02 Электроника. Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники омск 2007 Министерство транспорта Российской Федерации
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
В. В. ХАРЛАМОВ, Р. В. СЕРГЕЕВ, П. К. ШКОДУН МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ЗАНЯТИЯМ ПО КУРСУ ЭЛЕКТРОНИКИ ОМСК 2007 Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения __________________ В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ЗАНЯТИЯМ ПО КУРСУ ЭЛЕКТРОНИКИ Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к выполнению расчетно-графических работ студентами 3-го курса О  мск 2007УДК 621.38 ББК 32. 852 Х20 Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники / В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун. 2-е изд., перераб.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 44 с. Методические указания содержат варианты заданий и примеры расчета по основным разделам темы «Электротехника и основы электроники». Приведены краткие теоретические сведения по расчету параметров и характеристик выпрямителей и транзисторов, а также по синтезу логических схем. Указания предназначены для студентов 3-го курса неэлектротехнических специальностей (150700 (190301) – «Локомотивы», 150800 (190302) – «Вагоны», 120100 (151001) – «Технология транспортного машиностроения», 100700 (140104) – «Промышленная теплоэнергетика») очного и заочного обучения и могут быть использованы при выполнении самостоятельных и курсовых работ. Библиогр.: 7 назв. Табл. 16. Рис. 21. Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Горюнов; канд. техн. наук, доцент Н. Н. Баженов. _______________________ © Омский гос. университет путей сообщения, 2007 ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ Одним из основных видов учебной работы студентов при изучении «Электротехники и основ электроники» является самостоятельная работа с учебной литературой. Эта работа начинается с изучения теории по учебнику, после чего по данной теме следует разобрать решение задач, приведенных в рекомендованных учебниках и задачниках, и несколько задач решить самостоятельно, так как решение задач помогает лучшему пониманию изучаемых вопросов и закреплению в памяти основных положений и соотношений теории изучаемой специальности. Затем следует приступить к выполнению задания. Результаты работы оформляются в виде пояснительной записки в соответствии с действующим стандартом предприятия на одной стороне листа формата А4. Условие задачи формулируется полно и четко. Основные положения решения поясняются и иллюстрируются схемами, чертежами и т. д. Графическая часть работы выполняется аккуратно с помощью чертежного инструмента со строгим соблюдением стандартов на условные графические обозначения. Методические указания содержат минимально необходимые сведения о принципе действия, основных параметрах и методах расчета выпрямителей, транзисторных усилителей и логических комбинационных схем. Для более глубокого изучения этих основополагающих вопросов курса электроники следует воспользоваться рекомендуемой литературой [1–7]. Авторы выражают искреннюю благодарность профессору В. Н. Горюнову и доценту Н. Н. Баженову за их труд по рецензированию настоящих методических указаний. 1. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы: расчет выпрямителя для питания промышленной установки. В качестве исходных данных используются номинальное значение выпрямленного напряжения Ud н и выпрямленного тока Id н, номинальное напряжение питающей сети U1 и его частота f1, значение коэффициента пульсаций kп вых. Общие требования: напряжение сети Uс= 220 В, частота сети fс= 50 Гц. Остальные исходные данные выбираются по своему варианту из табл. прил. 1. В процессе выполнения задания необходимо: 1) выбрать схему выпрямителя и фильтра; 2) рассчитать режимы работы элементов; 3) определить тип вентиля, параметры трансформатора; 4) рассчитать значения элементов сглаживающего фильтра; 5) построить внешнюю характеристику выпрямителя. Пояснительная записка должна включать в себя следующие разделы: титульный лист, задание, расчетную часть, полную принципиальную схему выпрямителя и его внешнюю характеристику. 1.1. Краткие теоретические сведения Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от числа фаз переменного напряжения различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 1.  Рис. 1. Структурная схема выпрямителя Выпрямитель содержит трансформатор Т, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки; вентильную группу В, которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение U2 преобразуется в пульсирующее; фильтр Ф, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения. Выпрямитель может быть дополнен схемой стабилизации, подключаемой к выходу фильтра и предназначенной для поддержания напряжения на нагрузке неизменным при изменении напряжения U2 на трансформаторе. Основными показателями работы выпрямителя являются средние значения выпрямленного тока Id и напряжения Ud:  , (1) , (2)где T – период изменения выходного тока (напряжения); мощность нагрузочного устройства  ; (3)коэффициент пульсаций  , (4)где Uосн m – амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения; коэффициент использования вентилей по напряжению  , (5)где Uобр т – максимальное обратное напряжение на вентиле; Uобр доп – допустимое обратное напряжение вентиля; коэффициент использования вентиля по току  , (6)где Iа – среднее значение тока, протекающего через диод, Iан – номинальное значение тока вентиля; типовая мощность трансформатора  , (7)где  ,  ;коэффициент полезного действия  , (8)где Pтр и Pд – потери в трансформаторе и диодах. Основной характеристикой выпрямителя, как и любого источника питания, является внешняя (нагрузочная) характеристика Ud= f(Id). Она позволяет определить номинальное значение выпрямленного напряжения и выходное сопротивление выпрямителя  . (9)Свойства выпрямителя в значительной степени зависят от характера нагрузки на его выходных зажимах, которая может быть активной (омической), начинающейся с индуктивности и начинающейся с емкости. Однофазная мостовая схема (рис. 2) строится на однофазном трансформаторе Т. Диодная группа образует мост, к одной диагонали которого подводится переменное напряжение, а в другую диагональ включается нагрузка. Диоды работают парами поочередно (рис. 3): в положительные полупериоды напряжения U2 ток проводят диоды VD2 и VD3, иначе – диоды VD1 и VD4.
Через нагрузку протекает пульсирующий ток в оба полупериода напряжения u2. Преимуществами данной схемы выпрямления (по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления) являются увеличение среднего значения выпрямленного тока и напряжения в два раза и значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, при этом значение обратного напряжения на закрытых диодах такое же, как и в однополупериодной схеме выпрямления. Схемы выпрямления трехфазного тока применяются в основном для питания потребителей большой и средней мощности. Они равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора, низким уровнем пульсаций. Ниже рассматриваются две часто применяемые схемы. Трехфазные выпрямители с нейтральным выводом строятся на трехфазном трансформаторе (рис. 4), вторичные обмотки которого соединяются «звездой». Нагрузка включается между объединенными катодами диодов и нулевой точкой трансформатора. Из временных диаграмм (рис. 5) видно, что диоды проводят ток поочередно, каждый – в течение одной трети периода, когда потенциал начала одной фазы более положителен, чем двух других. Два других диода в этот период закрыты.
Такая схема нашла применение на средних мощностях (Pd > 1 кВт) при невысоких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Достоинство такого выпрямителя – высокая надежность (минимальное число диодов) и низкое значение kп (по сравнению с однофазной схемой выпрямления). Недостаток схемы – подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что приводит к снижению его КПД. Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 6) можно рассматривать как два трехфазных выпрямителя, соединенных последовательно. Первый содержит диоды VD1, VD3, VD5, второй – диоды VD2, VD4, VD6. В результате среднее значение выпрямленного напряжения в два раза превышает напряжение в трехфазной схеме с нулевым выводом. Ток в нагрузке и двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение. Из временных диаграмм (рис. 7) видно, что в интервале времени t1 – t2 открыты диоды VD1, VD4, t2 – t3 – VD1, VD6, t3 – t4 – VD3, VD6 и т. д. Продолжительность работы каждого из диодов составляет 1/3 периода. Схема Ларионова обеспечивает наилучшие показатели использования трансформатора и диодов, дает минимальное значение коэффициента пульсаций и получила высокое распространение. Основные параметры рассмотренных схем выпрямления приведены в табл. 1.
Обязательной принадлежностью выпрямителя является сглаживающий фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую выпрямленного напряжения и снижающий его пульсации. Основным параметром, характеризующим работу сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания S. Он равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра  . (10)Простейшими фильтрами являются конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр, рис. 8, а), и дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (индуктивный фильтр, рис. 8, б). Таблица 1 Параметры типовых выпрямительных схем при активной нагрузке
Пульсации на выходе емкостного фильтра определяются постоянной разряда конденсатора  , поэтому такие фильтры целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором при небольшой мощности выпрямителя.
Рис. 8. Однополупериодный выпрямитель с различными фильтрами Эффективность индуктивного фильтра зависит от его постоянной времени  . Длительность импульса тока увеличивается с ростом . Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра . (11)Чем больше значение Lф или меньше Rн, тем эффективнее фильтр. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощности с малым значением сопротивления нагрузки. Если необходимо обеспечить коэффициент сглаживания 20 < S < 40, применяют Г-образные (LC-, RC-типа) (рис. 9) и многозвенные П-образные фильтры.
Рис. 9. Г-образные фильтры: а – LC-фильтр; б – RC-фильтр В Г-образном LC-фильтре переменная составляющая выпрямленного напряжения снижается из-за сглаживающего действия Cф и падения ее на Lф. Постоянная составляющая на нагрузке Rн практически не уменьшается, так как активное сопротивление дросселя мало. Сопротивление конденсатора  должно быть значительно меньше Rн, а сопротивление дросселя  . Коэффициент сглаживания определяется по формуле: . (12)В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузки Rн составляет несколько килоом, вместо Lф целесообразно включать Rф, что позволяет уменьшить массу, габариты и стоимость фильтра. Поскольку при этом несколько снижается напряжение на нагрузке, значение сопротивления Rф выбирают из соотношения:  ; (13) . Для RC-фильтра коэффициент сглаживания меньше, чем для LC-фильтра, и определяется он по формуле:  . (14) П-образный фильтр (рис. 10) представляет собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров. Следовательно, коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания соответствующих фильтров:  , (15)где Sc и Sг – коэффициенты сглаживания емкостного и Г-образного фильтров.
Рис. 10. Многозвенные П-образные фильтры При сопротивлении нагрузки в несколько килоом используется CRC-фильтр (рис. 10, а), при малом Rн – CLC-фильтр (рис. 10, б).  Внешней характеристикой выпрямителя (рис. 11) называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем: Ud= f(Id). В реальном выпрямителе значения сопротивления диодов и обмоток трансформатора не равны нулю, поэтому на этих сопротивлениях создается падение напряжения.В результате для выпрямителей без фильтра (см. рис. 11, прямая 1) зависимость Ud= f(Id) описывается следующим уравнением:  , (16)где Ud х.х – напряжение холостого хода выпрямителя; Rпр – сопротивление открытых вентилей выпрямителя, включенных последовательно с нагрузкой; Rт – активное сопротивление обмотки трансформатора. В выпрямителях с емкостным фильтром (см. рис. 11, кривая 2) внешняя характеристика берет начало из точки  , так как при Id = 0 конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. С ростом тока Id кривая 2 спадает быстрее из-за уменьшения постоянной времени  .В случае использования индуктивного сглаживающего фильтра добавляется падение напряжения на внутреннем сопротивлении дросселя rдр и учитывается падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки рассеяния xs:  , (17)где  , а параметры а и b приведены в табл. 2.Внешняя характеристика выпрямителя с Г-образным RC-фильтром (см. рис. 11, кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2, из-за дополнительного падения напряжения на последовательно включенном резисторе Rф. Таблица 2 Параметры схем выпрямления
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 6. Трехфазный мостовой выпрямитель
Рис. 7. Диаграммы токов и напряжений
