Исследование однофазных схем выпрямления и фильтров

Лабораторная работа №1

 

Цель работы: экспериментальное исследование маломощных источников питания, выполненных на основе однофазных схем выпрямления с различными фильтрами.

 

Описание лабораторной установки

Различные виды выпрямителей и фильтров подготавливаются к работе с помощью коммутационных панелей, на лицевой стороне которых изображена соответствующая схема.

Ниже перечислены органы управления и измерительные приборы на лицевой панели стенда и их назначение:

1. Тумблер с надписью «Сеть» – для включения стенда.

2. Лампа с надписью «Вкл» – для индикации напряжения сигнальной лампы.

3. Тумблер В2 – для подключения различных обмоток трансформатора.

4. Тумблер B4 – для подключения конденсаторов различной емкости при работе с С-фильтром.

5. Тумблер В5 – для подключения дросселя Др-2.

6. Тумблер В6 – для подключения конденсаторов разной емкости в С- и RС-фильтрах.

7. Тумблер В8 – для подключения активной нагрузки.

8. Резистор R_Н – для регулирования активного сопротивления нагрузки.

9. Резистор R_Ф – для регулирования активного сопротивления в RС- и LC-фильтрах.

10. Вольтметр U_d – для измерения выпрямленного напряжения.

11. Вольтметр U_2ф – для измерения напряжения вторичной обмотки трансформатора.

12. Амперметр I_d – для измерения выпрямленного тока в нагрузке.

Для просмотра осциллограмм используют гнезда «1»…«14» разъема, установленного на передней панели.

 

 

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Для однополупериодной схемы выпрямления (рис. 1.1), изменяя величину сопротивления нагрузки R_Н, снять показания приборов и построить внешнюю характеристику U_d = f(I_d). Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.1).

 

Таблица 1.1. Внешняя характеристика выпрямителя

Id, A
Ud, В

 

В этой же схеме выпрямления с помощью осциллографа снять и зарисовать на бумаге, расчерченной «в клетку» осциллограммы напряжений U_2ф, U_d, U_обр.max (обратное напряжение на вентиле) и токов I₂, I_d. Осциллограммы должны быть выполнены в одном и том же масштабе по времени и размещены одна под другой (с указанием всех обозначений).

 

Рис. 1.1. Схема выпрямителя однополупериодного

 

2. В двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой (рис. 1.2) выполнить все действия аналогично п. 1. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.2).

 

Таблица 1.2. Внешняя характеристика выпрямителя

Id, A
Ud, В

 

Рис. 1.2. Схема выпрямителя двухполупериодного

 

3. В двухполупериодной мостовой схеме выпрямления (рис. 1.3) выполнить все действия аналогично п. 1. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.3).

 

Таблица 1.3. Внешняя характеристика выпрямителя

Id, A
Ud, В

 

Рис. 1.3. Схема выпрямителя мостового

 

4. Экспериментально определить соотношения U_2ф/U_d, U_обр.max/U_d и I₂/I_d для максимального тока нагрузки. Полученные значения занести в таблицу (табл. 1.4) и сопоставить с теоретическими (табл. 1.5). Измерения провести для трех вариантов схем. Объяснить причины возможных расхождений.

 

Таблица 1.4. Расчетные параметры схем выпрямителей

Схема	Ud, В
однополупериодная
со средней точкой
мостовая

 

Таблица 1.5. Теоретические соотношения

Схема	Однофазная однополупериодная схема	Однофазная двухполупериодная схема	Однофазная мостовая схема
	-	π/4 = 0,785	= 1,11
	= 0,55	= 1,11	= 1,11
	π/2 = 1,57	π = 3,14	π/2 = 1,57

 

5. С подключенным C-фильтром (рис. 1.4) провести все измерения аналогично п. 1 (сопоставления с теоретическими значениями не требуется). Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.6).

 

Таблица 1.6. Внешняя характеристика выпрямителя с подключенным С-фильтром

Id, A
Ud, В

 

Рис. 1.4. Схема С-фильтра

 

6. С подключенным RС-фильтром (рис. 1.5) при максимальном значении сопротивления фильтра снять показания приборов и построить внешнюю характеристику U_d = f(I_d). Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.7).

Сравнить полученные характеристики с характеристиками С- и RС-фильтров.

 

Таблица 1.7. Внешняя характеристика выпрямителя с подключенным RС-фильтром

Id, A
Ud, В

 

Рис. 1.5. Схема RC-фильтра

 

7. С подключенным LС-фильтром (рис. 1.6) снять показания приборов и построить внешнюю характеристику U_d = f(I_d). Результаты измерений занести в таблицу (табл. 1.8).

 

Таблица 1.8. Внешняя характеристика выпрямителя с подключенным LС-фильтром

Id, A
Ud, В

 

Сравнить полученную характеристику с характеристиками для С-фильтра и RС-фильтра.

8. Для вариантов с С-, RС- и LС-фильтрами в мостовой схеме экспериментально определить коэффициент пульсаций при максимальной нагрузке и коэффициент сглаживания. Результаты эксперимента занести в таблицу (табл. 1.9).

 

Таблица 1.9. Коэффициенты пульсаций и сглаживания

Фильтр	Экспериментальные данные	Расчетные данные
	U2ф	Ud	Ud1эф	Ud1m	q1	q2 =	s =
	В	В	В	В

Рис. 1.6. Схема LC-фильтра

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

Перед началом выполнения каждого из заданий (п. 1 – 8) все двухпозиционные тумблеры должны находиться в нижнем положении («сеть», В2, В5, В7), а трехпозиционные – в среднем (В4, В6, В8), рукоятки элементов регулирования («нагрузка», «R_ф», «R_д») – в крайнем левом.

К пунктам 1 – 3.

Для исследования различных схем необходимо поочередно ставить в левую колодку соответствующую съемную панель (рис. 1.1, 1.2, 1.3). Колодка разъема для подключения фильтров в данных экспериментах остается пустой.

Тумблер В8 ставится в верхнее положение, тем самым выход выпрямителя подключается непосредственно к нагрузке. Тумблер В4 остается в среднем положении.

При снятии показаний приборов для построения внешних характеристик измерения следует проводить при трех значениях нагрузки: минимальной, максимальной и средней.

При осциллографировании вход осциллографа следует подключать к гнездам:

· «2» и «8» (для первой и второй схем); «2» и «9» (для мостовой схемы) для получения кривой напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора;

· «2» и «7» – для получения кривой тока I₂ вторичной обмотки трансформатора;

· «11» и «12» – для получения кривых напряжения U_d и тока нагрузки I_d (поскольку нагрузка является только активной, то ток и напряжение совпадают по форме);

· «7» и «10» (для первой и второй схем); «5» и «10» (для мостовой схемы) – для получения кривой напряжения на вентиле (при осциллографировании этого параметра одновременно измеряется и амплитуда обратного напряжения U_обр.max).

Осциллограммы при зарисовке необходимо расположить одна под другой для совмещения соответствующих моментов времени.

К пункту 4.

Для вычисления тока I₂ сначала с помощью осциллографа замеряют падение напряжения на резисторе R_И1 (гнезда «2» и «7»). Численное значение тока получают как частное от деления U_Rи1 на R_И1 (R_И1 = 0,5 Ом).

К пункту 5 – 7.

Для создания исследуемых схем используются конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя, и съемные блоки RC- и LC-фильтров.

В левую колодку лицевой панели стенда ставится требуемый блок выпрямителя. В правую колонку подключаются фильтры.

Тумблер В4 находится в среднем положении, тумблер В8 – в верхнем.

К пункту 8.

Для измерения U_d1эф используется выносной вольтметр переменного тока, подключаемый к гнездам «11» и «12».

Для создания соответствующей схемы необходимо менять съемные панели фильтров и проводить определенные переключения.

Емкостной фильтр.

Панель фильтров не устанавливается. Положение тумблера В4 определяется по табл. 1.10. Тумблер В8 – в верхнем положении.

 

Таблица 1.10. Положения переключателей

Схема выпрямления
Элемент управления	Положение элементов управления
Тумблер В4	В	В	Н	Н	Н	В
Тумблер В8	В	В	Н	Н	Н	В
Ручка регулировки Rф	С	С	С	П	П	П
Тумблер В5	В	В	Н	Н	В	Н

 

Примечание. Буквами указаны следующие положения органов управления: С – среднее; П – правое; В – верхнее; Н – нижнее. Соответствующие этим положениям значения параметров приведены в табл. 1.11.

