Лабораторные работы по электротехнике

Физика, электротехника
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
АНАЛИЗ ЦЕПЕЙ ОДНОФАЗНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ
Исследование работы
выпрямительных схем
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цепи постоянного тока
Контрольная работа
Контрольная работа № 2.
Контрольная работа № 3.
Лабораторный практикум
Резонанс в последовательном
колебательном контуре
 
 
 

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.

Лабораторные и контрольные работы по электротехнике