Теорія ел і ел Турба Юдачов_ч2. Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму для студентів здіа спеціальності 90804 Фізична та біомедична електроніка
 Скачать 1.8 Mb.
|
Трифазна схема випрямляння з нульовим дротом.Схема трифазного випрямляча з нульовим дротом показана рис 6.1.  Рисунок 6.1 - Схема трифазного випрямляча з нульовим дротом Трифазна схема випрямляння з нульовим дротом містить трифазний трансформатор, 3 вентилі і навантаженняRH. Вторинна обмотка обов'язково з'єднується «зіркою». На рисунке 6.2 зображена напруга трифазної системи вторинних обмоток трансформатора. У момент t, коли U2Aпозитивно, а U2B и U2C негативні, струм проходитиме тільки через вторинну обмотку і VD1. Миттєве значення цього струму:  (4.15)Унаслідок протікання струму, потенціал катода VD1 буде рівний потенціалу його анода, тобто U2A. Оскільки катоди вентилів всіх фаз об'єднані, то потенціали катодів VD2 і VD3 теж будуть рівніU2A.  Рисунок 6.2 – епюри напруги і струмів в схемі трифазного випрямляча з нульовим дротом Тому поки напруга фазB і C менше напругиU2A, вентилі VD2 і VD3 не проводитимуть струм. У момент t2напруга U2A стає рівноюU2В і вентильVD2 починає проводити струм, напрям якого в навантаженні співпадає з напрямом струму в попередню третину періоду. К VD1 прикладена негативна напруга (U2A< U2В) і він виявляється закритим. Точно також в моментt3 відкритим стаєVD3, а VD2 - закритим. крапки (t1, t2, t3) називаються точками комутації. Таким чином, завжди працює той вентиль, анод якого знаходиться під найбільш позитивним потенціалом. Вентиль працює 1/3 періоду. Струми вентилів складаються в струм навантаження (  ).Напруга на вентилі в провідну частину періоду рівна нулю. У решту часу (2/3 періоду) напруга на аноді визначається потенціалом цієї фази, а на катоді - потенціалом фаз провідних вентилів, тобто (струм проводитьVD2) (струм проводитьVD3)Максимальна зворотна напруга на вентилі рівна амплітуді лінійної напруги, тобто  (4.16)Постійна складова випрямленої напруги:  (4.17)Максимальний струм діода:  (4.18)Форма струму у вторинній обмотці трансформатора співпадає з формою струму вентиля. Струм в первинній обмотці має ту ж форму, але без постійної складової. Частота пульсацій в 3 рази вища за частоту мережі. Коефіцієнт пульсації:  (4.19)Основним недоліком трифазної схеми є наявність потоку вимушеного намагнічення трансформатора, що створюється струм некомпенсованій постійній складовій, який протікає через вторинну обмотку. Трифазна мостова схема (схема Ларіонова)Схема трифазного випрямляча (мостова схема) показана на рис 6.3.  Рисунок 6.3 - Схема трифазного мостового випрямляча (схема Ларіонова) У схемі трифазного мостового випрямляча шість вентилів в схемі об'єднані в дві групи: анодну (VD1, VD3, VD5) і катодну (VD2, VD4, VD6). Обмотки трансформатора можуть бути сполучені «зіркою» або «трикутником». Всі вентилі працюють попарно: один з анодної групи і один з катодної. У катодній групі струм проводить той вентиль, анодна напруга якого більше, а в анодній - той, який має найбільш негативний потенціал на катоді. На схемі для моменту t показано напрям струму. Зміна пар вентилів відбувається через 1/6 періоду. Струм через навантаження тече в одному напрямі:  (2,3 вентилі відкриті) (2,5 вентилі відкриті)Середнє значення струму у вентилі Ia = (1/3) I0 (6.2) Позитивні півхвилі синусоїди випрямляються вентилями катодної групи, оскільки цей напрям напруги є для них провідним. Негативні півхвилі випрямляються вентилями анодної групи. В результаті до навантаження виявляється прикладеною сума випрямлених напружень анодної і катодної груп. Миттєві значення напружень цієї суми представляють різницю фазних напружень, тобто лінійна напруга фаз вторинної обмотки, що чергуються, томуU0більше лінійної напруги трансформатора. Епюри напружень і струмів мостової трифазної схеми випрямляча приведені на рис.6.4. Середнє значення випрямленої напруги:   (6.3)Величина U0 в два рази вище, ніж в однотактній трифазній схемі. Максимальна зворотна напруга, як і в однотактній трифазній схемі, рівна амплітуді лінійної напруги:  (6.4) Рисунок 6.4 - Епюри напружень і струмів мостової трифазної схеми випрямляча Струм вторинної обмотки змінний, тому немає потоку вимушеного намагнічення трансформатора. Частота основної гармоніки  ;  , Коефіцієнт пульсації:  (4.23)Переваги трифазної схеми:
