Лабораторная работа Исследование работы однофазных неуправляемых выпрямителей
 Скачать 1.91 Mb.
|
|
Лабораторная работа № 1. Исследование работы однофазных неуправляемых выпрямителей Цель работы: изучение принципа функционирования, методик расчёта, характеристик и параметров неуправляемых однофазных выпрямителей. Общие сведения Выпрямителем называется устройство преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство, помимо выпрямителя, в который входят один или несколько включенных по определенной схеме вентилей (диодов, тиристоров), содержит в себе силовой трансформатор, сглаживающий фильтр и стабилизатор. В зависимости от условий работы и требований отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать. Простейшей схемой нерегулируемого выпрямителя является однотактная однофазная схема (рисунок 1.1, а). Графики входного и выходного напряжения, а также тока через вентиль (диод VD1) при резистивной (сплошная линия) и резистивно-емкостной нагрузке (пунктир) показаны на рисунке 1.1, б. а) б)  Рисунок 1.1 – Схема (а) и временные диаграммы (б) однофазного однополупериодного выпрямителя Ток в цепи нагрузки, включенной последовательно с вентилем, протекает только в моменты, когда к нему приложено прямое напряжение (полупериод). В течение следующего полупериода вентиль закрыт. Поэтому ток через нагрузку протекает только в одном направлении и имеет пульсирующий характер. Для сглаживания пульсаций применяют фильтры, чаще всего с емкостной реакцией. Среднее за период выпрямленное напряжение (постоянная составляющая)  ,где U2m и U2 – максимальное и среднее значения напряжения на входе выпрямителя. Отсюда U2 = Uн / 0,45 и обратное напряжение на диоде Uобр = U2m = .Uн . Средний ток, протекаемый через диод, Ia=.Iн . Ток во вторичной обмотке трансформатора  .Мощность, получаемая вторичной обмоткой,  .Аналогично для первичной обмотки при коэффициенте трансформации kтр  .Тогда габаритная мощность (полусумма мощностей во всех обмотках) Pги коэффициент использования трансформатора Ки равны: Pг = 0,5(P1 +P2) = 3,1 Pн, Ки = Pн / Pг = 0,32. Среднее значение мощности в нагрузке (как постоянной составляющей, так и переменной)  .Коэффициент преобразования мощности Кп м = Pн / Pн ср = 4 / 2 = 0,41. Для определения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике находим ее амплитуду  .Коэффициент пульсаций по первой гармонике с амплитудой Um1 Кп1 = Um1 / Uн = 1,57. Более эффективное использование трансформатора достигается в двухполупериодной мостовой схеме (рисунок 1.2, a). Вентили в ней работают поочередно попарно. Сердечник трансформатора здесь не подмагничивается, а временные диаграммы напряжений и токов в схеме приведены на рисунке 1.2, б. Сравнительные показатели схем выпрямления приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Сравнительные показатели схем выпрямления
а б   Рисунок 1.2 – Схема (а) и временные диаграммы (б) двухполупериодного мостового выпрямителя Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя до величины, при которой обеспечивается нормальная работа питаемого устройства. Принцип работы сглаживающих фильтров основан на использовании элементов, имеющих различную проводимость для постоянного и переменного тока. Показателем качества сглаживающих фильтров служит коэффициент сглаживания пульсаций Ксг, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе Кп вх и выходе (нагрузке) Кн фильтра: Ксг = Кп вх / Кн. Для емкостного фильтра при Rн >> 1/(mC) коэффициент пульсаций: для однополупериодной схемы выпрямления С 2/(Kn вхRн); для двухполупериодной схемы выпрямления С 1/( Kn вхRн), где угловая частота напряжения u2 трансформатора. Коэффициент пульсации обычно выбирается в диапазоне qn1 = 0,01–0,1. Задание. Разработать схему мостового выпрямителя на полупроводниковых диодах с индуктивно-емкостным LC-фильтром для выпрямления однофазного синусоидального напряжения. Исходные данные (напряжение сети U1, номинальное напряжение нагрузки Ud, номинальная мощность нагрузки Pd, допустимый коэффициент пульсаций Кн) приведены в таблице 1.2. Частота питающего напряжения f = 50 Гц. Номер варианта соответствует номеру в списке группы. Необходимо выбрать тип выпрямительных диодов, трансформатора, рассчитать параметры фильтра. Осуществить моделирование работы выпрямителя в среде Multisim. Таблица 1.2 – Исходные данные
