Учебники 80223

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ВЫПРЯМИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение работы однофазных и многофазных выпрямителей напряжения.

Теоретическая часть

Выпрямителем называется статический преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит следующие основные элементы:

Рис. 2.1. Обобщенная структурная схема выпрямителя

где Тр – силовой трансформатор, обеспечивающий согласование напряжения источника питания с напряжением нагрузки;

ВБ – вентильный блок, обеспечивающий преобразование напряжения переменного тока в напряжение пульсирующего постоянного тока, а при применении управляемых вентилей еще и обеспечивает стабилизацию напряжения;

Ф – фильтр, обеспечивающий требуемое качество выходного напряжения, за счет сглаживания пульсаций напряжения на выходе вентильного блока; Рвх, Рвых – регуляторы по входу или выходу применяются для стабилизации напряжения, когда силовая схема выполнена на неуправляемых вентилях; Квх, Квых – коммутирующие устройства, обеспечивающие подключение преобразователя к источнику и нагрузке, а также отключение преобразователя в

аварийных режимах работы; СУ – система управления.

Классификация выпрямителей

•по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, многофазные и др.;

•по типу выпрямительного элемента – кенотроны, газотроны, полупроводниковые диоды и тиристоры;

•по величине выпрямленного напряжения – низкого (до 250В), среднего (до 1000В) и высокого (свыше 1000В) напряжения;

11

• по возможности регулирования напряжения – различают выпрямители нестабилизированные, стабилизированные и управляемые;+

• по назначению – для питания аналоговых и цифровых схем, ус т- ройств промышленной автоматики, зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей

Основными характеристиками выпрямителей являются:

• Номинальное напряжение постоянного тока Ud – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями

где Т – период изменения формы выпрямленного напряжения; ud – мгновенное значение выпрямленного напряжения.

Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев) – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем электронных устройств.

•Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

•Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети ~220 вольт с допускаемыми отклонениями не более ±10 %.

•Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

•Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой - однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные и мостовые схемы дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

•Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Коэффициент пульсаций КП определяет качество выпрямленного напряжения

2

КП = mП2 −1,

где mП – число пульсаций в выпрямленном напряжении за один период. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра Кп0 и коэффици-

ент пульсаций на выходе фильтра Кп. Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

12

•Коэффициент фильтрации Кф – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра Кф = Кп0

/Кп. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

•Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального.

•Коэффициент полезного действия выпрямителя

где Pd – мощность нагрузочного устройства,

∆Pb – суммарные потери мощности выпрямителя (потери мощности в

трансформаторе, в вентилях, в фильтре и системе управления).

Процесс выпрямления осуществляется непосредственно полупроводниковыми приборами схемы выпрямления. Отклонение выпрямленного напряжения при отсутствии стабилизатора напряжения определяется отклонениями напряжения питающей сети.

Схемы выпрямителей

Выпрямители, применяемые для однофазной сети выполняются по трем основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой, двухполупериодной мостовой (или просто – мостовой).

Для многофазных сетей применяются две разновидности схем: однополупериодная трехфазная с нулевой (средней) точкой и двухполупериодная мостовая схема - схема Ларионова.

Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

1. Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение посто-

янного тока до фильтра, Iд.ср – среднее значение выпрямленного тока, Р0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра, Iд.ср – среднее значение тока диода.

2. Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе(вентиле) в непроводящую часть периода), Iдм – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

3. Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

Основные характеристики различных схем выпрямления

Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы.

Задавшись значением напряжения на выходе выпрямителя Uн и значением номинального тока в нагрузке (среднего значения выпрямленного тока) Iн,

13

можно без труда определить напряжение вторичной обмотки трансформатора U2, ток во вторичной обмотке I2, максимально допустимый ток вентилей Iмакс, обратное напряжение на вентилях Uобр.

Основные характеристики схем выпрямителей при работе на резистивную нагрузку

14

где Uн=NдUпр+Uв – расчетное значение напряжения на нагрузке; Nд – число последовательно включенных диодов;

Uпр – прямое падение напряжения на диоде;

Uв – среднее значение выпрямленного напряжения; Iн – расчетное значение тока через нагрузку; n=U1/U2 – коэффициент трансформации;

Pн – расчетное значение мощности нагрузки; f – частота питающей сети.