Недолік: 6 вентилів і, як наслідок, великі втрати у випрямлячі. 6.4 Порядок виконання роботи 1. Запустити на комп'ютері програму Electronics Workbench. 2. Зібрати в програмі Electronics Workbench схему відповідно до рис.6.5. Увага: при побудові схем слід встановити параметри вольтметра V1 як вольтметра постійного струму, а параметри вольтметра V2 як вольтметра змінного струму.  Рисунок 6.5 – Схема для дослідження випрямляча з нульовим дротом Об’єктом дослідження є схема трифазного випрямляча з нульовим дротом, яка утворюється із джерел напруги E1, E2, E3 конденсатора фільтра С1, напівпровідникових діодів VD1, VD2, VD3 (нелінійні елементи) та резистора R1 (навантаження випрямляча). Перемикач (ключ) К1 забезпечує комутацію конденсатора фільтру. Осцилограф дає можливість організувати спостереження осцилограм і вимірювання напруги на різних ділянках ланцюга. 13. Для дослідження схеми трифазного випрямляча з нульовим дротом за допомогою ключа К1 (натисненням клавіші «пробел» на клавіатурі) від’єднується конденсатор С1. Включити схему за допомогою перемикача  , або, натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися появи зображення на екрані віртуального осцилографа і замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги на виходе випрямляча. За осцилограмами визначити період пульсацій на виходе випрямляча. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т. Показання вимірювальних приладів занести в таблицю 6.1.Таблиця 6.1
14. Перевести ключ К1 у замкнуте положення, що дає можливість спостерігати осцилограми вихідної напруги при підключенні конденсатору фільтра С1. Включити схему за допомогою перемикача , або, натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. дочекавшись появи зображення на екрані віртуального осцилографа, замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги на конденсаторі С1. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т. За осцилограмами визначити період пульсацій на виходе випрямляча. Показання вимірювальних приладів занести в таблицю 6.1. провести розрахунок коефіцієнтів пульсацій для схемі з конденсатором С1 і без нього. По осцилограмах переконається що час заряду і розряду конденсатора С1 різні, визначити причину цього явища. Зробити висновок як впливає підключення конденсатора С1 на величину пульсацій на виході випрямляча.15. Зібрати в програмі Electronics Workbench схему відповідно до рис.6.5.  Рисунок 6.5 – Схема для дослідження трифазного мостового випрямляча (схема Ларіонова) Об’єктом дослідження є схема трифазного мостового випрямляча, яка утворюється із джерел напруги E1, E2, E3 конденсатора фільтра С1, напівпровідникових діодів VD1, VD2, VD3 V4, V5, V6 (нелінійні елементи) та резистора R1 (навантаження випрямляча). Перемикач (ключ) К1 забезпечує комутацію конденсатора фільтра. Осцилограф дає можливість організувати спостереження осцилограм і вимірювання напруги на різних ділянках ланцюга. 16. Для дослідження схеми трифазного мостового выпрямителя за допомогою ключа К1 (натисненням клавіші «пробел» на клавіатурі) від’єднується конденсатор С1. Включити схему за допомогою перемикача , або, натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися появи зображення на екрані віртуального осцилографа і замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги на виходе випрямляча. За осцилограмами визначити період пульсацій на виходе випрямляча. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т. Показання вимірювальних приладів занести в таблицю 6.2.Таблиця 6.2
