Изучение принципов работы, определение основных характеристик выпрямителей

Лабораторная работа 5.2. Однофазные выпрямители

Цель работы.Изучение принципов работы, определение основных характеристик выпрямителей, умножителей напряжения.Файлы для моделирования выпрямителей расположены в папке Lab_5_2\Модели.

                                             Основные теоретические положения            

Элементами схем выпрямления являются:

- источник переменной ЭДС (генератор переменного тока, трансформатор);

- вентильная группа, преобразующая переменный ток в выпрямленный;

- сглаживающий фильтр, необходимый для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (используется при необходимости).

Схемы выпрямления различают:

- по числу фаз первичной обмотки трансформатора (однофазные, трехфазные и т.д.);

- по количеству используемых полупериодов переменного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);

- по соотношению между входным и выходным напряжением выпрямителя (схемы удвоения, учетверения напряжения и др.).

1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

Однофазные выпрямители  применяются в электроэнергетике для испытания изоляции электрооборудования, в блоках питания и других устройствах.

Однополупериодный выпрямитель (рис. 1) состоит из трансформатора T, к вторичной обмотке которого подключен диод VD, нагрузочный резистор R_Н  и, при необходимости, сглаживающий фильтр (C).

Трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямляемого напряжения и нагрузочного устройства, которые гальванически не связанны друг с другом. После трансформатора переменное напряжение преобразуется в пульсирующее напряжение с помощью диода. При выборе диода учитывается максимально допустимый средний прямой ток и амплитудное значение обратного напряжения.

Рис. 1 Схема однополупериодного выпрямления

В выпрямленном напряжении присутствует постоянная и переменная составляющая. Для снижения пульсаций используется сглаживающий фильтр. Если необходимо получить неизменное значение выпрямленного напряжения на сопротивлении R_Н, то применяется стабилизатор напряжения.

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать.

В первый полупериод, когда U₂>0 диод открыт и на R_Н падает напряжение U_R. Во второй полупериод, при  U₂<0 диод закрыт. Среднее значение напряжения Ud,выпрямленный ток (среднее значение) в нагрузке I_d и обратное напряжение на диоде U_ОБР:

 

Достоинством однополупериодного выпрямителя является его простота, недостатки: большие пульсации и малые значения выпрямленного напряжения и тока.

Кроме того, ток во вторичной обмотке трансформатора протекает только в одном направлении (когда диод открыт) и, следовательно, имеет постоянную составляющую.

Это вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, уменьшается его магнитная проницаемость, снижается индуктивность обмоток трансформатора.

Следствием является рост холостого хода, увеличение потерь в трансформаторе и снижение кпд выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель обычно применяют для питания нагрузок, мощностью не более 15 Вт.

2 Однофазный однотактный двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный однотактный выпрямитель использует две обмотки трансформатора, включенные согласно. В один из полупериодов открыт диод VD1, VD2 закрыт. В другой полупериод VD1 закрыт, VD2 открыт (рис. 2, 3).

Следовательно, через нагрузку в оба полупериода ток протекает в одном направлении. Среднее значение напряжения в нагрузке Ud≈ 0,9U₂. Выпрямленный ток в нагрузке: I_d = U_d /R_Н, U_ОБР = 2U_2m..

Рис. 2 Схема однофазного однотактного

двухполупериодного выпрямителя

 

Рис. 3 Схема однофазного однотактного

двухполупериодного выпрямителя с фильтром низких частот

Двухполупериодныйоднотактный выпрямитель состоит их двух схем однополупериодных выпрямителей. Поэтому мощность его ограничена вследствие наличия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки трансформатора.

Достоинством является низкие пульсации и высокое значение выпрямленного напряжения. Разница амплитуд напряжений вторичной обмотки трансформатора и нагрузки отличается на величину падения напряжения только в одном диоде.

Поэтому схема применяется для измерения значений переменных напряжений и токов (два раза за период) в релейной защите и автоматике.

3 Мостовой выпрямитель

В этой схеме используются обе полуволны питающего переменного напряжения  (рис.4). В течение положительного полупериода U₂открываются диоды VD2 и VD3. Ток проходит через VD1, VD2 и R_Н. При отрицательном полупериоде открываются диоды  VD1  и  VD4.