Однополупериодный выпрямитель

Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя (б) приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (а)

иосциллограммы напряжения (б)

Т– трансформатор;

V1 – вентиль;

Rн – сопротивление нагрузки;

U2т – напряжение на вторичной обмотке трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке.

Как видно на осциллограммах напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. При отсутствии фильтра пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения; низкий КПД (значительно больший, чем в других выпрямительных схемах); плохое использование трансформатора.

15

На практике схема однофазного однополупериодного выпрямления из-за низких технико-экономических показателей в выпрямителях средней и большой мощности не применяется.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой (средней) точкой

Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжения (б) в различных точках выпрямителя приведены на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Однофазная схема выпрямителя со средней точкой (а) и осциллограммы напряжения (б)

где Т – трансформатор;

VD1, VD2 – вентили;

U2-1, U2-2 – напряжения на вторичных обмотках трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора включенные согласовано (или одну со средней точкой).

Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупе-

16

риоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

Недостатки: Двойное максимальное обратное напряжение на вентилях, наличие двух обмоток во вторичной цепи трансформатора (см. рис. 3 а ), подмагничивание сердечника трансформатора и, как следствие, увеличение габаритов и веса трансформатора.

Мостовая схема выпрямителя

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель. Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя (б) приведены на рис. 2.4.

а)

U,I

t

Рис. 2.4. Принципиальная схема однофазного мостового выпрямителя (а) и временные диаграммы напряжений (б)

17

где Т – трансформатор;

U2т – напряжение вторичной обмотки трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке;

V1…V4 – вентили.

Схема содержит трансформатор и выпрямительный мост, содержащий четыре вентиля, которые попарно соединены в две группы: катодную (вентили VD2 и VD4) и анодную ( VD1 и VD3). Основная особенность данной схемы – использование одной вторичной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль VD2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль VD3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль VD4 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль VD1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку одинаково.

В зависимости от характера нагрузки мостовая схема выпрямления характеризуется следующими параметрами:

1. Среднее значение выходного напряжения Uн а) при активной нагрузке

UН =UНо (1 +cosα) / 2,

б) при активно-индуктивной нагрузке

UН =UНо cosα .

2. Максимальные значения напряжения на вентилях а) при активной нагрузке

Uобр макс = 2U 2 , U пр макс = (2 / 2)U 2 sinα ,

где U пр макс – максимальное значение прямого напряжения.

б) при активно-индуктивной нагрузке

Uобр макс = 2U 2 , U пр макс = 2U 2 sinα .

3. Максимальные значения токов вентилей Iмакс: а) при активной нагрузке

I макс = 2U 2 / Rн ,

б) при активно-индуктивной

I макс = Iн .

Достоинства мостовой схемы выпрямления: по сравнению с однополу-

периодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора, меньшее значение типовой мощности. По сравнению с двухполупериодной

18

схемой со средней точкой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей в 2 раза ниже, чем в схеме со средней точкой.

Недостатки мостовой схемы выпрямления: Увеличение числа вентилей.

Многофазные выпрямители

Многофазные выпрямители применяются как правило только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель с нулевой точкой и выпрямитель собранный по мостовой схеме (схеме Ларионова).

Трехфазный выпрямитель со средней точкой

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 2.5.

б)

Рис. 2.5. Принципиальная схема трехфазного однополупериодного выпрямителя со средней точкой (а), диаграммы токов и напряжений (б)

19

где Rн – сопротивление нагрузки;

U 2a ,U 2b ,U 2c – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансфор-

матора;

Ua , Ub, Uc – напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля;

Ld – индуктивный фильтр;

Uн – суммарное напряжение на нагрузке.

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций по каждой фазе, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Этот выпрямитель служит для питания нагрузочных устройств, в которых средние значения выпрямленного тока доходят до сотен ампер, а напряжение – до десятков кВ.

Достоинства: Более низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с выпрямителями однополупериодными; достаточно высокая надежность.

Недостатки: Нерациональное использование трансформатора; подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что приводит к снижению КПД выпрямителя.

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель (мостовая схема, схема Ларионова)

Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжения в различных точках (б) выпрямителя приведены на рис. 2.6.

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку. Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без фильтра, что значительно уменьшает массу и габариты выпрямителя. Хорошее использование трансформатора, возможность работы без трансформатора при условии, что напряжение сети устраивает как входное напряжение. Основное достоинство – это высокое качество выходного напряжения.

Недостатки: Увеличенное количество вентилей.

20