17. Перевести ключ К1 у замкнуте положення, що дає можливість спостерігати осцилограми вихідної напруги при підключенні конденсатору фільтра С1. Включити схему за допомогою перемикача , або, натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. дочекавшись появи зображення на екрані віртуального осцилографа, замалювати осцилограми вхідної напруги і напруги на конденсаторі С1. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т. За осцилограмами визначити період пульсацій на виходе випрямляча. Показання вимірювальних приладів занести в таблицю 6.2. провести розрахунок коефіцієнтів пульсацій для схемі з конденсатором С1 і без нього. По осцилограмах переконається що час заряду і розряду конденсатора С1 різні, визначити причину цього явища. Зробити висновок як впливає підключення конденсатора С1 на величину пульсацій на виході випрямляча.6.5 Зміст звіту До звіту заносять: - тему та мету роботи; - принципову схему електричного кола, яке аналізується; - епюри струмів і напруги на окремих ділянках ланцюга досліджуваних схем; - необхідні розрахунки; - висновки по роботі. 6.6 Контрольні питання
Лабораторна робота № 7 Дослідження характеристик ліній з розподіленими параметрами 6.1 Мета роботи: одержати навики дослідження ліній з розподіленими параметрами в різних режимах роботи. 6.2 Зміст роботи: провести необхідні дослідження з використанням вимірювальної лінії для визначення характеристик лінії з розподіленими параметрами. 6.3 Короткі теоретичні відомості: У попередніх лабораторних роботах розглядалися електричні ланцюги, геометричні розміри яких, а також вхідних в них елементів не грали ролі, тобто електричні і магнітні поля були локалізовані відповідно в межах конденсатора і котушки індуктивності, а втрати потужності — в резисторі. Проте на практиці часто доводиться мати справу з ланцюгами (лінії електропередачі, передачі інформації і т.д.), де електромагнітне поле і втрати рівномірно або нерівномірно розподілені уздовж всього ланцюга. В результаті напруги і струми на різних ділянках навіть нерозгалуженого ланцюга відрізняються один від одного, тобто є функціями двох незалежних змінних: часу t і просторової координати x. Такі ланцюги називаються ланцюгами з розподіленими параметрами. Сенс даної назви полягає в тому, що у ланцюгів даного класу кожен нескінченно малий елемент їх довжини характеризується опором, індуктивністю, а між дротами — відповідно ємністю і провідністю. Тобто — якщо довжина лінії (ланцюги) і довжина хвилі сигналу, який передається по цьому ланцюгу, приблизно рівні, то вважається, що така лінія має розподілені параметри і називається довгою лінією. Для дослідження процесів в ланцюзі з розподіленими параметрами (інша назва — довга лінія) введемо додаткову умову про рівномірність розподілу уздовж лінії її параметрів: індуктивності, опору, ємності і провідності. Таку лінію називають однорідною. До таких ліній відносяться: двопровідна лінія (використовується в діапазоні частот до 30МГц), коаксіальна і полозкова лінії (використовуються в діапазоні частот до 300МГц), тракти передачі з хвилеводів (використовується в діапазоні частот більш 300МГц). Основними параметрами ліній передачі — коаксіального кабелю, полозкової лінії, хвилеводу, є: розподілені індуктивність, ємність, опір і провідність. Проте вимірювати погонні параметри незручно, та і не представляє практичного інтересу при експлуатації. Характеризувати тракт з погляду розповсюдження по ньому електромагнітної енергії можна по вторинних параметрах. До ним відносяться:
 , (7.1)де R, L, С, G — розподілені опір, індуктивність, ємність і провідність лінії.  На надвисоких частотах (НВЧ) R<<ωL і G<<ωС, тому хвилевий опір активно і дорівнює ZB = √L/C.Хвилевий опір ZB, Ом, коаксіальної лінії може бути обчислений за формулою:  (7.2)де ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; Dі d— діаметри зовнішнього і внутрішнього провідників. Для основної хвилі прямокутного хвилеводу ZB = 377 (λВ/λ0), де λв— довжина хвилі в хвилеводі; λ0— довжина хвилі у вільному просторі:  (7.3)де λкр — критична довжина хвилі, яка рівна для коливань типу Н10 подвоєному значенню розміру широкої стінки хвилеводу (λкр = 2а).
