Исследование влияние схем выпрямления и фильтрации на соотношение токов в нагрузке и обмотках трансформаторов. Приобретение навыков использования различных схем выпрямления и фильтрации в трансформаторных нерегулируемых источниках питания

Лабораторная работа  № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ И ФИЛЬТРАЦИИ НА СООТНОШЕНИЕ ТОКОВ В НАГРУЗКЕ И ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Цель работы

Приобретение навыков использования различных схем выпрямления и фильтрации в трансформаторных нерегулируемых источниках питания.

Основные теоретические положения

При создании и эксплуатации трансформаторных источников питания постоянного тока необходимо иметь в виду, что действующие значения напряжений и токов вторичных обмоток трансформаторов будут отличаться от напряжений и токов в нагрузке. Это отличие обусловлено схемами выпрямления и способами  фильтрации (рассматриваются только однофазные сети электропитания).

Формулы, приведенные в таблице, позволяют проследить общую тенденцию влияния схем выпрямления и фильтрации нa соотношение действующего значения напряжения  и тока  во вторичной обмотке трансформатора и средним значением тока , а так же  напряжения  в активной нагрузке.

Здесь падение напряжения на диоде принято равным 1В, однако не учтено влияние реальной добротности дросселя и трансформатора, а также величины емкости конденсатора. Влияние этих факторов на соотношение напряжений и токов в нагрузке и вторичной обмотке трансформатора возрастает по мере снижения . Поэтому формулы таблицы позволяют выполнить расчет  и  низковольтных источников питания приближенно. Более детально это может быть установлено при математическом моделировании с использованием, например, программных средств пакета ElectronicsWorkbench либо вычислительной среды MATLAB.

Следует помнить, что реактивная составляющая падения напряжения на дросселе зависит от степени насыщения стали его сердечника, а, следовательно, от тока в его обмотке. Действующее значение тока в обмотках трансформатора, также зависят от степени насыщения его сердечника (причина – в искажении формы тока). В силу указанных причин необходимо обеспечивать ненасыщенные режимы работы сердечников дросселей и трансформаторов. Поэтому для фильтров, как правило, используют дроссели с разрезным сердечником. Трансформаторы необходимо использовать при таком напряжении питания, чтобы амплитудное значение индукции в сердечнике  не превышало значений, соответствующих колену кривой намагничивания материала (здесь и в дальнейшем индекс «m» соответствует амплитудному значению). С учетом возможности измерения ЭДС вторичной обмотки трансформатора прибором магнитоэлектрической системы в режиме холостого хода величина  может быть определена на основе закона электромагнитной индукции:

                                                                          (1)

где  – среднее значение ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке, В; – частота сети, Гц (для сети электропитания f = 50); w₂ – число витков вторичной обмотки;  – сечение сердечника, м².

Сравнение различных схем выпрямления и фильтрации выполняют, анализируя коэффициенты пульсаций и сглаживания, обратное напряжение на диодах, а также сопоставляя между собой постоянные составляющие выпрямленного напряжения и тока  на нагрузке с действующими значениями напряжения  и тока  во вторичной обмотке трансформатора.

Под коэффициентом пульсации k_п понимается отношение амплитуды  наиболее выраженной гармонической составляющей (реально – первой), входящей в кривые выпрямленного тока либо напряжения, к постоянной составляющей  этого тока или напряжения.

Коэффициент сглаживания фильтра определяется отношением коэффициентов пульсаций, оцениваемых на входе и выходе фильтра.

Кривая, полученная в процессе однополупериодного выпрямления переменного тока, может быть разложена в гармонический ряд Фурье:

                                                       (2)

Из (2) следует, что пульсирующий ток при однополупериодном выпрямлении, кроме переменных, составляющих различных амплитуд и частот, содержит постоянную составляющую  В этом смысл использования процедуры выпрямления. Величина выпрямленного падения напряжения на сопротивлении нагрузки  определяют в соответствии с законом Ома:

                                                         (3)

Здесь и далее индекс «d» от англ. direct.

Выражая среднее значение выпрямленного напряжения синусоидальной формы через действующее значение  на вторичной обмотке трансформатора, имеем

                                                          (4)

Коэффициент пульсации тока

                                                                                       (5)

Максимальное обратное напряжение на диоде в рассматриваемой схемe равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке .