы выпрямления (рис. 2).

Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере однофазной мостовой схемы. Однофазная схема состоит из трансформатора T, четырех диодов V1-V4, соединенных по мостовой схеме (рис. 2, в). К одной диагонали моста присоединяется вторичная обмотка, а к другой подключается нагрузка RH. Общая точка катодов вентилей V1 и V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрицательным – точка связи анодов вентилей V3 и V4. Вентили в данной схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения U2, соответствующая полярность которого обозначена

без скобок, проводят ток вентили V1 и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения U2 будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили V1 и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение Uобр=U2. Процесс повторяется периодически. Диаграмма напряжения и токов представлена на рис. 2, в. Ток Id нагрузки проходит все время в одном направлении — от соединенных катодов V1 и V2 к анодам диодов V3 и V4. Ток во вторичной обмотке трансформатора меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным.

Рис. 2. Однофазные схемы выпрямления:

а – однополупериодная схема выпрямления; б – двухполупериодная схема выпрямления с нулевой точкой; в – однофазная мостовая схема выпрямления с временной диаграммой напряжений и токов на элементах схемы

Среднее значение выпрямленного напряжения и тока , протекающего через вентиль, определяется по формулам:

, (5)

; (6)

. (7)

Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям, определяется напряжением U2 вторичной обмотки трансформатора, так как неработающие в данный полупериод вентили оказываются присоединенными по вторичной обмотке трансформатора T через два других работающих вентиля, падением напряжения в которых можно пренебречь.

. (8)

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации

. (9)

Коэффициент формы тока вентиля

, (10)

Расчетные мощности обмоток трансформатора

. (11)

Оценка качества выпрямленного напряжения производится посредством коэффициента пульсации, который определяется по формуле

. (12)

т. е. амплитуда первой гармоники для данной схемы составляет 67% .

Выпрямленное напряжение и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и и переменную составляющую (пульсации) и . Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры.

2.2. Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры можно разделить на пассивные и активные. Пассивные фильтры выполняются на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов. Активные фильтры содержат электронные элементы – транзисторы или электронные лампы.

В данных методических указаниях проанализируем работу только пассивных фильтров. Эффективность сглаживающих фильтров оценивают по их способности уменьшать пульсацию напряжения на нагрузке. Значение пульсации напряжения на выходе выпрямителя оценивается коэффициентом пульсации , который определяется отношением амплитуды основной (первой) гармоники пульсации к постоянной составляющей выпрямленного напряжения , т. е.

. (13)

Пульсация напряжения на нагрузке характеризуется коэффициентом , который равен отношению амплитуды основной гармоники пульсации на нагрузку к среднему значению напряжения Udнср на нагрузке, т. е.

. (14)

Отношение значения и определяет степень сглаживания выпрямленного напряжения и называется коэффициентом сглаживания фильтра :

. (15)

Для фильтров выпрямителей малой мощности отношение постоянных составляющих напряжений обычно равно , а для выпрямителей большой мощности .

Для получения малого значения коэффициента пульсаций используют Г-образные и П-образные LC-фильтры (рис. 3). Входным элементом Г-образного фильтра (рис. 3, б) является дроссель и конденсатор , включаемый параллельно нагрузке. Для нормальной работы фильтра необходимо, чтобы емкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было намного меньше сопротивления нагрузки (), а также намного меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники пульсации (). При выполнении этих условий, пренебрегая активным сопротивлением дросселя , коэффициент сглаживания Г-образного фильтра можно определить из выражения

, (16)

где – число фаз выпрямителя; – круговая частота.

Рис. 3. Схемы включения сглаживающих фильтров:

а - структурная схема выпрямления с фильтрами; б - Г-образный LC-фильтр;

в - П-образный LC-фильтр

Для получения требуемого значения коэффициента сглаживания необходимо определить произведение .

. (16)

П-образный фильтр (рис. 5, в) в отличие от Г-образного можно разделить на две составных части. Первая часть состоит из емкостного фильтра, а другая - из Г-образного. Коэффициент сглаживания, исходя из вышесказанного, можно определить по формуле

, (17)

где Kсс – коэффициент сглаживания ёмкостного фильтра.

Более подробно ознакомиться с работой П - и Г–образных фильтров можно с помощью литературы [1-4].

3. Экспериментальная установка

Исследование различных схем выпрямления и сглаживающих устройств производится на лабораторной установке, электрическая принципиальная схема которой представлена на рис.4. На этой схеме с помощью двухполюсного переключателя K1 – K6 можно исследовать различные схемы включения сглаживающих фильтров и выпрямителей. Причем при нормально разомкнутом положении переключателя K1 (K4) и K3 (K6) и замкнутых переключателях K2 (K5) собирается схема Г-образного LC–фильтра.

Рис. 4. Схемы лабораторной установки:

а - включение сглаживающих фильтров с мостовой схемой выпрямления;

б - включение сглаживающих фильтров с однопериодной схемой выпрямления

Схема П-образного фильтра работает при замыкании переключателей K1 (K4). Выпрямленный ток и напряжение на нагрузке измеряются приборами магнитоэлектрической системы A1; A2 и U1; U2 соответственно. Осциллограммы напряжений (тока) на различных элементах схемы можно наблюдать с помощью электронно-лучевого универсального осциллографа, подключив его вход к соответствующим гнездам (рис. 4). Питание схем, представленных на рис. 4, осуществляется через встроенный лабораторный автотрансформатор в диапазоне напряжений от 0 до 50 В. Величину сопротивления нагрузочного переменного резистора указывает преподаватель.

В качестве выпрямителей применяются кремниевые диоды типа КД202К. В сглаживающих фильтрах используют конденсаторы мкФ. В качестве катушки индуктивности используют стандартную катушку индуктивности лабораторной установки.

4. Порядок проведения работы

1. Изучить работу схемы лабораторного стенда, начертить схему лабораторной установки.

2. Собрать однополупериодную и двухполупериодную схемы выпрямительных устройств без сглаживающих фильтров.

3. Снять внешние характеристики Udнср=f(Iф) одно - и двухполупериодных схем выпрямления. Для этого необходимо изменять с помощью ток на выходе выпрямителя от нуля до максимально возможного значения, произвести пять измерений, фиксируя показания приборов РА1 (РА2) и PU1 (PU2). Записать результаты измерений в табл. 1.

4. Зарисовать на кальке с экрана осциллографа форму кривой напряжения на нагрузочном резисторе при одном из значений тока для всех схем выпрямления в одном масштабе напряжения и времени.

5. Снять внешние характеристики для различных схем выпрямления (по усмотрению преподавателя) со следующими элементами фильтров:

а) C–фильтр ( С=1 мкФ ; 20 мкФ );

б) Г-образный LC-фильтр (мкФ);

в) П-образный LC-фильтр (мкФ).

Характеристики снимаются при различном значении тока нагрузки от 0 до возможного максимального значения. Результаты измерений следует занести в табл. 2.

Таблица 1

Схема выпрямления	Наименование измеряемой величины
Ток нагрузки Id, mA	Напряжение нагрузки Ud, В
Однополупериодная
Двухполупериодная

Таблица 2

, В	Idср, mA
С–фильтр	Г-образный фильтр	П-образный фильтр
Однополупериодная
Двухполупериодная

6. Зарисовать на кальке с экрана осциллографа временные диаграммы напряжений Uн=f(wt) на входе и Udн=f(wt) на выходе фильтра в одном масштабе напряжения и времени.

7. Определить коэффициенты пульсаций напряжения на входе и фильтров [по формулам (13)-(14)] и коэффициент сглаживания [формула (15)] Результаты вычислений записать в табл. 3.