ДОСЛІДЖЕННЯ СХЕМ ВИПРЯМЧУВАЧІВ
Мета роботи- вивчення принципу роботи та властивостей напівпровідникових випрямлячів.
Підготовка до роботи:
1. Вивчити принцип роботи п'яти основних схем випрямлення.
2. Ознайомитись із параметрами схем випрямлення.
3. Ознайомитись з методикою вимірювання основних параметрів схем та скласти заготівлю протоколу випробувань.
1. Визначення основних параметрів схем випрямлення.
2. Вимірювання навантажувальних характеристик випрямлячів.
1. Схеми та графіки, що пояснюють принцип роботи випрямлячів.
2. Схема вимірів.
3. Таблиці з реєстрацією розрахунку та вимірювання параметрів та навантажувальних характеристик випрямлячів.
5. Висновки з окремих етапів роботи.
6. Протокол випробувань.
1. ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
Для живлення пристроїв автоматики та зв'язку потрібна електрична енергія постійного струму. Перетворення енергії змінного струму на постійний здійснюється за допомогою випрямлячів, виконаних на нелінійних елементах (вентилях), що володіють односторонньою провідністю. Як вентилі в даний час в основному використовуються напівпровідникові діоди (германієві або кремнієві), а також керовані діоди - тиристори.
В результаті перетворення змінного струму на виході випрямляча виходить пульсуючий струм, який містить постійну та змінну складові. Змінна складова струму має несинусоїдальну форму і може бути представлена у вигляді суми гармонійних складових (гармонік) з частотами, кратними основної частоти. Гармоніки можуть створювати перешкоди в апаратурі, що живиться, і навіть повністю порушити її роботу. Максимальні миттєві значення змінної складової випрямленого струму в основному визначаються амплітудою першої гармоніки, яка за рівнемзначно вище за всіх інших.
Розмір гармонік змінної складової значною мірою залежить від схеми випрямлення. Тому при конструюванні випрямлячів прагнуть вибрати таку схему випрямлення, яка забезпечувала б мінімальну величину змінної складової. Додаткове придушення змінної складової здійснюється фільтрами, що згладжують, що включаються на виході випрямляча.
Схеми випрямлення характеризуються такими основними параметрами:
- постійної напругиU0, яка може бути представлена як середнє значення напруги на виході випрямляча;
- амплітудою напруги першої гармоніки змінної складовоїU1;
- частотою першої гармоніки51;
- числом фаз випрямлення, деp- число фаз мережі живлення,q- число випрямлених напівперіодів. Цей допоміжний параметр, що характеризує число пульсацій випрямленої напруги за період мережі, дозволяє визначити інші параметри;
- Коефіцієнтом пульсацій, який характеризується відношенням напруг амплітуди першої гармоніки змінної складової до постійної складової.
Ступінь придушення фільтром змінної складової оцінюється коефіцієнтом фільтрації,
деU1 іU1вих - амплітуди напруг першої гармоніки на вході та виході фільтра.
2. КЛАСИФІКАЦІЯ СХЕМ ВИПРЯМЛЕННЯ
Для пояснення принципу впливу різних схем випрямлення, а також зіставлення та оцінки їх властивостей, використовують певну систему класифікації. При цьому всі схеми випрямлення характеризуються числом фаз мережі живлення, числом плечей і числом груп вентилів.
Мережа живлення може бутиоднофазноїаботрифазної.
Мал. 1.Одноплеча та двоплеча схеми випрямлення
Якщо до кінців обмоток трансформатора підключені по одному вентилю або група вентилів одного напрямку, то схема випрямлення називається одногрупною (рис. 2, а).
Мал. 2. Одногрупна та двогрупна схеми випрямлення
В даний час у схемах випрямлення вхідні трансформатори можуть бути відсутніми, але для вивчення принципу роботи випрямлячів дана класифікація корисна.
