Дослідження властивостей і характеристик випрямних пристроїв та згладжувальних фільтрів

Лабораторна робота №3

“Дослідження властивостей і характеристик

випрямних пристроїв та згладжувальних фільтрів”

          Мета роботи – виконати дослідження однофазних та трифазних схем випрямлення при їх роботі на активне і активно-ємнісне навантаження та дослідити властивості і характеристики згладжувальних LC- та RC-фільтрів.

3.1Короткі теоретичні відомості

Випрямними називаються пристрої, в яких здійснюється перетворення змінного струму в постійний. Принцип їх дії базується на забезпеченні приєднання до джерела енергії навантаження таким чином, щоб в ньому проходив струм в одному напрямку. Випрямлена напруга – це напруга на виході випрямляча.

В загальному випадку випрямляч складається з трансформатора, вентилів (напівпровідникових діодів) та згладжувального фільтра. Основними параметрами випрямляча є:

cереднє значення випрямленої напруги U₀;

середнє значення випрямленого струму І₀;

коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги К_П;

частота мережі f_М;

частота пульсацій f_П.

На рисунках 3.1 – 3.3 наведені принципові схеми випрямлячів однофазного змінного струму: однопівперіодного, двопівперіодного з виводом середньої точки трансформатора, мостового. На цих же рисунках поряд зі схемами наведені різні види навантажень, які застосовуються для відповідних випрямлячів.

Рисунок 3.1 – Однопівперіодна схема випрямлення

Рисунок 3.2 – Двопівперіодна схема випрямлення з виведенням

середньої точки трансформатора

Випрямлена напруга, крім постійної складової U₀, містить в собі також змінну складову, амплітуда і частота якої визначаються схемою випрямного пристрою та схемою і параметрами навантаження. Вміст змінної складової у кривій випрямленої напруги визначається коефіцієнтом пульсацій:

Рисунок 3.3 – Мостова схема випрямлення

                                                   (3.1)

де - амплітуда змінної складової випрямленої напруги; U₀ – середнє значення випрямленої напруги.

          Користуючись апаратом перетворення Фур’є, визначимо значення величин  та U₀ і коефіцієнта пульсацій К_П для схеми однопівперіодного випрямляча (рисунок 2.1) при його  активному навантаженні. При цьому врахуємо, що змінна складова випрямленої напруги фактично визначається амплітудою її першої гармоніки U_m1.

           (3.2)

         (3.3)

                                                 (3.4)

          З аналізу роботи схеми однопівперіодного випрямляча видно, що синусоїдальні імпульси на активному навантаженні з’являються з періодом, який дорівнює періоду змінної напруги, тобто частота пульсацій дорівнює частоті мережі:

                                                     (3.5)

          Зі схеми також видно, що зворотна напруга, яка діє на діод, дорівнює амплітуді напруги на вторинній обмотці трансформатора:

                                                    (3.6) 

          Однопівперіодну схему використовують при потужностях до 10 Вт, де немає жорстких вимог до коефіцієнта пульсацій. До її переваг відносять мінімальну кількість елементів та низьку вартість.

          Двопівперіодний випрямляч з виведенням середньої точки трансформатора (рисунок 3.2) забезпечує струм у навантаженні протягом обох півперіодів змінної напруги, яка діє на його вході. Це змінює всі основні показники цього випрямляча порівняно з попередньою схемою, а саме:

постійна складова випрямленої напруги

                                           (3.7)

частота пульсацій випрямленої напруги

                                             (3.8)

зворотна напруга на кожному діоді

                                              (3.9)

В наведених формулах - напруга на півобмотці вторинної обмотки трансформатора.

Використовують такі випрямлячі при вихідних потужностях до сотень Вт та вихідних напругах до 500 В частіше при навантаженнях з ємнісною та індуктивною реакцією. До переваг відносять підвищену частоту пульсацій та мінімальну кількість вентилів, до недоліків – дещо ускладнену конструкцію трансформатора та його гірше використання порівняно з мостовою схемою.

Мостова схема випрямлення, рисунок 3.3, як і попередня, є також двопівперіодною. Тому ряд показників збігаються з показниками попередньої схеми, хоча є і відмінності. Наведемо їх на основі вже отриманих результатів для інших схем з урахуванням особливостей принципової схеми:

постійна складова випрямленої напруги

                                           (3.10)

частота пульсацій випрямленої напруги

                                             (3.11)

зворотна напруга на кожному діоді

                                              (3.12)

В наведених формулах - напруга на вторинній обмотці трансформатора.

Мостова схема характеризується достатнім використанням потужності трансформатора, тому рекомендується при вихідних потужностях до 1000 Вт і більше. З наведених формул видно, що для отримання однакової за величиною випрямленої напруги у схемі з виведенням середньої точки трансформатора напруга на вторинній обмотці повинна бути вдвічі більшою, ніж у мостовій схемі. Крім цього, з порівняння формул (3.9) і (3.12) видно, що за умови отримання однакової напруги U₀ зворотна напруга на кожному діоді в мостовій схемі вдвічі менша , ніж у схемі з виведенням середньої точки трансформатора.

Однопівперіодна трифазна схема з нульовим виведенням вторинної обмотки трансформатора наведена на рисунку 3.4. Зазначимо, що первинні обмотки трансформатора можуть бути з’єднані зіркою або трикутником. Поряд зі схемою наведені різні навантаження, які можуть застосовуватися на практиці.

Рисунок 3.4 – Однопівперіодна трифазна схема