EUiST_lab_2_2017g_Issledovanie_odnofaznykh_skhem_vypryamlenia

U2
π	2π	3π
0		ωt
		б)
i1,4

	0	ωt
i2,3		в)
	0	ωt
		г)
u0	u0	i0
	i0
U0
I0
	0	ωt
i1		д)
	0	ωt

	е)
0	ωt
U2m	ж)

Рис. 5. Однофазная мостовая схема выпрямления. б – напряжение на вторичной обмотке; в – ток первого и четвертого вентиля; г – ток второго и третьего вентиля; д – ток и напряжение на нагрузке; е – ток первичной обмотки; ж – обратное напряжение на вентилях.

11

5. Работа выпрямителей на емкостную и индуктивную нагрузку.

Выше приводились особенности работы выпрямителей, питающихся от однофазной сети, только на активную нагрузку. На активную нагрузку выпрямители работают лишь в тех устройствах, где пульсация выпрямленного напряжения не лимитируется (цепи сигнализации, контроля защиты и т.д. ). Поэтому в основном различают два режима работы ВУ: работу ВУ на нагрузку емкостного характера и работу ВУ на нагрузку индуктивного характера.

В ВУ после ВБ следует сглаживающий фильтр, который и определяет форму тока, протекающего через диоды ВБ и все элементы, стоящие перед ВБ. Поэтому сглаживающий фильтр определяет энергетические показатели выпрямителя в целом.

Как правило, выпрямители средней и большой мощности работают на индуктивную нагрузку, а выпрямители малой мощности – на емкостную.

6. Процессы в ВУ с емкостным характером нагрузки.

	+ (-)	VD
						+
	Tр	iVD	iсз		i0
						Rн
U1	U2			C		U0

-

- (+)

а)

Рис 6, а. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки.

Выпрямитель работает на нагрузку емкостного характера, когда первым элементом сглаживающего фильтра является конденсатор. Сопротивление конденсатора для первой гармоники пульсации должно быть мало по сравнению с сопротивлением нагрузки.

Рассмотрим этот режим работы на примере однотактной однофазной схемы (рис. 6, а). По аналогии происходящие в ней процессы с учетом индивидуальных особенностей можно распространить и на другие схемы выпрямления. Конденсатор C в этой схеме заряжается, когда вентиль VD открыт, а при закрытом вентиле разряжается на нагрузку. Ток вентиля разветвляется на ток нагрузки и ток заряда конденсатора . Так как конденсатор и нагрузка включены параллельно, то напряжение на конденсаторе является

инапряжением на нагрузке.

Смомента (точка «a» на рис. 6, в) напряжение на вторичной обмотке больше, чем напряжение на конденсаторе. Поэтому вентиль VD в этот момент открывается. Его ток частично идет на заряд конденсатора и частично протекает по наргузке.

Напряжение на заряжающемся конденсаторе растет до момента (точка b кривой ). Далее напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, на катоде вентиля получается более высокий потенциал, чем на аноде, и вентиль закрывается. С этого момента вентиль отключает вторичную обмотку трансформатора от заряженного конденсатора и нагрузки. Конденсатор разряжается на нагрузку, поддержавая в ней ток. Ток

12

разряда конденсатора противоположен по знаку тока заряда и						изменяется по экспонен-
циальному закону (рис. 6, д). В выпрямителе постоянная времени разряда конденсатора
U2
			π	2π	3π
0						ωt
		UC зар.				б)
UC
Uн		β	UC раз.
	α			c
0	ωt1	ωt2		ωt3		ωt
i2	iVD					в)
I0
0						ωt
	2θ
						г)
iс
0						ωt
						д)
Uобр
0						ωt
						UC
						е)
						U2m
i0
I0						ωt
0						ж)
Рис 6. Выпрямитель с емкостным характером нагрузки. б – напряжение на вторичной
обмотке трансформатора; в – напряжение на конденсаторе и на нагрузке; г – ток вентиля
и вторичной обмотки трансформатора; д – ток заряда и разряда конденсатора; е – обрат-
ное напряжение на вентиле;				ж – ток нагрузки.
				13

всегда делается достаточно большой, чтобы конденсатор не успевал разрядиться полностью до прихода следующего положительного полупериода. В момент времени уменьшающееся напряжение конденсатора станет равным напряжению (точка «c» кривой ) и процесс заряда конденсатора повторяется.

Ток через вентиль и вторичную обмотку трансформатора проходит только, при заряде конденсатора. Половина интервала, в течение которого протекает ток вентиля, называ-

ется углом отсечки тока .
Импульс тока через вентиль имеет длительность		(рис. 6, г), и его амплитуда зависит
от сопротивления нагрузки	и емкости конденсатора С.

Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей. Коэффициент пульсации большой, если он больше чем 10-2, средний, если он находится в пределах 10-3-10-2, и малый, если он меньше 10-3.

Чем меньше коэффициент пульсации, тем меньше содержание в выпрямленном напряжении переменной составляющей, тем качественнее выпрямление. В составе выпрямленного напряжения первая (основная) гармоника имеет наибольшую амплитуду и наименьшую частоту.