Через сопротивление нагрузки ток в любой момент времени протекает в одном направлении.

Преимущества мостовой схемы – низкий уровень пульсаций, более высокий коэффициент использования трансформатора. Недостатком является большое количество вентилей.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель имеет большую мощность, чем однополупериодный, т. к. для питания нагрузки используются оба полупериода напряжения сети.

Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в обоих направлениях, следовательно, отсутствует постоянная составляющая. Выпрямитель име­ет высокий кпд. Недостаток схемы – усложнение за счет использования четырех диодов.

Рис. 4 Схема мостового выпрямителя

Для мостовой схемы:

 

На рисунке 5 представлена схема мостового выпрямителя с фильтром низких частот, выполненного на конденсаторе.

Рис. 5 Схема мостового выпрямителя с фильтром низких частот

4 Каскадная схема умножения напряжения

Умножители напряженияприменяются в электроэнергетике в установках прожигания изоляции.

Каскадная схема умножения напряжения состоит из нескольких схем удвоения напряжения, собранных последовательно. Однокаскадная схема удвоения напряжения (рис. 6) содержит VD, С, и работает следующим образом. При отрицательной полуволне U_ВХ конденсатор C заряжается через диод VD до амплитудного значения напряжения U_ВХ. Время заряда составляет четверть периода. При положительной полуволне U_ВХ на нагрузке падает напряжение, амплитудное значение которого приблизительно равно сумме напряжения обмотки трансформатора и напряжения конденсатора C, что составляет величину 2U_ВХ.

Рис. 6Один каскад схемы умножения напряжения

Если к этой схеме в качестве нагрузки последовательно подключить аналогичный умножитель (рис. 7), то постоянное напряжение в нагрузке каскадной схемы умножения напряжения  U_ВЫХ = 2 n U_{ВХ m} , где n - число ступеней каскадной схемы.

Рис. 7Каскадная схема умножения напряжения

Данная схема позволяет получить напряжение, составляющее десятки киловольт без использования в выпрямителях повышающих трансформаторов.

Каскадная схема умножения используется при больших значениях сопротивления R_Н. Уровень пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшение величины напряжения нагрузки пропорциональны проходящему по R_Н току.

Задание 1. Изучить работу выпрямителей и умножителей напряжения (рисунки 1-7, файлы L5_v_01.ewb- L5_v_10.ewb).

Задание 2. Для схем, представленных на рис. 1, 2, 4, (файлы L5_v_01.ewb, L5_v_02.ewb, L5_v_04.ewb) измерить и, при необходимости, рассчитать: напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂, обратное напряжение на диодах U_ОБР. Вычислить величину средневыпрямленного значения напряжения Ud и тока I_d в нагрузке. Результаты занести в таблицу 1. Для измерений использовать осциллограф.

Измеренные и рассчитанные величины к заданию 2  Таблица 1

№ схемы	Определяемые величины
	U2 , В	UОБР, В	Ud, В	Id, мА
Схема L5_v_01.ewb, рис. 1
Схема L5_v_02.ewb, рис. 2
Схема L5_v_04.ewb, рис. 4

Результаты измерений (табл. 1, схема L5_v_04.ewb) сравнить с данными для схемы, где учитываются параметры (характеристики) используемых элементов (рис. 8, файл L5_v_07.ewb), занести их в табл. 2. При заполнении таблицы использовать показания измерительных приборов. Сравнить результаты моделирования L5_v_01.ewbи L5_v_08.ewb.

Рис. 8 Схема проведения измерений

Измеренные и рассчитанные величины к заданию 2                         Таблица 2

№ схемы	Определяемые величины
	U2 , В	UОБР, В	Ud, В	Id, мА
Схема L5_v_07.ewb
Схема L5_v_08.ewb

Задание 3

Определить входное и выходное напряжения в каскадной схеме умножения напряжения (рис. 7, файл L5_v_09.ewb). Результаты измерений занести в таблицу 3.

Измеренные величины к заданию 3             Таблица 3

Задание 4

В файле L5_v_10.ewb с помощью фильтра низких частот определяется постоянное напряжение на выходе выпрямителя. Определить, что это за величина. Отметить ее в табл. 3.

Варианты ответов к заданию 4    Таблица 3