Таблица 1.11. Положения переключателей

Элемент управления	Тумблер В4	Тумблер В6	Тумблер В5	Ручка регулировки Rф
Положение	В	Н	В	Н	В	Н	С	П
Подключаемый элемент	С1	С2	С1	С2	Др1	Др2	Rф	Rф
Единица измерения	мкФ	мкФ	мкФ	мкФ	Гн	Гн	Ом	Ом
Величина					2,3	1,2

Г-образный RC-фильтр.

В правую колодку ставится съемная панель «RC-фильтр». Положение тумблера В6 и ручки регулировки элемента R_ф определяется по таблице (табл. 1.10). Тумблер В6 – в нижнем положении.

Г-образный LC-фильтр.

В правую колодку устанавливается панель «LC-фильтр». Положение тумблеров В5 и В6 определяется по табл. 1.10. Тумблер В8 – в нижнем положении.

Для каждого фильтра измерения производить аналогично п. 3, но дополнительно к гнездам «11» и «12» подключается выносной вольтметр для определения U_d1эф. Коэффициент пульсации рассчитывается по формуле

q = U_d1эф/U_d.

Коэффициент сглаживания рассчитывается по формуле

s = ,

где q₁ – коэффициент пульсаций до фильтра; q₂ – коэффициент пульсаций после фильтра.

 

Задания для домашней подготовки

До проведения лабораторной работы необходимо ознакомиться с теоретическим значением коэффициента пульсации q и значениями следующих отношений: U_2ф/U_d0, U_обр.max/U_d0, I₂/I_d – для трех схем выпрямления при активной нагрузке (без фильтров). В процессе проведения лабораторной работы эти значения сопоставляются с полученными экспериментально.

 

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· все варианты схем, использованные в работе (согласно рис. 1.1-1.6);

· осциллограммы напряжений и токов для использованных вариантов схем в соответствии с заданием;

· построенные внешние характеристики, совмещенные на одном рисунке и с указанием соответствия между характеристикой и схемой;

· таблицы с результатами измерений для трех схем без фильтров (см. табл. 1.1 и 1.8);

· таблицу по определению коэффициента пульсаций и коэффициента сглаживания (см. табл. 1.9).

 

Краткие теоретические сведения

Типовыми однофазными схемами выпрямления являются:

· однополупериодная (рис. 1.7, а);

· двухполупериодная со средней точкой (рис. 1.7, б);

· двухполупериодная мостовая (рис. 1.7, в).

а) б)

в)

Рис. 1.7. Схемы выпрямления: а – однополупериодная; б – двухполупериодная со средней точкой; в – двухполупериодная мостовая

На рис. 1.7, а-в применены следующие (общепринятые) обозначения:

U_d – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке;

I_d – среднее значение выпрямленного тока в нагрузке;

R_Н – активное сопротивление нагрузки;

U_2ф – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора;

I₂ – действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора;

VD1…VD4 – полупроводниковые диоды;

Т1 – трансформатор.

Принцип выпрямления иллюстрирует рис. 1.8.

На рис. 1.8 приняты следующие обозначения:

U_в – форма выпрямленного напряжения;

U_c – форма сетевого (питающего) напряжения;

U_m – максимальное значение выпрямленного напряжения;

U_Н – форма напряжения на нагрузке.

 

а) б)

Рис. 1.8. Формы напряжений на входе и выходе выпрямителей, питаемых от однофазной сети, при резисторной нагрузке без фильтра:

а – однополупериодного; б – двухполупериодного

 

Для сглаживания выпрямленного напряжения могут применяться следующие типы фильтров: С-фильтр (рис. 1.9, а); RС-фильтр (рис. 1.9, б); LC-фильтр (рис. 1.9, в); CRC-фильтр (рис. 1.9, г); CLC-фильтр (рис. 1.9, д).

Различные варианты схем выпрямления в сочетании с различными фильтрами имеют разные внешние характеристики. Внешней характеристикой называется зависимостью вида U_d = f(I_d). Значение напряжения U_d при I_d = 0 соответствует режиму холостого хода.