Выпрямитель с емкостным характером нагрузки чувствителен к изменению тока на-

грузки.
Увеличение нагрузки выпрямителя, т.е. уменьшение сопротивления			, вызывает
уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения		так как разряд конден-
сатора будет происходить быстрее (участок b-с кривой	на рис. в пойдет ниже). При

этом увеличивается пульсация выпрямленного напряжения, длительность работы фазы (угол отсечки ) и амплитуда тока через вентиль.

Увеличение емкости кондесатора приведет к небольшому увеличению выпрямленного напряжения (участок b-c кривой пойдет выше) и снижению пульсации.

	7. Процессы в ВУ с индуктивным характером нагрузки.
	+ (-)	VD1
	U21	Rн	U0
Tр
	- (+)
	+ (-)
	U22	VD2
	- (+)
		а)
	Рис. 7, а. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера.

В схемах с большим потреблением тока в качестве первого элемента фильтра используется дроссель, обладающий большой индуктивностью. Его индуктивное сопротивле-

14

ние для первой гармоники выпрямленного тока должно быть значительно больше сопро-
тивления нагрузки			при этом реакция нагрузки будет индуктивной.
U2		U21	U22
		π	2π	3π
0	ωt0	ωt1		ωt
u0				б)
U0
		U2m
0				ωt
i0				в)
I0				Lдр = ∞
0				ωt
iVD1				г)
0
				ωt
iVD2				д)
0				ωt
				е)
Рис. 7. Выпрямитель с нагрузкой индуктивного характера. б – напряжение на вторичных
обмоткахтрансформатора; в – выпрямленное напряжение; г – ток нагрузки; д, г, ж – ток
			вентиля VD1, VD2.

В однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления не применяется фильт, начинающийся с индуктивности. При работе данной схемы на нагрузку индуктивного характера выпрямленный ток имеет прерывистый характер, пульсация напряжения на нагрузке велика и внешняя характеристика выпрямителя имеет резко падающийхарактер.

15

На примере однофазной двухполупериодной схемы выпрямления рассмотрим работу выпрямителя на нагрузку индуктивного характера (рис. 7, а). Кривая выпрямленного напряжения является огибающей фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора, как и у выпрямителя с активной нагрузкой. Период равен (рис. 7, в).

ωL		ωL	= 0
	= ∞	Rн	ωL
Rн
				= 0,5
			Rн
				ωt
		0

Рис. 8. Изменение формы тока для различных соотношений .

Выпрямленный ток, являющийся суммарным током всех фаз, под влиянием индуктивности дросселя уменьшается, когда напряжение меньше среднего , и возрастает при

.

В промежутке открыт вентиль первой фазы и напряжение . Ток по первой фазе проходит до тех пор, пока напряжение второй фазы не привысит напряжение первой. Начиная с момента напряжение второй фазы превышает и вступает

вработу вентиль VD2, а вентиль VD1 закрывается.

За один период выпрямляемого напряжения поочередно срабатывают две фазы вто-

ричной обмотки трансформатора и их токи (рис. 7, д, е, ж), сложившись в цепи нагрузки (L, ), дадут непрерывный выпрямленный ток.

Форма кривой тока нагрузки зависит от отношения индуктивного сопротивления дросселя к сопротивленияю . Чем больше индуктивность дросселя, тем ближе выпрямленный ток к постоянному.

На рис. 8 показано изменение формы тока фазы при различных отношениях .

При =0 выпрямитель работает на активное сопротивление и форма импульса тока повторяет кривую ЭДС соответствующей фазы.

При увеличении увеличивается ЭДС самоиндукции дросселя и ток спадает и возрастает на меньшую величину.

16

ПЛАН РАБОТЫ

1.Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами однофазных схем выпрямления.

2.Снять и построить внешние характеристики однополупериодной схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.

3.Снять и построить внешние характеристики двухполупериодной схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивные нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.

4.Снять и построить внешние характеристики однофазной мостовой схемы выпрямления при её работе на активную, емкостную и индуктивную нагрузки. Для одного из значений (не нулевого) тока нагрузки определить с помощью осциллографа формы кривых напряжения на выходе выпрямителя и формы тока вентиля. По результатам измерений рассчитать основные параметры выпрямителя и построить их зависимость от тока нагрузки.

5.Оформить индивидуальный отчет по лабораторной работе и ответить на контрольные вопросы.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

1. Общие рекомендации.

Ознакомление с принципом действия, режимами работы и основными параметрами однофазных схем выпрямления производится по [1], конспекту лекций и разделу «Общие сведения» данного пособия.

Фронтальный вид стенда для исследования однофазных схем выпрямления показан на рис.9.

Стенд содержит:

-измерительные приборы;

-принципиальные схемы выпрямления с указанием способов подключения к ним измерительных приборов, токовых шунтов и гнезд для определения с помощью осциллографа форм кривых тока и напряжения в различных точках схем, а также среднеквадратического значения переменного напряжения с помощью милливольтметра В3-38;

-коммутационные приборы для подключения стенда к однофазной сети общего пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA, тумблеры для коммутации элементов фильтра нижних частот (ФНЧ) – SA1… SA3 и подключения переменного сопротивления нагрузки – SA4;

-принципиальная схема ФНЧ и нагрузки с указанием измерительных приборов и гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38.