Пример решения задания. Разработать схему мостового выпрямителя на полупроводниковых диодах с индуктивно-емкостным LC-фильтром для выпрямления однофазного синусоидального напряжения. Исходные данные к заданию: - напряжение сети U1 = 220 В; - номинальное напряжение нагрузки Ud= 50 В; - номинальный ток нагрузкиId = 0,6 А; - частота питающего напряжения f = 50 Гц. Необходимо выбрать тип вентилей, трансформатора, рассчитать параметры фильтра. Осуществить моделирование работы выпрямителя в среде Multisim. Схема однофазного мостового выпрямителя с LC-фильтром приведена на рисунке 1.3.  Рисунок 1.3 – Схема однофазного мостового выпрямителя с индуктивно-емкостным LC-фильтром Переменное синусоидальное напряжение сети с действующим значением U1 подается на первичную обмотку однофазного трансформатора TV1, где понижается вторичной обмоткой до уровня U2. Мостовой выпрямитель, собранный на диодах VD1.. VD4, осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное пульсирующее. Положительную полуволну напряжения пропускают диоды VD1, VD4, а отрицательную – VD2, VD3. Направление тока Idостаётся постоянным. LC-фильтр, собранный на элементах LфиCф , осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Для однофазного мостового выпрямителя среднее значение прямого тока через вентиль (выпрямительный диод) определяется как  А.Обратное максимальное напряжение на вентиле равно:  В.Выбираем вентили (выпрямительные диоды) 1N4934 (приложение А) c параметрами: – максимальный прямой ток Iпр max=1A > Iа=0,3 A; – максимально допустимое обратное напряжение Uобр max = 100 В >Uа обр. max = 78,5 В; – максимальное напряжение в открытом состоянии Uпр max=1,1 В. Для однофазного мостового выпрямителя действующее значение вторичного напряжения равно:  В.Расчётная мощность трансформатора для мостового выпрямителя определяется как  В∙А.где Pd - номинальная мощность нагрузки:  Вт.Выбираем трансформатор (приложение В) ТПП 271-127/220-50:  В∙А >  В∙А.При последовательном соединении вторичных обмоток А, Б, В, Г получаем напряжение U2 = 9,95 + 10 + 20 + 20 = 59,95 В. Тогда коэффициент трансформации  Коэффициент пульсации на выходе однофазного мостового выпрямителя Кп =0,67. Требуемый коэффициент пульсации Кн = 0,007. Тогда коэффициент сглаживания фильтра равен:  Для LC–фильтра  Гн∙Ф, где m– число пульс выпрямленного напряжения за период, m=2 для однофазной двухполупериодной схемы выпрямления. Зададимся  мкФ из стандартного ряда Е24 (приложение Б). Тогда Гн.Параметры фильтра  мкФ,  Гн удовлетворяют условиям эффективной работы: ;  . ;  .Для проверки правильности расчётов осуществим моделирование работы выпрямителя в среде Multisim. Модель однофазного неуправляемого мостового выпрямителя без фильтра приведена на рисунке 1.4.  Рисунок 1.4 – Модель мостового выпрямителя без фильтра Сопротивление нагрузки определили по формуле  Ом.Результаты моделирования выпрямителя без фильтра: U2= 59,920 В, Id= 0,625 А , Ud = 52,043 В (задано Ud = 50 В), что соответствует условию задачи. Осциллограммы напряжений приведены на рисунке 1.5.  Рисунок 1.5 – Осциллограммы напряжения u2 на вторичной обмотке трансформатора и напряжения на нагрузке ud Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя  ,где U1m – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Находим по показаниям анализатора спектра XSA1 на частоте 100 Гц (рисунок 1.6). Полученный коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя соответствует теории Кп=0,67.  Рисунок 1.6 – Определение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя без фильтра Модель однофазного неуправляемого мостового выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 1.7.  Рисунок 1.7 – Модель мостового выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром Результаты моделирования выпрямителя с LC- фильтром: U2= 59,920 В, Id= 0,659 А , Ud = 54,859 В (задано Ud = 50 В), что близко к условию задачи. Осциллограммы напряжений приведены на рисунке 1.8.  Рисунок 1.8 – Осциллограммы напряжения u2 на вторичной обмотке трансформатора нагрузке и напряжения на нагрузке ud при использовании LC- фильтра Коэффициент пульсаций на нагрузке  ,где U1m – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Находим по показаниям анализатора спектра XSA1 на частоте 100 Гц (рисунок 1.9). Полученный коэффициент пульсаций на нагрузке соответствует заданному КН=0,007. Следовательно, расчёт выпрямителя выполнен правильно.  Рисунок 1.9 – Определение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя с фильтром |