γ=δ+jβ (7.4) де δ — коефіцієнт загасання, що визначає втрати енергії в лінії на одиницю довжини; β — коефіцієнт фази, що визначає довжину хвилі в лінії і фазову швидкість розповсюдження (коефіцієнт β = 2π/λ, часто називають хвилевим числом). Якщо лінія навантажена на неузгоджений опір, тобто ZH≠ZB, то частина енергії, що розповсюджується в лінії, відображається від навантаження і в тракті НВЧ виникає як падаюча, так і відбита хвилі. Коефіцієнт віддзеркалення на навантаженні (в кінці лінії):  (7.5)де Епад — напруженість падаючої хвилі на навантаженні; Еотр — напруженість відбитої від навантаження хвилі; φ — фазове зрушення між Еотр і Ецад на навантаженні. Оскільки вся картина тих хвиль, що виникають в лінії без втрат, цілком визначається узгодженістю навантаження, то р = (ZH — p)/(ZH + р). (7.6) На рис. 6.1, а—ж, показано розподіл напруженості поля уздовж лінії для різних співвідношень ZB і ZH (режими роботи лінії).  Рисунок 6.1 — розподіл напруженості поля уздовж лінії для різних співвідношень ZB і ZH В точках максимуму Uпад і Uотр співпадають по фазі, в точках мінімуму вони протилежні: Emax = │Eпад│+│Eотр │ ; Emin = │Eпад │—│Eотр│. (7.7) Коефіцієнтом хвилі, яка біжить Kбв називають відношення Kбв=Emin/Emax, (7.8) а величина, зворотна Кбв називається коефіцієнтом стоячої хвилі Кст = 1/Кбв = Еmax/Еmin (7.9) Ці коефіцієнти однозначно пов'язані з модулем коефіцієнта віддзеркалення (ρ):  (7.10)У довільній точці лінії, віддаленої від початку відліку на відстані l=х, відношення напруженості відбитої хвилі до падаючої дорівнює:  (7.11)тобто повний опір в будь—якому перетині лінії, віддаленому від початку відліку на відстані l = х, визначаєтьсяспіввідношенням  (7.12)Якщо повний опір в якому—небудь перетині лінії відомий, то за допомогою цього співвідношення можна знайти повний опір в будь—якому іншому перетині лінії. Важливо також відзначити, що в точках мінімуму і максимуму напруженості електричного поля опір лінії чисто активний:  (7.13)Аналогічно Zmin== KбвZв Вимірювальна лінія. На рис. 7.2 показана конструкція вимірювальної лінії НВЧ.  Рисунок 7.2 – Пристрій вимірювальної лінії НВЧ Вона є відрізком хвилеводу 1, посередині широкої стінки, якого прорізає щілина 2, в яку занурений зонд 3. Зонд можна розглядати як штирьову приймальну антену, в активному опорі якої наводиться ЕРС від коливань, що розповсюджуються по лінії. Зонд є внутрішнім провідником відрізка короткозамкнутої коаксіальної лінії — камери зонда 4. Вона є резонатором, що настроюється на частоту коливань в лінії. Зонд має комплексний опір Z3, а вхідний опір короткозамкнутого відрізка коаксіальної лінії визначається відомим виразом: ZВХ = jZB tgβl, (7.14) де ZBХ — хвилевий опір; l — довжина відрізка; β = 2π/λ— коефіцієнт фази. Таким чином, ZBX може бути будь—яким реактивним +∞ до — ∞, залежно від довжини, яка змінюється короткозамикателем 5. При настройці камери зонда в резонанс з частотою коливань, що розповсюджуються в тракті, напруженість електромагнітного поля в камері в Q раз перевищить ЕРС, що наводиться в зонді, а добротність коаксіальних резонаторів достатньо велика (Q > 10 000). Коливання, що виникають в коаксіальному резонаторі камери зонда, поступають в другий коаксіальний резонатор — секцію детектора 6, яка також може настроюватися короткозамикателем 7, і через петлю зв'язку — до детектора 8. Зонд з елементами настройки і детекторною секцією конструктивно об'єднуються у вимірювальну головку, яка може переміщатися уздовж лінії. За допомогою шкали 9 проводять відлік положення зонда. Амплітуда ЕДС, наведеної в зонді, пропорційна амплітуді напруженості електричного поля в точці занурення зонда. Точна залежність струму в детекторі вимірювальної лінії від напруженості поля звичайно встановлюється експериментально. Це називається калібруванням детектора вимірювальної лінії. Приблизно можна вважати, що детектор працює на початковій ділянці своєї вольт—амперної характеристики і струм пропорційний квадрату напруженості поля в лінії. Вимірювання довжини