3779

В качестве силового вентиля в этой схеме выпрямления используется однооперационный тиристор – вентиль с частичной управляемостью. Принципиально здесь можно использовать полностью управляемый вентиль (транзистор или двухоперационный тиристор, свойства которых позволяют их использовать только в вентильных выпрямителях небольшой мощности). Выпрямители средней и большой мощности обычно строят на однооперационных тиристорах.

Для перевода тиристора в проводящее состояние необходимо выполнение одновременно двух условий:

1.Наличие положительного потенциала на аноде относительно катода Uа-к.

2.Наличие в цепи управления тока iу, достаточного для включения тиристора при

данной величине uа-к.

Пусть в положительный полупериод u2, когда выполняется условие 1, на тиристор подан сигнал управления (ток, отвечающий условию 2), со сдвигом по фазе на угол α относительно точки 0 – тиристор откроется. В точке π тиристор закроется, так как полярность u2 изменится на противоположную, и снова тиристор сможет открыться только в точке (2 π + α), когда будет подан сигнал на его включение и т. д.

В результате происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения Uср или тока Iср.

Сигнал на включение тиристора подается со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол , называемый углом управления.

Моментом естественного отпирания тиристора называют момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (при α = 0).

Характерным является то, что к тиристору, кроме обратного (запирающего) напряжения Uобр.max, прикладывается еще и прямое напряжение Uпр.max на участке 2 … (2 π + α).

Задержка по фазе управляющих сигналов, подаваемых на тиристоры, осуществляется с помощью систем импульсного фазового управления.

Указания по выполнению лабораторной работы

При помощи инструментов программы NL5, в окне схем собирается схема для исследования управляемых выпрямителей (рис. 26).

Вводят исходные данные из приложения 3 и приложения 4. Углы управления в градусах (α) пересчитываются в секунды времени задержки управляющего сигнала (Delay) по формуле:

Delay 0,02 . 360

В процессе моделирования форматируется файл в формате bmp.

31

Рис. 26. Схема для исследования управляемых выпрямителей в программе NL5

Временные диаграммы:

напряжение на сопротивлении нагрузки α =0°;

падение напряжения на диоде α =00;

напряжение на сопротивлении нагрузки α= α1;

падение напряжения на диоде α = α1;

напряжение на сопротивлении нагрузки α= α2;

падение напряжения на диоде α = α2;

Таблица параметров

Указанный файл экспортируют в любой графический редактор, где формируется 2-й файл – результаты моделирования.

Схему выпрямителя из NL5 копировать в формате bmp не надо, следует воспользоваться функцией Print Screen.

В качестве примера на рис. 27 приведены результаты моделирования работы управляемого выпрямителя при: U1m = 100 В; КТ = 0,5; Rн = 2 Ом; Vd = 1,5 B; α1 = 18°; α1 = 72°.

32

Рис. 27. Результаты моделирования работы управляемого выпрямителя при различных углах управления

Лабораторная работа № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Цель работы: освоение методов работы с виртуальными математическими моделями полупроводниковых силовых преобразователей и изучение принципа работы различных сглаживающих фильтров.

Принцип работы сглаживающих фильтров

Сглаживающими считают фильтры, пропускающие с малым ослаблением постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую. Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть. Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют конденсаторы и индуктивные катушки. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты. У индуктивных элементов сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты.

33

При подключении конденсатора параллельно нагрузочному устройству сопротивление фильтра для переменной составляющей тока значительно меньше, чем для постоянной составляющей. Поэтому в этом случае пульсации выпрямленного напряжения на нагрузочном устройстве значительно уменьшаются.

При включении индуктивной катушки последовательно с нагрузочным устройством падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снизится, то есть пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозве-

нные.

Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра.

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания, фильтры должны иметь минимальное падание постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу и стоимость.

Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC-фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока. В бездроссельных активных фильтрах роль индуктивных элементов выполняют обычно транзисторы, сопротивления которых по переменному току при определенных режимах работы могут быть во много раз больше сопротивлений по постоянному току. Активные фильтры обеспечивают независимость коэффициента сглаживания Кc от тока нагрузки и имеют меньшие габариты по сравнению с LC-фильтрами, однако их параметры зависят от температуры.

Вданной лабораторной работе исследуются 3 типа пассивных сглаживающих фильтров: емкостный (С-фильтр), индуктивный (L-фильтр) и многозвенный Г-образный L-C-фильтр.

Вэтих случаях можно считать что выпрямитель работает на активно-емкостную (C-R) нагрузку, активно-индуктивную (L-R) нагрузку и активно-индуктивно-емкостную (L-R-С) нагрузку.

Емкостной фильтр. Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн. Схема и временные диаграммы емкостного фильтра приведены на рис. 28.

Винтервал времени t1 – t2 конденсатор через открытый диод VD заряжается, так как

вэтот период напряжение u2 > uc. В интервал времени t2 – t3 , когда напряжение u2 становится меньше напряжения на конденсаторе uC, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор RН, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iН , которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра. В этот интервал времени напря-

жение на резисторе RН снижается до некоторого значения, соответствующего времени t3,

34

при котором напряжение u2 в положительный полупериод становится равным напряжению на конденсаторе uc. После этого диод вновь открывается, конденсатор начинает заряжаться, и процессы зарядки и разрядки конденсатора повторяются.

Рис. 28. Схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром

Индуктивный фильтр. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф, включают последовательно с нагрузочным резистором RН. Схема и временные диаграммы индуктивного фильтра приведены на рис. 29.

Рис. 29. Схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром

Он так же, как и емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работа фильтра основана на том, что в дросселе вследствие изменения тока возникает ЭДС самоиндукции, направленная в сторону, противоположную току при его увеличении, и в сторону, совпадающую с током при его уменьшении.

35

Диод VD открыт и пропускает ток на интервалах времени 0 – t2 и t3 – t5, но и при отрицательном напряжении на вторичной обмотке трансформатора (интервалы t1 – t2 и t4 – t5). Это объясняется тем, что в индуктивности L на интервалах 0 – t1 и t3 – t4 запасается электромагнитная энергия. При уменьшении тока нагрузки на индуктивности возникает ЭДС самоиндукции такой полярности, что значение отрицательного потенциала катода диода становится больше отрицательного потенциала анода. Диод остается открытым и проводит ток до тех пор, пока ток нагрузки не спадет до нуля, поэтому на выходе выпря-

мителя напряжение u3 изменяется по закону изменения напряжения на вторичной об-

мотке трансформатора u2 в течение всего времени проводящего состояния диода, и на входе фильтра появляются участки отрицательного напряжения.

Следует отметить, что при любых значениях индуктивности в выпрямленном токе имеются бестоковые паузы t2 – t3.

Эффективность использования такого фильтра (только индуктивности) очень низка, особенно в однополупериодной схеме, т. к. постоянная составляющая там очень мала. Поэтому индуктивность используется, как правило, в составе более сложных фильтров. Подобные фильтры обеспечивают высокий коэффициент сглаживания.

Г-образный L-C-фильтр. С помощью емкостных и индуктивных фильтров недостижим высокий коэффициент сглаживания. Для повышения коэффициента сглаживания, уменьшения вредного влияния преобразователя на питающую сеть и улучшения переходного процесса включения применяют Г-образные фильтры [4].

Схема выпрямителя с многозвенным Г-образным L-C-фильтром приведена на рис. 30.

Рис. 30. Схема выпрямителя с многозвенным Г-образным L-C-фильтром

Указания по выполнению лабораторной работы

Исследование С-фильтра

При помощи инструментов программы NL5, в окне схем собирают схему для исследования С-фильтра (рис. 31).

Вводят исходные данные из приложения 3 и приложения 4: значения емкости С1

иемкости С2 модели равны значениям С1 и С2 из приложения 4.

В процессе моделирования форматируют файл в формате bmp.

36

Рис. 31. Схема для исследования С-фильтра в программе NL5

Временные диаграммы:

напряжения на сопротивлении нагрузки при отсутствии емкости;

напряжения на сопротивлении нагрузки при С1;

напряжения на сопротивлении нагрузки при С2;

напряжение вторичной обмотки;

падение напряжения на диоде при С2.

Таблица параметров

Указанный файл экспортируют в любой графический редактор, где формируется 2-й файл – результаты моделирования.

Схему выпрямителя из NL5 копировать в формате bmp не надо, следует воспользоваться функцией Print Screen.

Вкачестве примера на рис. 32 приведены результаты моделирования выпрямителя

сС-фильтром при U1m = 100 В; КТ = 0,5; Rн = 2 Ом; Vd = 1,5 B; С2 = 0,159 Ф; С3 = 0,016 Ф.

Исследование L-фильтра.

При помощи инструментов программы NL5, в окне схем собирают схему для исследования L-фильтра (рис. 33).

Вводят исходные данные из приложения 3. Значение индуктивности L1 в модели равно значению L из приложения 4.

В процессе моделирования форматируют файл в формате bmp.

37

Рис. 32. Результаты моделирования выпрямителя с С-фильтром

Рис. 33. Схема для исследования L-фильтра в программе NL5

Временные диаграммы:

напряжения вторичной обмотки;

тока через сопротивление нагрузки;

напряжения на выходе выпрямителя;

падение напряжения на диоде.

38

Таблица параметров

Указанный файл экспортируют в любой графический редактор, где формируется 2-й файл – результаты моделирования.

Схему выпрямителя из NL5 копировать в формате bmp не надо, следует воспользоваться функцией Print Screen.

Вкачестве примера на рис. 34 приведены результаты моделирования выпрямителя

сL-фильтром при U1m = 100 В; КТ = 0,5; Rн = 2 Ом; Vd = 1,5 B; L3 = 0,05 Гн.

Рис. 34. Результаты моделирования выпрямителя с L-фильтром

Сравнение выпрямителей с С-фильтром, с L-фильтром и Г-образным L-C-филь- тром.

При помощи инструментов программы NL5, в окне схем собирают схему для исследования выпрямителей с различными фильтрами (рис. 35).

Вводят исходные данные из приложения 3. Емкость С1 модели равна значению С2 из приложения 4, индуктивность L1 = L4 модели равна значению L из приложения 4.

В процессе моделирования в графическом окне программы создаются временные диаграммы:

 напряжения на сопротивлении нагрузки при применении С-фильтра;  напряжения на сопротивлении нагрузки при применении L-фильтра;  напряжения на сопротивлении нагрузки при применении L-C-фильтра.

39

Рис. 35. Схемы для исследования различных фильтров в программе NL5

Таблица параметров

Указанный файл экспортируют в любой графический редактор, где формируется 2- й файл – результаты моделирования.

Схему выпрямителя из NL5 копировать в формате bmp не надо, следует воспользоваться функцией Print Screen.

В качестве примера на рис. 36 приведены результаты моделирования выпрямителя с

L-фильтром при U1m = 100 В; КТ = 0,5; Rн = 2 Ом; Vd = 1,5 B; С1= С2 = 0,016 Ф; L4 = L5 = 0,05 Гн.

Рис. 36. Результаты моделирования выпрямителей с различными фильтрами

40