Лабораторная работа №4 Исследование неуправляемых однофазного и трехфазного выпрямителей

1 Цель работы

Изучить устройство и принцип действия однофазного и трехфазного выпрямителей; исследовать выпрямители без фильтров и с емкостными фильтрами при работе в режимах холостого хода, под нагрузкой; построить внешние характеристики выпрямителей без фильтров и с. ёмкостными фильтрами.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Однофазный мостовой выпрямитель

Диоды VD1 – VD4 включены по схеме моста (рис.1). При положительной полуволне приложенного напряжения U₂ ток проходит по цепи: диод VD1, сопротивление нагрузки R_н, диоду VD3, мгновенное значение которого равноi_a1=i₀=i_a3.

Диодыа VD2 и VD4 в этоn полупериод закрыты, так как к ним приложено обратное напряжение.

В отрицательный полупериод напряжения U₂ ток будет проходить по цепи: диод VD2, сопротивление нагрузки R_н , диод VD4, при этом направление тока в сопротивлении R_н будет таким же, как и в предыдущем полупериоде.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке с учетом

Коэффициент схемы

Напряжений на вторичной обмотке трансформаторе

а)

б)

Рис.1. Однофазный мостовой выпрямитель:

а - схема; б- временные диаграммы токов и напряжений на его элементах.

Среднее значение тока через диод

.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде

.

Среднее значение тока диода

.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

.

Частота основной гармоники пульсаций

.

где - частота напряжения сети.

Типовая мощность трансформатора

.

Преимущества схемы выпрямления: уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, лучшее использование трансформатора из-за отсутствия подмагничивания сердечника выпрямленным током.

.

Трехфазный мостовой выпрямитель

Наиболее распространенной схемой выпрямления трехфазного тока является мостовая схема (рис.25,а).

Схема выпрямления включает 6 диодов. Диоды VD1, VD3, VD5 с общим соединением катодов образуют катодную группу, диоды VD2, VD4, VD6, c общим соединением анодов образуют анодную группу. В определенные интервалы времени ток проходит во внешнюю цепь нагрузки через два диода - один в катодной группе, другой - в анодной. В данный момент времени ток проходит через тот диод катодной группы, у которого наибольший положительный потенциал на аноде по отношению к общей точке, которой является точка соединения фаз вторичной обмотки трансформатора (рис.2,б).

В анодной группе ток проходит через диод, у которого наибольший отрицательный потенциал катода. Проследим работу диодов по диаграммам (рис.2,б, г, д). В интервале времени t₁-t₂ ток проходит через диоды VD1 и VD6 по цели: диод VD1, резистор R_H, диод VD6. В интервале t₂-t₃ через диоды VD1 и VD2 по цепи: диод VD1, резистор R_H, диодVD2 и т.д. Диоды работают попарно. Переход тока из одного диода в другой происходит в точках пересечения синусоид напряжений. Направление тока в резисторе R_H остается неизменным.

Рис.2. Трехфазный мостовой выпрямитель:

а - схема; б, в, г, д, е - временные диаграммы.

Напряжение U₀ на нагрузочном резисторе R_H в интервале времени t₂-t₃ определим из уравнения электрического состояния контура, включающего фазы а и с вторичной обмотки трансформатора, диоды VD1, VD2, резистор R_H,

,

где U_2а, U_2с - фазные напряжения.

Полусинусоида напряжения U₀, полученная в интервале t₁-t₄, на рис. 2, обозначена пунктиром. Выпрямленное напряжение U₀ формируется из линейных напряжений указанных на рис.2,б в интервале времени t₂-t₁; t₃-t₂; t₄-t₃ и т.д.

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Коэффициент схемы К_с=2,34.

Для получения требуемой величины U₀ действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора U_2Ф должно быть в 2,34 раза меньше U₀, что значительно уменьшает размеры и массу трансформатора.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения (рис.2,в)

.

Каждый из диодов работает третью часть периода (рие.2,г,д). Поэтому среднее значение тока диода

.

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению линейного напряжения;

.

Кривая обратного напряжения на диоде VD1 показана на рис.2,е. Типовая мощность трансформатора

.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения K_no=5,7%. Преимущества схемы выпрямления: большое среднее значение выпрямленного напряжения по отношению к фазному напряжению вторичной обмотки трансформатора; хорошее использование мощности трансформаторе; незначительные пульсации выпрямленного напряжения.

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя, или нагрузочная, характеристика выпрямителя устанавливает зависимость изменения напряжения U₀ на нагрузке при изменении: тока I₀ (риc.3: 1 - без фильтра; 2 - с фильтром).

Н апряжение U₀ на выходе выпрямителя с увеличением тока I₀ снижается, что вызвано увеличением напряжения ∆U на индуктивном сопротивлении обмоток трансформатора Х_ТР интервале переходе тока из одного диода в другой, их активном сопротивлении R_ТР и сопротивлении сглаживающего фильтра R_Ф

,

где m - число фаз схемы выпрямления; n - число диодов в контуре выпрямления тока; U_ОХ - напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода (I₀=0); U_пр - прямое напряжение на диоде.

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых от выпрямителей (например, двигателей постоянного тока, радиоаппаратуры и др.).

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя устанавливаются сглаживающие фильтры.

В емкостном фильтре конденсатор C_ф подключается параллельно нагрузочному резистору нагрузки. При этом переменная составляющая выпрямленного тока проходит через конденсатор, сопротивление которого для нее

.

. Значение С_ф можно определить из выражения

, мкФ

где m - число фаз схемы выпрямления; ω_с – угловая частота питающего напряжения; К_по - требуемое значение коэффициента пульсаций; R_H - сопротивление резистора нагрузки.