Элементы силовой электроники. Однополупериодный выпрямитель.

Практическое занятие №2

Теоретическая часть.

Трансформатором называют электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты. В трансформаторе используется явление взаимоиндукции. Конструктивные параметры трансформаторов при расчете выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и их перегрева. При выборе магнитопровода определяющими являются трансформируемая мощность и частота тока. Исходными данными для расчета силового трансформатора являются:

- электрическая схема (количество обмоток) трансформатора;

- схема подключаемой нагрузки (напряжение, сопротивление и т.п.);

- напряжение и частота питающей сети;

- масса, габариты, стоимость;

- условия эксплуатации.

При чисто активной нагрузке расчет трансформатора, как правило, выполняется сравнительно просто. Однако чаще всего силовой трансформатор работает на выпрямитель, и существенное влияние оказывает вид нагрузки — активная, активно-емкостная или активно-индуктивная, а также наличие противо-ЭДС. Нагрузка с противо-ЭДС возникает, например, в том случае, когда от выпрямителя питается двигатель постоянного тока.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры. Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой (схема Греца).

Однополупериодный выпрямитель (рис.1). Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения.

Рис. 1
Однополупериодный выпрямитель

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

откуда действующее напряжение вторичной обмотки:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока нагрузки:

Мощность, на которую должна быть рассчитана вторичная обмотка трансформатора:

Габаритная мощность трансформатора (без учета КПД.) равна полусумме мощностей, выделяемых первичной и вторичными обмотками:

Как видно из формулы (6), габаритная мощность трансформатора должна быть в 3,1 раза больше полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. трансформатор используется всего на 30%.

Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

-большой коэффициент пульсаций;

-малые значения выпрямленного тока и напряжения;

-низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Применение: На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Практическая часть.

Пользуясь библиотекой Power Electronics в Simulink построить модель однополупериодного выпрямителя Рис. 2. Значения основных параметров блоков Scope, Diode и Series RLC находятся в табл. 1. Графики тока в нагрузке и напряжения на нагрузке занести в отчет.

Примечание: для всех вариантов конечное время расчета

Рис. 2

Табл.1

Варианты:
Блок Scope	Число входов
Временной диапазон	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
Блок Diode	Сопротивление Ron (Ohm)	0.002	0.003	0.006	0.007	0.004	0.008	0.002	0.003	0.001	0.005
Индуктивность Lon (H)
Падение напряжения Vf (V)	0.7	0.6	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.3	0.2
Сопротивление демпфирующей цепи Rs (Ohm)
Емкость демпфирующей цепи Cs (F)
Блок Series RLC	Сопротивление R (Ohm)
Индуктивность L (H)
Емкость С (F)

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое трансформатор?
2. Каковы исходные данные для расчета трансформатора?
3. Что такое выпрямитель?
4. Какой элемент силовой электроники является однополупериодным выпрямителем?
5. Принцип действия однополупериодного выпрямителя?
6. Чему равно среднее значение выпрямленного тока и напряжения?
7. Чему равно действующее значение тока и напряжения?
8. Как определяется мощность, на которую должна быть рассчитана вторичная обмотка трансформатора?
9. Как определяется габаритная мощность трансформатора?
10. В чем недостатки однополупериодного выпрямителя?
11. Где применяется схема однополупериодного выпрямителя?
12. Какой пиктограммой задается диод в Simulinke, его основные параметры?
13. Какой пиктограммой задается последовательная RLC ветвь в Simulinke, ее основные параметры?

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: