Лабораторные работы по электротехнике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

Исследование работы выпрямительных схем (одно- и двухполупериодных, трехфазных без фильтра и с фильтром) при помощи осциллографа

I. Цель работы.

Изучение работы выпрямительных устройств.

Изучение влияние сглаживающих фильтров на выпрямленное напряжение.

II. Общие вопросы теории.

В качестве источников питания различных электронных устройств часто используют выпрямите­ли. В состав выпрямителя (рис.1) входят следующие основные элементы: трансформатор Т—устрой­ство для преобразования напряжения переменного тока питающей сети в требуемое переменное на­пряжение и разделения электрических цепей; вентиль В — выпрямляющее устройство, обладающее односторонней проводимостью электрического тока; фильтр Ф — устройство, обеспечивающее необ­ходимое ослабление пульсации выпрямленного напряжения.

Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее, что обеспечивается его свойством односторонней электропроводности. При прямом напряжении сопротивление вентиля близко к нулю, а при обратном напряжении оно становится очень большим. В качестве вентилей можно использовать ламповые диоды, различные газоразрядные приборы — газотроны, тиратроны, игнитроны и др. Од­нако в настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах (гер­маниевых и кремниевых). Силовые полупроводниковые диоды по сравнению с другими имеют ряд преимуществ: более высокий КПД; постоянную готовность к работе, большой срок службы, малые массу и габариты, высокую надежность.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис. 2, б) отличается от идеальной ха­рактеристики вентиля (рис.2, а), так как при обратном напряжении диод проводит ток. Однако у хо­роших диодов обратные токи весьма малы и несущественно влияют на работу выпрямителя. В табл. 1 приведены основные электрические параметры полупроводниковых диодов, наиболее часто исполь­зуемых в схемах выпрямителей. На рис.3 представлена простейшая схема однополупериодного вы­прямителя, в состав которой входят трансформатор Т, диод VД и нагрузка R. Диаграммы напряже­ний и тока в схеме однополупериодного выпрямителя показаны на рис. 4. ток в цепы нагрузки, вклю­ченной последовательно с диодом, проходит лишь в те моменты времени, когда к нему приложено прямое напряжение. Каждую половину периода напряжение вторичную обмотки трансформатора меняет знак. Поэтому в течение полупериода к диоду приложено прямое напряжение, в течение сле­дующего полупериода - обратное.

Через диод и нагрузки ток походит только в одном (прямом) направлении, т.е. ток в нагрузке постоянен по направлению, но пульсирующий. Выпрямленное напряжение совпа­дает по форме с выпрямленным током. Частота пульсаций выпрямленного напряжения рав­на частота сети.



Пульсирующие ток и напряжение содержат постоянные составляющие. Среднее за пе­риод значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, т.е. его постоянная состав­ляющая, определяется выражением U0 = U2т/'л, где U 2т -амплитуда напряжения во вто­ричное обмотке трансформатора, или  = 0,45U2, где U2 - действующая на­пряжение.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к диоду, равно ам­плитудному значению: .

Качество выпрямителю характеризуется отношением постоянной составляющей выпрямительного напряжения к действующему значению переменного напряжения . Чем больше значение этого отношение, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя

Важным требованием к выпрямителю является снижение переменной составляющей выпрямленного напряжения, которое характеризуется

коэффициентом пульсаций Кп, равным отношению амплитудного значения переменной составляю­щей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей: Кп=U т/U0. Коэффициент

пульсаций часто определяют по первой гармонике: Кп1 ;= U т1 /U0 где {Uт1— амплитуда первой гар­моники выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя  = 1,57.

К выпрямителям предъявляется также требование, касающееся режима работы вентилей: обрат­ное напряжение на закрытом вентиле не должно намного превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отношением максимального значения обратного на­пряжения Uобр m к среднему значению выпрямленного напряжения U0 : Uо6р т/U0. Для однополупе­риодного выпрямителя Uо6р т/U0. =  .

Схемы однополупериодных выпрямителей имеют ряд существенных недостатков: малое значе­ние выпрямленного напряжения, большой коэффициент пульсаций и др. На практике используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей. На рис.5 представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора (а) и мостовая (б).


Наиболее распространена мостовая схема, благодаря тому, что не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки. Четыре диода схемы образуют мост, к одной диа­гонали которого присоединяются концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой — нагрузка выпрямителя. Диоды работают поочередно попарно: при положительной полуволне напряжения 1/2, которая соответствует прямому напряжению диода VДг, ток проходит через VДг, нагрузку и VД3, а при отрицательной полуволне напряжения Uг, соответствующей прямому напряжению диода VДг, ток проходит через VД2, нагрузку и VД4. На рис. 6 представлены диаграммы напряжений и тока в мосто­вой схеме. Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополу-периодной схеме, что увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения:U0 = Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике КП1 = 0,667.

