Исследование однофазных выпрямителей. Исследование сглаживающих фильтров. Исследование трехфазных выпрямителей. Исследование системы импульсно-фазового управления однофазным тиристорным преобразователем: Практическое пособие к лабораторным работам

Лабораторная работа №1

Исследование однофазных выпрямителей

1. Цель работы

Изучение схем и принципа действия однофазных выпрямителей, ознакомление с их расчетом и характеристиками, экспериментальная проверка основных соотношений между токами и напряжениями.

2. Теоретические сведения

Выпрямитель – это устройство, преобразующее энергию переменного тока в энергию постоянного тока.

Однофазные выпрямители являются одним из основных узлов маломощных источников питания. Такие источники питания используются для питания информационно-измерительных устройств, систем управления и другой маломощной электронной аппаратуры. Трансформатор, входящий в состав выпрямителя, служит для получения на входе диодной схемы выпрямления вторичного напряжения U₂ с величиной, обеспечивающей требуемое постоянное напряжение на выходе. Поскольку устройства нагрузки источника питания  допускают обычно малые пульсации выпрямленного питающего напряжения, то для сглаживания применяют фильтры.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения наиболее часто применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней (нулевой) точкой  и двухполупериодный мостовой.

2.1. Схемы однофазных выпрямителей

Однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1) является наиболее простым и состоит из трансформатора Т, ко вторичной обмотке которого последовательно подключен диод VD и нагрузка R_н (или L-R_н, или R_н-С).

Работу выпрямителя удобно анализировать с помощью временных диаграмм (рис. 1.4). Рассмотрим работу выпрямителя на активную нагрузку (рис. 1.4, а). В первый полупериод (0…p) вторичного напряжения u₂ к диоду приложено прямое напряжение и он будет открыт. В этом случае мгновенные значения напряжения в нагрузке u_d= u₂ и тока i_d=i₂. При активной нагрузке форма кривой тока i_d повторяет форму напряжения u_d. Во втором полупериоде (p…2p) полярность напряжения u₂ противоположна и по отношению к диоду оно будет обратным. Диод будет закрыт и u_d=0, i_d=0. Среднее значение выпрямленного напряжения

,

или

.

Среднее значение тока в нагрузке и диоде

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

.

Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно амплитуде напряжения U_2m(рис.1.4, а).

.

При активно-индуктивной нагрузке длительность протекания тока в нагрузке увеличивается (рис. 1.4, б). Происходит это вследствие действия э.д.с. самоиндукции, возникающей в индуктивности нагрузки при изменении тока. Кривые напряжения на выходе выпрямителя и в нагрузке представлены на рис. 1.4, б.

При подключении к выпрямителю емкостной нагрузки процессы в схеме определяются процессами заряда и разряда конденсатора. Временные диаграммы работы выпрямителя в этом случае представлены на рис. 1.4, в.

В нулевых схемах выпрямления используется нулевая (средняя) точка трансформатора. Схема нулевого двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 1.2. При полярности вторичного напряжения, указанной без скобок, к VD1 приложено прямое напряжение и он открыт, а к VD2 – обратное и он закрыт. Нагрузка запитывается от верхней полуобмотки

  и   

Во втором полупериоде, при полярности показанной в скобках, будет уже открыт VD2, а VD1 закрыт. Нагрузка уже запитывается от нижней полуобмотки и ,  .

Обычно параметры вторичных обмоток одинаковы , тогда , а . Диаграммы работы нулевого выпрямителя аналогичны диаграммам работы мостового выпрямителя (рис. 1.5).

В мостовой схеме выпрямителя (рис. 1.3), как и в нулевой двухполупериодной, нагрузка запитывается в каждом из полупериодов, но от одной вторичной обмотки трансформатора: в один из полупериодов через диоды VD1 и VD4, а в другой через VD2 и VD3. Аналогично, как для предыдущей схемы, мгновенные значения   и .

Временные диаграммы работы мостовой схемы с различными видами нагрузки представлены на рис. 1.5.

Основные показатели однофазных нулевых и мостовых выпрямителей приведены в таблице.

Таблица

2.2. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки U_d=f(I_d).

Если источник питания (трансформатор) и диоды идеальны, то внешняя характеристика выпрямителя представляет собой горизонтальную прямую U_d=const. В реальных выпрямителях без фильтра или с L- фильтром внешние характеристики близки к линейным и имеют малый наклон. Уравнение внешней характеристики в этом случае имеет вид

,

где E_d0=U_d0 – э.д.с. (напряжение ) условного холостого хода. Для однополупериодной схемы U_d0=0,45×U_2xx, и для мостовой U_d0=0,9×U_2хх;

N -число вентилей одновременно обтекаемых током;

- среднее значение прямого напряжения на одном вентиле;