Файл: Методичка по электронике для аудитории.docx

По первому закону Кирхгофа прямой ток через диоды VD2, VD3 равен

i₁=i_н + i_с=Сdu_c/dt+u_н/R_н

где u_c=u_н=U_msinωt – напряжение на конденсаторе фильтра емкостью С; i_с=Сdu_c/dt=ωСcosωt - ток, текущий через конденсатор.

Предположим, что i₁=0. Тогда

ωСcosωt+ (U_m/R_н)sinωt=0

откуда .

Т.о. начиная с момента времени t₁, напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 2.4,б штриховая линия):

В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе u_c и на входе выпрямителя u₂=-U_msinωt будут равны и откроются диоды VD1, VD4. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться, в результате происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током i_с от источника энергии и его последующая разрядка в цепь приемника. Т.о. включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую в кривой выпрямленного напряжения.

Мощные выпрямители, предназначенные для коммутации токов до 10⁶ А мощностью от 10 кВт до 100 кВт, как правило, целесообразно питать от трехфазных цепей переменного тока. Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение, приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а), мостового трехфазного выпрямителя (в) и диаграммы их работы (б и с соответственно).

Простейшая трехфазная система выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 2.5, а) состоит из трехфазного трансформатора и трех диодов. Первичная обмотка трансформатора может соединяться Y или ∆, а вторичная – только Y, иначе отсутствует необходимый нулевой вывод. Такую схему удобно рассматривать как состоящую из трех однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Выпрямители питаются тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120⁰ (см. рис. 2.5, б). Как видно из диаграммы работы диоды проводят ток поочередно, каждый в течении 1/3 периода выпрямляемого напряжения. Проводящим, в каждый данный момент, является тот диод, анод которого находится под действием положительного напряжения. В этом случае ток через нагрузку протекает в одном направлении, от конца одной их вторичных обмоток, через диод и нагрузку к общей точке. Трехфазная схема с нулевым выводом по сравнению с рассмотренными однофазными обладает рядом преимуществ: равномерная нагрузка на сеть переменного тока; лучшее использование обмоток трансформатора; уменьшение коэффициента пульсаций (более чем в 2,5 раза по сравнению с двухполупериодными схемами и в 6 раз, по сравнению с однополупериодной), что позволяет использовать емкостные фильтры меньшей емкости. К недостаткам этой схемы следует отнести плохое использование трансформатора и повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.

Исключить указанные недостатки позволяет мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова) (см. рис. 2.5, в). Обмотки трансформатора в этом случае могут соединяться по любой схеме, так как нулевой вывод здесь не нужен. Трехфазную мостовую схему удобно представить как два трехфазных выпрямителя, которые включены последовательно и питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180⁰ (см. рис. 2.5, с). При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций, равный 5,7%. , что позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр.

Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы

Упражнение 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

1. Собрать стенд, в соответствии со схемой (рис. 2.6.) без сглаживающего фильтра. (В качестве источника питания использовать фазное напряжение U_AN источника 3-х фазного напряжения)

Рис. 2.6

2. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить входное напряжение и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.1 (Табл. 2.1)

3. По результатам измерение (табл. 2.1) построить внешнюю характеристику выпрямителя.

4. Установить сопротивление R_н=10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а-б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.

5. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U_m.

6. Отключить осциллограф, подключить к выводам c-d вольтметр и измерить среднее значение напряжения на нагрузке U_ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.

7. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.2, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.2)

8. Сделать вывод о том, какое влияние оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсации напряжения. Оценить соответствие теоретических и экспериментальных значений ε.

Упражнение 2. Мостовой выпрямитель.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 2.7.)

Рис. 2.7.

2. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить вольтметром V₁ входное напряжение и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.3 (Табл. 2.3)

3. По результатам измерений (табл. 2.3) построить (на графике, по п.3 упражнения 1) внешнюю характеристику выпрямителя.

4. Установить сопротивление R_н=10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а-б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.

5. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U_m.

6. Измерить по показаниям вольтметра V₀ среднее значение напряжения на нагрузке U_ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.

7. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.4, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.4)

8. Сделать вывод о том, какое влияние оказывает сглаживающий конденсатор на амплитуду пульсации напряжения. Оценить соответствие теоретических и экспериментальных значений ε.

Упражнение 3. Выпрямитель трехфазного тока мостовой.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 2.8.)

Рис. 2.8.

2. Устанавливая сопротивление нагрузки в заданном диапазоне измерить вольтметром фазное входное напряжение V₁ и ток, текущий через нагрузку. Результаты измерений занести в таблицу 2.5 (Табл. 2.5)

3. По результатам измерение (табл. 2.5) построить (на графике, по п.3 упражнения 1) внешнюю характеристику выпрямителя.

4. Установить сопротивление R_н=10 кОм. Включить осциллограф согласно инструкции по эксплуатации и подключить его к выводам а-б. Зарисовать осциллограмму входного напряжения.

5. Подключить осциллограф к выводам c-d и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. По полученной осциллограмме определить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U_m.

6. Измерить по показаниям вольтметра V₀ среднее значение напряжения на нагрузке U_ном. Рассчитать коэффициент пульсации выпрямленного напряжения ε.

7. Параллельно нагрузочному резистору подключить сглаживающий конденсатор. При сборке схемы обратить внимание на полярность электролитического конденсатора. Повторить измерения по пп. 3-5. Результаты измерений занести в таблицу 2.6, а на осциллограмме дорисовать графики выпрямленного напряжения.

(Табл. 2.6)