 

а) б)

в) г)

д)

Рис. 1.9. Типы фильтров: а – С-фильтр; б – RС-фильтр; в – LC-фильтр;

г – CRC-фильтр; д – CLC-фильтр

 

От схемы выпрямителя и от типа применяемого фильтра зависит одна из важных характеристик источника питания – коэффициент пульсации q, который обычно определяют из следующего соотношения:

q = U_d1m/U_d = U_d1эф/U_d,

где U_d1m, U_d1эф – амплитудное и действующее значения первой (основной) гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения. Для измерения величины U_d1эф используют вольтметр переменного тока.

Теоретическое значение коэффициента пульсаций в выходном напряжении выпрямителей (без применения сглаживающих фильтров) рассчитывается по следующей формуле:

q = ,

где m – отношение частоты первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети (m ³ 2).

Если коэффициент пульсаций до фильтра обозначить как q₁, a после фильтра как q₂, то отношение q₁ к q₂ будет называться коэффициентом сглаживания s:

s = .

При последовательном включении нескольких фильтров общий коэффициент сглаживания s определяется произведением коэффициентов сглаживания:

s = s₁×s₂…s_n,

где n – число последовательно включенных фильтров.

Важной характеристикой схемы выпрямления и применяемого фильтра является максимальное обратное напряжение на вентиле, обозначаемое U_обр.max. Это напряжение может быть измерено при помощи осциллографа. Практически, для характеристики источника питания определяют следующие соотношения:

U_2ф/U_d0; U_обр.max/U_d0; I₂/I_d.

Принцип работы любого типа фильтра основан на способности конденсаторов и индуктивностей (дросселей) накапливать электромагнитную энергию, потребляя её из сети через выпрямитель, и отдавать накопленную энергию в нагрузку. Интервалы времени, в течение которых идет процесс накопления энергии, и интервалы времени, в течение которых энергия отдается в нагрузку, в любом типе фильтра определяются соотношением напряжений на выходе выпрямителя и на нагрузке, а также величиной накопленной энергии в элементах фильтра: в индуктивностях и конденсаторах. Степень сглаживания выпрямленного напряжения простейшими емкостными и индуктивными фильтрами, содержащими либо один конденсатор, включенный параллельно нагрузке, либо включенную последовательно с нагрузкой катушку индуктивности, зависит от соотношения емкости конденсатора С, величины индуктивности L и активного сопротивления нагрузки R_Н. Для хорошего сглаживания необходимо выполнение следующих условий:

2πf_ПL/R_Н >> 1;

1/2πf_ПCR_Н << 1,

где f_П – частота основной гармоники выпрямленного напряжения.

 

При использовании индуктивного фильтра и заданном коэффициенте сглаживания s величина индуктивности приблизительно определяется по формуле

L = s·R_Н/(2πf_П).

При использовании С-фильтра по заданному коэффициенту сглаживания определяют произведение LC:

.

 

Кроме этого, обычно требуется выполнение условий:

2πf_ПL ≥ 5R_Н;

 

1/(2πf_ПC) ≤ 1/5R_Н,

а также, чтобы собственная частота фильтра ω₀ = 1/ была меньше частоты основной гармоники пульсаций и не была кратной ей.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Сравните характеристики трех схем выпрямления, исследованных в лабораторной работе. Каковы их достоинства и недостатки?

2. Что такое обратное напряжение? Как изменяется его величина в зависимости от схемы выпрямителя? Как влияет подключение С-фильтра на величину обратного напряжения?

3. Как влияет подключение С-фильтра на форму тока I₂?

4. Как определяется коэффициент пульсаций?

5. В чем состоит принцип работы различных фильтров?

6. Рассмотрите сравнительные характеристики С-фильтра, RС-фильтра. В чем заключаются их достоинства и недостатки?

7. Какова форма выпрямленного напряжения выпрямителя с С-фильтром?

8. Какова форма выпрямленного напряжения при активном сопротивлении нагрузки и разных схемах выпрямителей?

9. Как изменяется величина выпрямленного напряжения и его форма при подключении емкостного фильтра и почему?

10. Как влияет на питающий трансформатор подключение однополупериодного выпрямителя?

11. Как соотносится между собой типовая мощность трансформатора при трех схемах выпрямителя и одной и той же мощности нагрузки?

12. Чем отличаются внешние характеристики выпрямителей с RC-фильтром и LС-фильтром?

13. В чем заключается принцип работы индуктивного фильтра?

14. Покажите цепь тока через нагрузку в каждой из схем выпрямления?

15. Влечет ли подключение емкостного фильтра изменение значения тока I₂, и каким образом?

16. Какой фильтр лучше применять, если нагрузка постоянна, и почему?

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ

СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

 

Цель работы: приобретение знаний и навыков по исследованию трехфазных схем выпрямления; экспериментальное определение соотношений между токами и напряжениями, снятие внешних характеристик.

 

Описание лабораторной установки

На рис. 2.1 представлена схема лабораторной установки, позволяющей исследовать две схемы выпрямления.

Трехфазная нулевая схема выпрямления собирается на диодах VD4, VD5, VD6 при верхнем положении тумблера S2. Питание схем выпрямления от трехфазной сети с фазным напряжением 220 В осуществляется при помощи трехфазного трансформатора Т. Первичная обмотка этого трансформатора соединена в треугольник, а вторичная – в звезду. Со вторичной обмотки трансформатора подается напряжение 12,6 В.

Для измерения различных параметров схемы на стенде установлены измерительные приборы, перечень которых и измеряемыеими величины приведены ниже:

· миллиамперметр Ι₁ – действующее значение тока первичной обмотки трансформатора;

· вольтметр U₂ – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора (действующее значение);

· амперметр Ι₂ – действующее значение тока вентиля;

· амперметр Ι_а – среднее значение тока вентиля;

· амперметр Ι_d – среднее значение тока нагрузки;

· вольтметр U_d – среднее значение выпрямленного напряжения на активном сопротивлении нагрузки.

Тумблер S3 используется для исследования влияния сглаживающего дросселя L на форму тока в нагрузке. Изменение нагрузки производится включением или отключением резисторов R4…R17 с помощью тумблеров S4…S17.

Для снятия осциллограмм в схеме предусмотрены контрольные точки XS1…XS11.

 

Рис. 2.1. Схема лабораторного стенда

 

Задания по выполнению лабораторной работы

1. Снять показания приборов при четырех режимах работы: а) холостого хода; б) минимальной нагрузки; в) средней нагрузки; г) максимальной нагрузки.

2. По данным эксперимента определить соотношения напряжений и токов: ; ; ; n , где n – коэффициент трансформации (n = U₁/U₂ или n = I₂/I₁).

3. По экспериментальным (п. 1) и расчетным (п. 2) данным заполнить табл. 2.2, 2.3, форма которых приведена в разделе «Содержание отчета».

4. Построить внешние (нагрузочные) характеристики U_d = f(Ι_d) для нулевой и мостовой схем выпрямления по данным эксперимента (п. 1).

5. В нулевой и мостовой схеме трехфазного тока зарисовать формы следующих кривых:

· фазного напряжения вторичной обмотки трансформато- ра(U₂);

· напряжения между анодом и катодом вентиля (U_обр);

· напряжений на резисторах R4…R17 (на активном сопротивлении) и катушке L (индуктивном сопротивлении) нагрузки;

· выпрямленного напряжения при холостом ходе, а также в режименоминального тока вентилей;

· тока нагрузки (Ι_d), тока через вентиль (Ι_a) при чистоактивном и активно-индуктивном характере нагрузки.

6. Определить параметры трансформатора I₁, I₂, U₂, n, S_Т, а также рассчитатьток Ι_a и обратное напряжение на вентиле U_обр, если заданы U₁ – линейное напряжение сети, U_d и Ι_d – напряжение и ток в нагрузке. Данные для расчета взятьиз табл. 2.1. Схему выпрямления выбрать самостоятельно.

 

Таблица 2.1. Исходные данные для расчета

№ бригады
U1, В
Ud, В
Id, А	1,5						6,5

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

К пунктам 1 – 3.