хвилі. Вимірювання довжини хвилі зводиться до визначення відстані між двома сусідніми мінімумами напруженості електричного поля короткозамкнутої вимірювальної лінії. Ця відстань рівна l1— l2 = λВ/2 і, отже, λв = 2(l1—l2). Знаючи геометричні розміри хвилеводу, можна визначити λ0 і дізнатися частоту генератора, що живить лінію: f = c/λ0, (7.15) де с — швидкість світла у вакуумі, яка рівна 2,998 • 108 м/с ≈3 • 108м/с. Джерелом погрішності вимірювань є помилки при визначенні положення мінімуму за шкалою вимірювальної лінії, втрати на випромінювання і загасання в лінії, наявність неоднорідностей в тракті, вплив температури і вологості повітря. Вимірювання КСВ. Переміщаючи головку вимірювальної лінії, можна за свідченнями індикатора (приладу постійного струму) виявити картину розподілу напруженості поля уздовж вимірювальної лінії. Враховуючи квадратичність детектора,  (7.16)де Amin і Amax — свідчення індикатора в мінімумі і максимумі напруженості поля. Слід відмітити, що у такий спосіб можна вимірювати лише невеликі значення КСВ. При Kст = 5 значною мірою виявляється вплив провідності зонда на напруженість поля в максимумі, і необхідно застосовувати інші, складніші методи визначення КСВ. Вимірювання комплексного опору навантаження. Схема з'єднань приладів зображена на рис. 7.3, а.  Рисунок 7.3 – До вимірювання комплексного опору навантаження Після настройки генератора і вимірювальної лінії на необхідну частоту, досліджуване навантаження відключають, і кінець лінії замикають (ставлять «заглушку»). Переміщаючи вимірювальну головку уздовж лінії, відзначають положення вузлів (мінімумів) напруженості поля і визначають λв. Після цього підключають до лінії досліджуване навантаження ZH. Характер розподілу поля в лінії змінюється (рис. 9.3, б). Якщо при короткому замиканні напруженість поля у вузлі була рівна нулю, то тепер з'являються значення Еmах і Ет1п. Визначають КСВ, як було показано вище. Потім, взявши за опорне положення будь—якого з вузлів при короткому замиканні (умовний кінець лінії), визначають за шкалою вимірювальної лінії зсув Δl найближчого мінімуму напруженості поля щодо цього вузла. Опір навантаження може бути розрахований по формулі  (7.17)де ZB— хвилевий опір; Kст — коефіцієнт стоячої хвилі;βΔl — фазовий кут. 7.4 Порядок виконання роботи: 1.Для виконання дослідження режимів робіт довгої лінії необхідно підготувати до роботи відповідно до керівництва по експлуатації вимірювальну лінію Р386 і генератор високочастотних сигналів Г4—144. 2. Встановити на виході генератора Г4—144 параметри сигналу живить лінію по варіанту вимірювань (табл. 7.1) який визначає викладач, що проводить лабораторні роботи. Таблиця 7.1 Варіанти завдань
Таблиця 7.2. – результати вимірювань параметрів роботи довгої лінії.
6.5 Зміст звіту у звіт вносять: — тему і мету роботи; — результати вимірювання напруги зонда і його положення від кінця вимірювальної лінії ; — результати розрахунків параметрів роботи довгої лінії при різних опорах навантаження; — висновки по роботі. 6.6 Контрольні питання 1. сформулюйте визначення довгої лінії. 2. Які бувають режими роботи довгої лінії. 3. З допомогою, яких пристроїв вимірюються параметри роботи довгої лінії? 4. Які параметри можна визначити за допомогою вимірювальної лінії? 5. Що характеризує параметр — коефіцієнт бігучої хвилі? У яких межах він змінюється і від чого залежить? 6. Що характеризує параметр — коефіцієнт стоячої хвилі? У яких межах він змінюється і від чого залежить? 7. як зв'язані між собою коефіцієнти бігучої і стоячої хвиль? 8. Від яких характеристик вимірювальної лінії залежить точність вимірювання довжини хвилі? 9. Від чого залежить точність вимірювання КБВ і КСВ? Підписано до друку ______200__р. Формат 60х84 1/32. Папір офсетний. Умовн. друк. арк. 6,9. Наклад 100 прим. Замовлення № ________. Віддруковано друкарнеюЗапорізької державної інженерної академії з комп’ютерного оригінал-макету 69006, м. Запоріжжя, пр. Леніна, 226 РВВ ЗДІА, тел. 2238-240 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||