17

Рис.9. Фронтальный вид стенда для проведения исследования однофазных схем выпрямления.

Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, подключаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA к одной из схем выпрямления, приведены на рис.10.

Как видно из рис. 10 первичная обмотка однофазного трансформатора с подключенными приборами (A1, V1, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для любой из трех схем выпрямления.

2. Исследование однофазной однотактной однополупериодной схемы.

2.1.Исследование на активную нагрузку.

Для исследования однофазной однотактной однополупериодной схемы выпрямления переключатель SA следует перевести в положение 1, в результате чего нагрузка с измерительными приборами АН, VH , элементами ФНЧ (С0 , С1 , L) и тумблерами SA1… SA4 будет подключена к выходу исследуемой схемы.

Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С0 и С1 отключены тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку RH, определяют по амперметру АН максимально возможное значение тока нагрузки. Следует подключить милливольтметр В3-38 к гнездам Г4, Г5 для определения среднеквадратического значения переменного напряжения на выходе выпрямителя. В диапазоне возможного изменения тока нагрузки от максимального до нулевого значения (нулевое значение устанавливается с помощью тумблера SA4) следует произвести 5…6 измерений показаний всех приборов. Результаты измерений заносятся в табл.1.

Таблица 1

Результаты измерений

Результаты расчета

IH,

UH,

U0~,

U2,

I2,

U1,

I1,

P1,

КП0,

η,

χ,

SТР,

Кисп тр

А

В

В

В

А

В

А

Вт

-

-

-

ВА

-

18

Рис.10. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки.

Измерение среднеквадратического значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя U0~ осуществляется вольтметром В3-38, подключаемым к гнездам Г3-Г5.

По результатам измерений определяются:

-коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя

КП0= U0~/ UH,

(1)

-коэффициент полезного действия

η= (UH* IH)/ P1,

(2)

-коэффициент мощности

χ(cosφ1)= P1/( U1* I1),

(3)

-габаритная мощность трансформатора

SТР=( U1* I1+ U2* I2)/2,

(4)

-коэффициент использования трансформатора

Кисп тр= Р0/ SТР = (UH* IH)/ SТР

(5)

19

С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, определить и зарисовать в отчете для одного из значений тока нагрузки:

-форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t);

-форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t).

2.2.Исследование на емкостную нагрузку.

При работе схемы на нагрузку емкостного характера тумблером SA2 следует подключить конденсатор С0 к выходу выпрямителя (обмотка дросселя L должна оставаться закороченной тумблером SA1). Затем определить максимально возможное для этого режима работы значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменения тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные в этой таблице определяются по выше приведенным выражениям (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки (отличного от нуля) с помощью .осциллографа определить и зарисовать в отчете:

-форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t);

-форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t);

-форму кривой тока конденсатора С0 (гнезда Г3-Г4) iС0=f(t).

Подключить тумблером SA3 параллельно конденсатору С0 конденсатор С1 и исследовать влияние величины ёмкости на форму кривых u0= f(t) и iС0=f(t).

2.3.Исследование на индуктивную нагрузку.

При исследовании работы схемы на нагрузку индуктивного характера конденсаторы С0 и С1 следует отключить тумблерами SA2 и SA3, а дроссель L подключить тумблером SA1 последовательно нагрузке RH. Определить максимально возможное для этого режимами значение тока нагрузки IH МАКС и произвести 5…6 измерений показаний приборов в диапазоне изменении тока нагрузки от IH=0 до IH= IH МАКС. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную таблице 1. Расчетные данные таблицы определяются также по (1)…(5). Для одного из значений тока нагрузки с помощью осциллографа определить и представить в отчете:

- форму кривой напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г3-Г5) u0= f(t);

-форму кривой тока вторичной обмотки трансформатора (гнезда Г1-Г2) i2=f(t).

3.Исследование однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления.

3.1.Исследование на активную нагрузку.

Для исследования работы и характеристик однофазной, однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления переключатель SA на стенде перевести в положение 2, в результате чего нагрузка с измерительными приборами и элементами коммутации (тумблеры SA1… SA4) будет подключена к выходу данной схемы.

Для снятия внешней характеристики при работе на чисто активную нагрузку индуктивность L должна быть закорочена тумблером SA1, а конденсаторы С0 и С1 отключены тумблерами SA2 и SA3. Подключив тумблером SA4 нагрузку RH, определяют по амперметру АН максимально возможное значение тока нагрузки. Для того, чтобы убедиться в том, что тумблеры установлены верно, следует подключить осциллограф к гнездам Г1, Г2 и определить форму кривой тока вентиля VD1 (кривая тока вентиля должна иметь в этом случае синусоидальную форму с длительностью, равной половине периода). В диапазоне возможного изменения тока нагрузки (от максимального до нулевого значения) следует произвести 5…6 измерений показаний приборов. Результаты измерений заносятся в таблицу, аналогичную табл.1.

20