Максимальное значение обратного напряжения на закрытых диодах равно амплитудному значе­ниюнапряжения  так как падение напряжения неоткрытых вентилях близко нулю:

Простейшие схемы выпрямителей имеют большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряже­ния. Поэтому далее предусматриваются сглаживающие фильтры. Обычно используют Г- или П-образные фильтры, включающие дроссели, конденсаторы и резисторы. Чаще всего используют LС-фильтры (рис. 7, а, б), обеспечивающие хорошее сглаживание пульсаций при различных нагрузках. Конденсатор С фильтра включают параллельно нагрузке К. Тогда при выполнении условия Хс = 1/(С) <<R конденсатор шунтирует

нагрузку по переменной составляющей и значительно уменьшает переменное напряжение на нагрузке. Дроссель L включают последовательно с нагрузкой. При выполнении условия ХL = переменное напряжение выхода выпрямителя задерживается на дросселе фильтра и в нагрузку не попадает. Одновременное включение L и С дает большой эффект в сглаживании пульсаций выпрямленного напряжения. Качество фильтра оценивают коэффициентом сглаживания Ксгл =Кп вх/Кп вых, где Кп вх, Кп вых -коэффициенты пульсаций выпрямителя на "входе и выходе фильтра. Чем больше Ксгл. тем эффективнее работает фильтр.

Выпрямители трехфазного тока применяются , в основном , для питания потребителей средней и большой мощности. При этом они равномерно нагружают сеть трехфазного тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпрямителей наиболее простой явля­ется трехфазная схема с нулевым выводом.

Представленная для исследования схема трехфазного выпрямителя /рис. 9 ,а/ состоит из трехфазного трансформатора, трех вентилей и сопротивления нагрузки Кн. Первичная обмотка трансформатора может быть соединена звездой или треугольником, вторичная только звездой. Катоды вентилей VД1, VД2 и VДЗ соединенные между собой, име­ют положительный потенциал по отношению к нагрузке R.н; на нулевой точке транс­форматора- отрицательный потенциал.

Вентили в приведенной схеме работают поочередно, каждый в течении одной трети периода. Когда потенциал анода одного вентиля более положителен, чем потенциалы анодов двух вентилей, т.е. когда соответствующее фазное напряжение будет положи­тельным и больше двух других фазных напряжений. Основные соотношения для трехфазного выпрямителя:

 Среднее значение выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока

Среднее значение тока вентиля

Максимальное значение обратного напряжения  

 Коэффицент пульсации 

Приборы и оборудование: осциллограф, например тип С1-68, элемент схемы макета лабораторной установки (рис. 8), проволочный переменный резистор (тип ППЗ).

Порядок выполнения работы. 1. Разобраться в работе схемы макета лабораторной установки (рис.8). Поочередно подключить осциллограф к точкам АО и ВС

2. Зарисовать изображения кривых с экрана осциллографа на вторичной обмотке трансформатора и на выходе выпрямителя для случая однополупериодного и мостовой схем без сглаживающих фильтров при использовании всех возможных фильтров: емкостного , индуктивного и смешанного

С помощью осциллографа измерить постоянное напряжение и напряжение пульсаций и определить коэффициент пульсации выпрямителя без фильтров и с фильтрами: . Получение дан­ные измерений занести в табл.2.

По данным табл.2, определить коэффициент сглаживания для различных фильтров.

 Включить схему на рис.9, на режим холостого хода, без фильтра, подсоединив на выходе осциллограф. Зарисовать осциллограмму

Включить схему на режим холостого хода и подключить фильтр. Зарисовать ос­циллограмму.

Измерить вольтметром V1напряжение на входе выпрямителя, а вольтметром У2 напряжение на выходе выпрямителя. Результат занести таблицу 3.

Выполнить пункты 5.6.7 при режиме с нагрузкой.

 


 


9. Зарисовать осциллограммы. Рассчитать коэффициенты пульсации, средневыпрямленные значения тока и напряжения.

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Основные приборы применяемые для выпрямления переменного тока, почему?

Типы схем выпрямления. Их недостатки и достоинства.

Коэффициент сглаживания определение назначение, методы повышения.

Типы сглаживающих фильтров.

Можно ли построить выпрямитель без трехфазного трансформатора.

Назначение сглаживающего фильтра.

Коэффициент пульсации, пути его понижения.

Указать достоинства и недостатки схем двухполупериодной и трехфазной.

Как определить среднее значение выпрямленного тока.

Атомный самолет М-19
Лабораторные и контрольные работы по электротехнике