Основные теоретические положения

 

Выпрямителем называется устройство для преобразования электрического переменного тока в постоянный. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные силовые электроустановки и цепи автоматики и радиоэлектроники работают на постоянном токе. Промышленные силовые электроустановки постоянного тока получают питание от трёхфазных выпрямителей, а цепи автоматики и радиоэлектроники от однофазных.

 

 

Структурная схема выпрямительного устройства приведена на рис.1. В состав этой схемы входят: трансформатор Тр, блок вентилей В, сглаживающий фильтр Ф, стабилизатор Ст и нагрузка Н.

Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до такой величины, которая обеспечит заданное напряжение на зажимах нагрузки. Блок вентилей в однофазных выпрямителях может состоять из одного, двух и четырёх вентилей. Под вентилем понимают устройство, способное проводить ток только в одном направлении. В данной работе рассматриваются выпрямители, у которых в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды. Блок вентилей выполняет основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный. Сглаживающий фильтр используется для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Фильтр представляет собой устройство, способное запасать энергию (получая её от источника) при увеличении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения. В данной работе рассматриваются выпрямители с емкостным фильтром, который представляет собой конденсатор, включённый параллельно нагрузке. Стабилизатор напряжения служит для уменьшения отклонений величины напряжения на зажимах нагрузки от номинала, которые могут возникнуть вследствие изменения сопротивления нагрузки или изменения напряжения сети. В данной работе исследуются выпрямители без стабилизаторов напряжения. В качестве нагрузки выпрямителя используются следующие элементы и устройства: резисторы, индуктивные катушки, двигатели постоянного тока, усилители электрических сигналов, цепи измерительных приборов и т.п. В данной работе нагрузкой выпрямителя является резистор.

Известны три основных типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодные – мостовой и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Выпрямители могут быть управляемыми и неуправляемыми. В управляемых выпрямителях выпрямленное напряжение можно регулировать. В зависимости от количества фаз питающей сети переменного тока выпрямители подразделяют на однофазные и трехфазные (многофазные). Трехфазные выпрямители используются при необходимости обеспечения большой мощности источника постоянного тока.

В настоящей работе исследуется однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром С_Ф (рис. 2).

Рис. 2. Однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром С_Ф

 

Данный выпрямитель может работать как без фильтра (когда ключ К разомкнут), так и с фильтром. Непосредственно к выпрямителю относится только диод VD, соединенный с последовательно с цепью нагрузки с сопротивлением Rн (ключ К разомкнут).

Работа выпрямителя без фильтра. При положительной полуволне напряжения U_2T (рис.3,а) диод VD открыт. При этом под воздействием напряжения U_2T по цепи: верхний зажим вторичной обмотки трансформатора, диод VD, нагрузочный резистор R_H, нижний зажим вторичная обмотка трансформатора – протекает ток i_H. При отрицательной полуволне напряжения U_2T диод VD закрыт. При этом ток i_H не протекает.

Ток i_H, протекая по резистору R_H, создаёт пульсирующее напряжение U_H (рис.3,б). Это напряжение представляется следующим рядом Фурье:

где – постоянная составляющая выпрямленного напряжения U_H, - амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения и так далее.

 

Рис. 3. Кривые, поясняющие работу выпрямителя

 

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U₀ при однополупериодном выпрямлении выражается через амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора следующими формулами:

При однополупериодном выпрямлении коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей:

Работа выпрямителя с фильтром. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром при однополупериодном выпрямлении показан на рис.3,в. Из этого рисунка следует, что выпрямленное и слаженное напряжение U_НФ на нагрузочном резисторе всегда больше нуля. В соответствии с законом Ома ток i_НФ, протекающий через нагрузку при наличии фильтра, также всегда будет больше нуля. Это объясняется следующим образом. В интервалах 0 – 1, 2 – 3, 4 – и т.д. диод открыт и ток i_НФ протекает под воздействием напряжения U_2T. В эти же интервалы времени происходит подзаряд конденсатора С_Ф. В интервалах 1 – 2, 3 – 4 и т. д. диод закрыт, а ток i_НФ протекает в результате разряда конденсатора на нагрузочный резистор R_H.

Внешняя характеристика выпрямителя. Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость средневыпрямленного напряжения U₀ от средневыпрямленного значения тока I₀, то есть зависимость U₀(I₀). На рис.4 приведены графики внешних характеристик выпрямителя при работе его с фильтром – кривая U_0Ф(I₀) – и без фильтра – кривая U₀(I₀). Напряжения U_0ФХ и U_0X представляют собой напряжения холостого хода выпрямителя при работе его с фильтром и без фильтра. При этом U_0ФХ > U_0X за счёт действия сглаживающего фильтра.

Из сравнения этих кривых следует, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах нагрузки при работе выпрямителя с фильтром уменьшается более интенсивно, чем без фильтра. Это происходит из-за того, что на величину средневыпрямленного напряжения влияет более быстрый разряд конденсатора при уменьшении R_H.

 

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

 

Объектом исследования является однополупериодный выпрямитель, смонтированный на плате №3. Он получает питание от сети переменного тока через трансформатор. Напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, равно 36 В. Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H с регулируемым сопротивлением. Сопротивление регулируется путём поворота соответствующей ручки. В качестве измерительных приборов применяются многопредельный миллиамперметр и цифровой или стрелочный вольтметр. Для визуального наблюдения процесса выпрямления переменного напряжения применяется электронный осциллограф.

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

1. Собрать электрическую цепь, схема которой представлена на рис.5 (прил.).

2. После проверки цепи преподавателем подать на неё напряжение. Для этого на плате №3 левой панели стенда поставить тумблер В3-1 в положение «Вкл.», а тумблер В3-2 в положение 1 и включить питание стенда тумблером В1 на центральной панели стенда.

3. Установить переключатель «» осциллографа в положение «» (открытый вход).

 

4. Для получения осциллограммы вторичной обмотки трансформатора U_2Т подключить вход Y осциллографа к зажимом а и х. Установить на экран осциллографа 2-3 периода этого напряжения и зарисовать полученную осциллограмму на рис.6,а (прил.). Тумблер В3-2 перевести в положение П, при этом ко вторичной обмотке трансформатора будет подключён двухполупериодный выпрямитель.

5. Для получения осциллограммы выпрямительного напряжения U_Н соединить вход Y осциллографа с гнёздами х и m нагрузочного резистора R_H при отключённом фильтре С_Ф. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6,б (прил.).

6. Для получения осциллограммы выпрямленного и сглаженного напряжения U_НФ подключить фильтр С_Ф, осуществив дополнительное соединение, указанное на схеме (рис.5) пунктиром. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6,в (прил.). Зарисованные осциллограммы показать преподавателю, после чего осциллограф отключить от исследуемой цепи.

7. Настроить вольтметр на измерение постоянного напряжения. Подключить вольтметр к гнёздам х и т, измерить напряжение U₀ и U_0Ф на нагрузочном резисторе, при работе выпрямителя без фильтра и с фильтром. Полученные значения напряжений записать в табл.1 (прил.).

8. Настроить вольтметр на измерение переменного напряжения. Измерить напряжение U и U_Ф на нагрузочном резисторе при работе выпрямителя без фильтра и с фильтром. Полученные значения напряжения записать в табл.2 (прил.).

9. Настроить вольтметр на измерение постоянного напряжения. Снять внешнюю характеристику выпрямителя при работе его без фильтра и с фильтром. Для этого, изменяя ток нагрузки от нуля до максимума, зафиксировать 5-6 значений тока и напряжения на нагрузке. Полученные результаты записать в табл.3 (прил.).

10. Согласовать полученные результаты с преподавателем, после чего цепь разобрать.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

1. Вычислить амплитудные значения переменных составляющих U_m и U_mФ и коэффициенты пульсаций Р и Р_Ф выпрямленного напряжения по формулам

Полученные результаты записать в табл.4 и 5 (прил.).

2. Построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра

U₀ = f(I₀) и с фильтром U_0Ф = f(I₀) на рис.7 (прил.).

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

 

1. Что называется выпрямителем?

2. Из каких частей в общем случае состоит выпрямитель?

3. Для чего в выпрямителях применяются фильтры и могут ли они работать без фильтров?

4. Нарисуйте кривую изменения выпрямленного напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров.

5. Какова связь между постоянной составляющей выпрямленного напряжения и средневыпрямленного напряжения?

6. Амплитуда выпрямленного синусоидального напряжения равна 100В. Чему равны средневыпрямленное значение напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров?

7. Чему равен коэффициент пульсаций напряжения при двухполупериодном выпрямлении?

8. Действующее значение выпрямленного синусоидального напряжения 100В. Средневыпрямленное напряжение на зажимах нагрузки должно быть не менее 80В. Можно ли получить заданное напряжение от выпрямителя без фильтра?

9. Что называют внешней характеристикой выпрямителя?

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1986. – С. 224-231, 235-243.

2. Лабораторные работы по основам промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1977. – С. 81-98.

 

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

к лабораторной работе №2 «Исследование однополупериодного

выпрямителя»

 

 

Таблица 1

Значения постоянных составляющих, В
Без фильтра	С фильтром
U0		U0Ф
Таблица 2
Действующие значения переменных составляющих, В
Без фильтра	С фильтром
U		UФ

 

 

 

Окончание приложения

Таблица 3

Измер. величина	Номера отсчётов
I0, A
U0, B
U0Ф, В

 

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Таблица 4 Таблица 5

Амплитудные значения переменных составляющих, В		Коэффициенты пульсаций
Без фильтра	С фильтром	Без фильтра	С фильтром
Um		UmФ		Р		РФ

 

Расчётные формулы:

 

 

Внешняя характеристика выпрямителя

I₀, A U₀, B

Краткие выводы по работе

 

 

Группа ____________ Студент ____________________ Дата __________

 

Преподаватель __________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО

ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение принципа действия и основных характеристик двухполупериодного выпрямителя.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: