ЛР1_ЭП. Лабораторная работа 1 Тема работы исследование однофазных полупроводниковых выпрямителей цель работы
 Скачать 433.5 Kb.
|
1 2 Лабораторная работа №1 Тема работы: «ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ» ЦЕЛЬ РАБОТЫ Получение практических навыков по исследованию однофазных одно- и двухполупериодных схем выпрямления и сглаживающих LC-фильтров ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Выпрямителем называют устройство, служащее для преобразования переменных напряжения и тока в постоянные, которые необходимы для питания ряда электронных устройств. О  бобщённая структурная схема однофазного выпрямителя на полупроводниковых приборах, состоящая из трансформатора, выпрямительного блока, сглаживающего фильтра и стабилизатора, приведена на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Обобщённая структурная схема однофазного выпрямителя на полупроводниковых приборах Трансформатор Тр предназначен для согласования входного (сетевого) напряжения u1 и выходного (выпрямленного)uн напряжения нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию выпрямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (тока) в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрямителя необходим блок управления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения uн. В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживающий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебаниях напряжения сети и при изменении сопротивления нагрузки. В зависимости от условий работы и предъявляемых требований к выпрямителю отдельные его узлы могут отсутствовать. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью нелинейных элементов с несимметричной ВАХ, обладающих вентильными свойствами (односторонней проводимостью). Это свойство характерно для электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов. В данной работе будут исследоваться выпрямители на полупроводниковых приборах, которые в настоящее время находят наибольшее применение. Идеальный электрический вентиль не имеет потерь, его сопротивление в проводящем направлении от анода А к катоду К (рисунок 1.2) равно нулю, в непроводящем бесконечности, т. е. ВАХ имеет вид 2 в отличие от ВАХ 1 реального вентиля. Простейшие вентили (диоды) являются неуправляемыми, а вентили (тиристоры, транзисторы, электронные лампы), имеющие третий (управляющий) электрод, составляют широкий класс управляемых вентилей. С учетом рассмотренных типов вентилей и предъявляемых требований к качеству напряжения питания нагрузочных устройств, строят различные схемы выпрямления, т. е. устройства, называемые выпрямителями. Классификационные признаки выпрямителей: неуправляемые (Uн= const) и управляемые (Uн= var); однотактные и двухтактные; однофазные и многофазные (чаще трехфазные); малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности; низкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.  Рисунок 1.2 ВАХ реального (1) и идеального (2) вентиля Основные параметры выпрямителя: Uср (Iср) среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки; Um.ог амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения; qn = Um.ог/Uср коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; S мощность трансформатора (в вольтамперах ВА или в киловольтамперах кВА); Iпр.ср прямой средний ток вентиля; Uпр.ср среднее напряжение (менее 2 В) на вентиле при токе Iпр.ср; Uобр.max и Iпр.max максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля. 2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ Мощность однофазных неуправляемых выпрямителей переменного тока колеблется от десятков до нескольких сотен ватт. Основными схемами однофазных выпрямителей являются: однополупериодная и двухполупериодная (мостовая или со средней точкой). Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рисунок 1.3, а) с активной нагрузкой является простейшей из известных схем выпрямления. Она состоит из силового трансформатора Тр, одного вентиля (диода) VD и нагрузки Rн. Первичная обмотка трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением u1; к вторичной обмотке с напряжением u2 последовательно подключены диод VD и нагрузка (резистор Rн). Временные диаграммы напряжения u2 вторичной обмотки трансформатора, напряжения на нагрузке uн и на вентиле ud представлены на рисунке 1.3, б, в и г.  Рисунок 1.3 - Однофазная однополупериодная схема выпрямления, временные диаграммы токов и напряжений Ток iн в нагрузке протекает только при положительной полуволне вторичного напряжения u2 трансформатора, т. е. когда напряжение на аноде диода более положительное, чем на его катоде. При этом напряжение на диоде Uпр < 2 В. При отрицательной полуволне u2 диод закрыт, максимальное обратное напряжение на диоде Uобр.max U2m. Ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод синусоидального напряжения, отсюда название выпрямителя – однополупериодный. Среднее выпрямленное напряжение и ток за период  .Амплитуда Um.ог основной гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,  Тогда коэффициент пульсации  Однофазные полупроводниковые выпрямители используют для питания устройств, требующих малого тока и высокого напряжения, например, для питания электронно-лучевых трубок, трубок рентгеновских аппаратов и др. К недостаткам этих выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД; малое значение выпрямленного напряжения (Uср 1/3U2m); высокий уровень пульсаций (qn = 1,57) и большое обратное напряжение на диоде (Uобр U2m). Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рисунок 1.4, а) состоит из трансформатора Тр и четырех диодов, собранных по мостовой схеме. Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ – с нагрузкой Rн. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов вентилей, отрицательным – точка соединения анодов. Временные диаграммы выпрямленного напряжения uн и тока iн приведены на рисунке 1.4, б.  Рисунок 1.4 - Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя В положительный полупериод синусоидального напряжения u2, когда точка 1 находится под положительным, а точка 2 под отрицательным потенциалами, ток i2' протекает через вентиль VD1, сопротивление нагрузки Rн и вентиль VD3. Вентили VD2 и VD4 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением. Во второй полупериод, когда в точке 1 вторичной обмотки отрицательный потенциал, а в точке 2 – положительный, ток i2'' протекает через вентиль VD2, резистор Rн и вентиль VD4 в направлении, указанном стрелками с одним штрихом. Вентили VD1 и VD3 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением. Таким образом, токи i2' и i2'', протекающие через нагрузку Rн, совпадают по направлению. Кривые напряжения и тока на нагрузке (см. рис. 1.4, б) повторяют (при прямом напряжении на диодах Uпр 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения U2m. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока (постоянные составляющие):   , где  Амплитуда основной (второй) гармоники выпрямленного напряжения, определенная из разложения в ряд Фурье,  Тогда коэффициент пульсации  Обратное напряжение на вентиле  В двухполупериодной схеме выпрямления в сравнении с однополупериодной значительно лучше используется трансформатор, меньше коэффициент пульсации (qп 0,67), хотя его величина остается значительной. 3. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ Требования к уровню пульсации питающего электронную аппаратуру напряжения очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации qn для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1…2 %, однотактных усилителей 0,1…0,5 %, а усилителей промежуточной частоты – 0,01…0,05 %. Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие. Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания kc, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя qn (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке qn1 (после фильтра), т. е.  Различают пассивные и активные сглаживающие фильтры. Принцип работы пассивных LC-фильтров основан на способности индуктивных катушек (дросселей) и конденсаторов изменять свои сопротивления при изменении частоты протекающего через них тока. На рисунке 1.5 приведены схемы простейших однофазных сглаживающих LC-фильтров широкого применения. Ёмкостный фильтр С (рисунок 1.5, а) включается параллельно высокоомной нагрузке Rн, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока. Сглаживание пульсаций напряжения и тока нагрузки происходит за счёт периодической зарядки конденсатора С фильтра (когда напряжение uв > uС) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки при uв < uС.    Рисунок 1.5 - Схемы простейших однофазных сглаживающих LC-фильтров широкого применения Временные диаграммы выпрямленного напряжения uв двухполупериодного выпрямителя и напряжения на нагрузке uн, поясняющие принцип действия C-фильтра, изображены на рисунке 1.6, а.   Рисунок 1.6 – Временные диаграммы Требуемая ёмкость конденсатора фильтра при заданном коэффициенте пульсации qn1: для однополупериодной схемы выпрямления С 2/(qn1Rн); для двухполупериодной схемы выпрямления С 1/(2qn1Rн), где угловая частота напряжения u2 трансформатора. Коэффициент пульсации обычно выбирается в диапазоне qn1 = 0,01…0,1. Пусть qn1 = 0,1 и Rн = 320 Ом. Тогда С 2/(0,1314320) 200 мкФ для однополупериодной и С 50 мкФ для двухполупериодной схемы выпрямления. Одноэлементный L-фильтр (рисунок 1.5, б) включают последовательно с нагрузкой Rн. При нарастании выпрямленного напряжения и тока нагрузки iн магнитная энергия запасается в индуктивном элементе L (дросселе). При снижении напряжения uв ток в нагрузке поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе (рисунок 1.6, б). Коэффициент сглаживания L-фильтра  Из этого выражения следует, что в мощных выпрямителях (когда сопротивление Rн мало) L-фильтр действует наиболее эффективно. Требуемая индуктивность дросселя при заданном коэффициенте kc  где п – номер основной гармоники выпрямленного напряжения uв. Например, при заданном коэффициенте kc = 10 и Rн = 10 Ом требуемая индуктивность дросселя L kcRн/(n) = 1010/314 = 0,32 Гн для однополупериодной и L 0,16 Гн для двухполупериодной схемы выпрямления. В LC-фильтре (рисунок 1.5, в) конденсатор шунтирует нагрузку по переменной составляющей  , а сопротивление дросселя XL по переменной составляющей должно быть значительно больше сопротивления Zпар параллельно соединенных элементов Rн и XC. Приняв Zпар = XC , коэффициент сглаживания LC-фильтра Тогда для расчёта L и C получаем  Из этого равенства находят L, задаваясь С, или находят С, задаваясь L. Если при расчёте LC-фильтра мощного выпрямителя получают слишком большие значения индуктивности (L > 100 Гн) дросселя и ёмкости (С > 150 мкФ) конденсатора, то применяют двухзвенный СRC-фильтр: одноэлементное C1-звено и Г-образное RC-звено (рисунок 1.5, г), у которого  ,где kc1 и kc2 – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев. Активное сопротивление R и ёмкость С RC-фильтра:  ;  ;  .Для получения лучшего сглаживания выходного напряжения после С-фильтра обычно включают дополнительное Г-образное LC-звено. Получившийся П-образный СLС-фильтр (рисунок 1.5, д) рассчитывают как двухзвенный: .Пусть Rн = 320 Ом;  и  Тогда для однополупериодной схемы выпрямления  200 мкФ, а  =  с2. Зададим С2 = 100 мкФ. Отсюда L =  1,12 Гн. Для двухполупериодной схемы выпрямления при С2 = 100 мкФ требуемая индуктивность дросселя L 0,28 Гн. УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ Задание 1. Запустить лабораторный комплекс среду МS10. На рабочем поле среды MS10 собрать схему бестрансформаторного однофазного мостового неуправляемого выпрямителя (рис. 1.7) или открыть файл ЛР1.ms10, размещённый в папке Circuit Design Suite 10.0 среды МS10.  Рисунок 1.7 - Виртуальная модель бестрансформаторного однофазного мостового неуправляемого выпрямителя 1.1. Подготовить схему к проведению исследований. С этой целью: установить параметры компонентов схемы, указанные на рис. 1.7: амплитуду ЭДС источника напряжения Е1m = 14,142 В (действующее значение Е1 = 10 В), частоту ЭДС f = 50 Гц, начальный угол сдвига фазы e = 0; режим AC работы вольтметра V и режим DC работы вольтметра V1 и амперметра А1; разомкнуть ключи Q, A и B и замкнуть ключ W, сформировав, тем самым, однополупериодный выпрямитель при работе на нагрузку R2 (R2 = = 320 Ом) без сглаживающего фильтра с параметрами: C1 = 200 мкФ, L = = 1 Гн и C2 = 100 мкФ; подключить к соответствующим узлам схемы входы двухлучевого осциллографа XSC1 (для наблюдения и регистрации формы напряжения нагрузки uн и формы напряжения c выхода источника INUT, идентичной форме тока iв на выходе выпрямительного блока при коэффициенте передачи k = 1 Ом) и спектроанализатора XSA1 (для построения спектра напряжения uн и измерения амплитуды Um.