При выполнении эксперимента следить за тем, чтобы средний ток в нагрузке не превышал допустимого значения 9 А. Для построения внешней характеристики U_d = f(I_d) необходимо записать показания вольтметра U_d и амперметра I_d в четырех режимах для каждой схемы, а именно: холостого хода (все тумблеры выключены); минимальной нагрузки (включен один тумблер в цепи нагрузки); средней нагрузки (включена половина тумблеров нагрузки); максимальной нагрузки (включены все тумблеры нагрузки). Дополнительно для определения необходимых соотношений в п. 2 задания произвести замеры следующих величин:

· в режиме холостого хода– U₂;

· в режиме максимальной нагрузки – Ι₁, Ι₂, Ι_a.

Поскольку вторичный ток трансформатора Ι_2тр непосредственно не измеряется, то для его определения можно воспользоваться показаниями амперметра Ι₂ (действующее значение тока вентиля):

· для нулевой схемы – Ι_2тр = Ι₂;

· для мостовой схемы – Ι_2тр = 2Ι₂.

К пункту 5.

Для снятия осциллограмм напряжений и токов необходимо подключить осциллограф к следующим гнездам (рис. 2.1):

· XS3, XS4 – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

· XS5, XS6– напряжение между анодом и катодом вентиля;

· XS7, XS8 – напряжение на активном сопротивлении нагрузки;

· XS7, XS11– напряжение на активноиндуктивной нагрузке;

· XS10, XS11 – напряжение на индуктивности нагрузки;

· XS9, XS10 – ток нагрузки;

· XS4, XS5 – ток через вентиль.

Создание активной нагрузки осуществляется шунтированием дросселя (переключатель S3 в верхнем положении). Активно-индуктивная нагрузка создается выключением тумблераS3 (нижнее положение).

К пункту 6.

Для расчета можно использовать теоретические соотношения из табл. 2.2.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· принципиальные схемы исследуемых выпрямителей (рис. 2.2);

· таблицы с результатами измерений и с расчетными данными (табл. 2.2, 2.3);

· диаграммы напряжений и токов (рис. 2.3, 2.4);

· внешние характеристики;

· результаты расчета параметров трансформатора (согласно заданию).

 

 

Таблица 2.2. Данные измерений

Показания приборов	Режимы работы для нулевой схемы	Режимы работы для мостовой схемы
х.х.	мин.	сред.	макс.	х.х.	мин.	сред.	макс.
I1, А I2, А Ia, А Id, А Ud, В U2, В	- - -	- - -   -	- - -   -	-	- - -	- - -   -	- - -   -	-

Примечание. Графы, в которых стоит прочерк (-), данными не заполняются.

 

Таблица 2.3. Опытные и теоретические соотношения токов и напряжений

Наименование схемы	Опытные соотношения	Теоретические соотношения
Нулевая					0,48	0,59	0,33	0,85
Мостовая					0,817	0,817	0,33	0,43

Примечание. Теоретические соотношения Ι₁/Ι_d = 0,48 и Ι₁/Ι_d = 0,817 справедливы только для коэффициента трансформации К_тр = 1.

 

Задания для домашней подготовки

Домашнюю подготовку рекомендуется начать с изучения работы трехфазных схем выпрямления для активного и активно-индуктивного характера нагрузки. Предлагается для самоконтроля ответить на следующие вопросы:

1. Какая из двух схем выпрямления применяется в промышленности и почему?

2. По каким параметрам выбираются вентили для схем выпрямления?

3. Какими основными электрическими параметрами характеризуется каждая из исследуемых схем?

4. Какая схема предпочтительней? Почему?

5. Что такое внешняя характеристика выпрямителя?

 

Краткие теоретические сведения

За исключением случаев, когда единственно возможным источником питания является сеть однофазного переменного тока, питание постоянным током потребителей средней и большей мощности производится от трехфазных выпрямителей. При выпрямлении трехфазного тока достигается лучшее качество выпрямленного напряжения за счет снижения амплитуды пульсаций. Напряжение трехфазных выпрямителей к тому же легче подвергается сглаживанию, так как частота пульсаций здесь существенно выше, чем в однофазных выпрямителях. Трехфазные схемы выпрямления способствуют меньшей загрузке вентилей по току и напряжению.