ог его основной гармоники). Ориентировочные параметры настройки приборов XSС1 и XSA1 приведены на рис. 1.8;  Рисунок 1.8 - Результаты моделирования однофазного мостового неуправляемого выпрямителя скопировать изображение схемы выпрямителя (см. рис. 1.7) на страницу отчёта; 1.2. Провести моделирование процессов, происходящих в однополупериодном выпрямителе. Для этого: запустить программу MS10 и после окончания моделирования спектра Umk(f) напряжения нагрузки uн, т. е. после вывода на экран прибора XSA1 значения Resolution Freq. = 2…5 Гц (см. обведенное эллипсом значение 5 Hz на рис. 1.8, б), занести показание (Ucp) вольтметра V1 и показание (Icp) амперметра А1 в первую строку табл. 1.1; Т а б л и ц а 1.1 - Результаты исследований однополупериодного выпрямителя
задать на экране осциллографа XSС1 размер осциллограмм напряжения uн и тока iв, равные 0,4…0,5 шкалы по вертикали и не более двух-трёх периодов их изменения по горизонтали; установить визирную линию на максимальное значение U2m напряжения uн и занести его значение в табл. 1.1; скопировать изображение осциллограммы напряжения uн на страницу отчёта (см. рис. 1.8, а и рис. 1.9, а); установить визирную линию на экране спектроанализатора XSA1 на частоте основной гармоники выпрямленного напряжения f = 50 Гц (см. рис. 1.8, б) и занести значение амплитуды основной гармоники Um.ог в табл. 1.1. Вертикальный размер амплитуд напряжения на спектральной диаграмме Umk(f) можно регулировать с помощью закладки Range (см. обведённое эллипсом заданное значение 1 В/дел на рис. 1.8, б); замкнуть ключ A, подключив, тем самым, С1-фильтр к нагрузке R2. Запустить программу MS10 и выполнить измерительные процедуры, перечисленные в предыдущих абзацах п. 1.2. Осциллограммы напряжения uн и тока iв однополупериодного выпрямителя с С-фильтром приведены на рис. 1.9, б;  Рисунок 1.9 - Осциллограммы напряжения uн и тока iв однополупериодного выпрямителя разомкнуть ключ W и замкнуть ключ В (сформировав, тем самым, СLC-фильтр и подключив его к нагрузке R2). Запустить программу MS10 и выполнить необходимые измерительные процедуры, перечисленные в предыдущих абзацах п. 1.2. Осциллограммы напряжения uн и тока iв однополупериодного выпрямителя с СLС-фильтром показаны на рис. 1.9, в; рассчитать коэффициенты пульсации qп, qп1, qп2 выходного напряжения и коэффициенты сглаживания kc1 и kc2 однополупериодного выпрямителя; занести их значения в табл. 1.1; Задание 2. Исследовать схему двухполупериодного (мостового) неуправляемого выпрямителя при работе без сглаживающего фильтра и с фильтрами С- и СLC-типа. С этой целью, замкнув ключ Q (посредством нажатия клавиши Q клавиатуры), провести эксперименты, аналогичные экспериментам, описанным в Задании 1, в том числе: скопировать три осциллограммы выходного напряжения uн (без фильтра и с фильтрами С- и CLC-типа) (см. рис. 1.10) на страницу отчёта;  Рисунок 1.10 - Осциллограммы напряжения uн и тока iв двухполупериодного выпрямителя записать показания приборов V1, А1, XSС1 и XSA1 в табл. 1.2 при запусках программы MS10 и окончании процессов моделирования, учитывая, что основная гармоника схемы двухполупериодного выпрямления имеет частоту f = 100 Гц; Т а б л и ц а 1.2 - Результаты исследований однополупериодного выпрямителя
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА 1. Наименование и цель работы. 2. Перечень приборов, использованных в экспериментах, с их краткими характеристиками. 3. Изображения электрических схем испытания выпрямителей и осциллограмм напряжения uн на нагрузке. 4. Таблицы результатов измерений и расчётов. 5. Расчётные формулы. 6. Выводы по работе. 1 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||