Из выпрямителей трехфазного тока преимущественное применение на практике получила трехфазная мостовая схема (схема Ларионова). Но для лучшего уяснения принципа выпрямления трехфазного тока и режимов работы выпрямителей предлагается сначала исследовать трехфазную схему с нулевым выводом (схему Миткевича).

Схема включает в себя трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается между общей точкой соединения катодов вентилей и нулевым выводом вторичных обмоток (рис. 2.2, а).

 

а) б)

Рис. 2.2. Трёхфазная схема выпрямления: а – нулевая; б – мостовая

 

Схема работает следующим образом: в открытом состоянии может находиться только тот из вентилей, который имеет наивысший анодный потенциал. Каждый из непроводящих вентилей закрыт обратным напряжением, равным разности напряжений его фазы и фазы проводящего вентиля. Временные диаграммы напряжения для трехфазной нулевой схемы представлены на рис. 2.3, где моменты равенства потенциалов фаз являются моментами естественной коммутации t₀, t₁, t₂, t₃ и т.д. Так, например, для момента времени t₀ наивысший потенциал прикладывается к аноду диода VD4, следовательно, он проводит ток, а остальные заперты. В интервале времени t₀ < t < t₁– проводит диод VD4, при t₁ <t < t₂ – диод VD5, а при t₂ < t < t₃ – диод VD6.

 

Рис. 2.3. Временные диаграммы напряжений и токов в трёхфазной нулевой схеме выпрямления

 

Среднее значение выпрямленного напряжения за период повторяемости 2π/3 для рассматриваемой схемы определится из выражения

cosωtdωt ,

где U₂ – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Средний ток вентилей Ι_a связан со средним значением тока нагрузки Ι_d = U_d/R_d соотношением Ι_а = Ι_d/3.

Остальные соотношения для данной схемы приведены в табл. 2.3.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 2.2, б) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили VD1, VD2, VD3,соединенные анодами, называют анодной группой, а вентили VD4, VD5, VD6, соединенные катодами, – катодной. Нагрузка включается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Анализ схемы проводится для чисто активной нагрузки. Схема работает следующим образом. В катодной группе в открытом состоянии находится вентиль, на аноде которого в данный момент наивысшее напряжение, а в анодной группе открыт вентиль, на катоде которого наименьшее фазное напряжение. Следовательно, на интервале времени t₀ – t₁ – проводят вентили VD4, VD2, на интервале t₁ – t₂ – вентили VD4, VD3, на интервале t₂ – t₃ – вентили VD5, VD3, на интервале t₃ – t₄ – вентили VD5, VD1, на интервале t₄ – t₅ – вентили VD6, VD1, на интервале t₅ – t₆ – вентили VD6, VD2 и т.д. Диаграммы напряжений и токов представлены на рис. 2.4.

Интервал проводимости каждого вентиля составляет ψ = 2π/3, а интервал совместной работы двух вентилей равен π/3. За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей.

 

Рис. 2.4. Временные диаграммы напряжений и токов в трёхфазной мостовой схеме выпрямления

 

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d определится за период повторяемости π/3,т.е.

U_d = ·U_2Л·соsωtdωt = ·U_2Л = ·U₂ = 2,34U₂.

Среднее значение тока нагрузки в этой схеме подчиняется вышеприведенному выражению.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Построить диаграммы напряжений и токов в нагрузке для трехфазных схем выпрямления при активном и активно-индуктивном характере нагрузки.

2. Для мостовой схемы выпрямления найти типовую (расчетную) мощность трансформатора для P_Н = 1 кВт.

3. Сравните схемы выпрямления, обоснуйте и выберите лучшую.

4. В каком случае схемы выпрямления можно включать без трансформатора?

5. Объясните расхождение между опытными и теоретическими соотношениями токов и напряжений и .

6. Чем отличаются от идеальных реальные вентили и трансформаторы?

7. Оцените характер работы вентилей при повышенной температуре внешней среды.

8. Назовите виды пробоя p-n-перехода.

9. Какие изменения нужно произвести в схеме при необходимости изменения полярности напряжения на нагрузке, например, при реверсе двигателя?

10. Что произойдет с полярностью в нулевой схеме выпрямления, если вентили подключить не анодами, а катодами?

11. Объясните по диаграмме (рис. 2.3, 2.4) форму кривых обратных напряжений на вентилях.