РОБОТА СХЕМ ВИПРЯМЛЕННЯ
Принцип роботи схем випрямлення зручно розглядати при активному навантаженні, вважаючи, що використовуються трансформатори без втрат та ідеальні вентилі. У цьому випадку фазові зрушення між струмами і напругами будуть відсутні, форми кривої струму і напруги збігатимуться і можна обмежитися розглядом тільки характеру зміни напруги.
Відсутність втрат у трансформаторі та вентилях дозволяє вважати, що миттєві значення напруги на навантаженні дорівнюють відповідним напругам на вторинній обмотці трансформатора.
1. Однофазна однонапівперіодна схема випрямлення наведена на рис. 2, а, і як більш зручному для класифікації – на рис. 2, б. На рис. 2, зображені тимчасові діаграми напруг на вторинній обмотці трансформатораUII і на навантаженніUн, яке складається з постійноїU0 і змінної складових.
Протягом напівперіоду, коли існує позитивний потенціал на верхньому кінці вторинної обмотки трансформатора, діод VD 1 буде відкритий, у навантаженні протікає струм. Протягом іншого напівперіоду діодVD1 закритий, струм у навантаженні відсутній. Отже, схема забезпечує однонапівперіодне випрямлення.
Основні параметри однонапівперіодної схеми випрямленняm= 1,ƒ= 50 Гц. Наведенараніше формула розрахунку коефіцієнта пульсації недостатньо точна для даної схеми, точний розрахунок та вимірювання дає величинуnn = 1,57 (ці дані слід занести до табл. 1).
Особливістю схеми є: проста виконання; дуже велика величина змінної складовоїU= 1,57U0; низька частота першої гармоніки, що ускладнює конструкцію фільтра, що згладжує, для її придушення; низький коефіцієнт використання обмоток трансформатора, які працюють протягом одного напівперіоду; наявність вимушеного підмагнічування осердя трансформатора, що веде до збільшення його габаритів. Схема застосовується переважно у малопотужних випрямлячах.
2. Однофазна двонапівперіодна схема випрямлення наведена на рис. 3 а, б, на рис. 3, показані тимчасові діаграми напруг.
Протягом напівперіоду, коли існує позитивний потенціал на кінці верхньої напівобмотки щодо середньої точки, відкривається діодVD1, через опір навантаження протікає струм. ДіодVD2 при цьому закритий. Протягом іншого напівперіоду відкривається діодVD2 (VD1 закритий) і через опір навантаження протікає струм того ж напрямку. Таким чином, протягом кожного напівперіоду працює одна напівобмотка та один діод. Струм у навантаженні протікає протягом обох напівперіодів. Схема забезпечує двонапівперіодне випрямлення.
Електричні характеристики однофазної двонапівперіодної схеми випрямлення (m,ƒ1,nп) слід розрахувати та занести до табл.1.
Особливості схеми: проста у виконанні; хоча вимагає виконання двох напівобмоток трансформатора; вторинна обмотка при цьому використовується неефективно (кожна половина обмотки працює протягом напівперіоду); велика зворотна напруга на закритому діоді(Uобр=2UII).
Схема випрямлення використовується у випрямлячах на низьку напругу та значні струми навантаження.
3. Однофазна бруківка схема випрямлення (схема Греца) наведена на рис. 4 а, б. На рис. 4, показані тимчасові діаграми напруг.
При виникненні різниці потенціалів на кінцях вторинної обмотки відкриваються два відповідні діоди (VD2,VD4) і через опір навантаження протікає струм. При зміні полярності напруги у вторинній обмотці відкриваються
інші два діоди (VD3,VD1). Струм у навантаженні протікатиме протягом обох напівперіодів. У схемі здійснюється двонапівперіодне випрямлення.
За електричними параметрами схема ідентична однофазної двонапівперіодної, якщо напруга у вторинній обмотці дорівнює напрузі на напівобмотках трансформатора двонапівперіодної cхеми. Особливості схеми: проста у виконанні; ефективно використовується вторинна обмотка; зворотна напруга на закритому діоді дорівнює половині напруги вторинної обмотки трансформатора, оскільки вона прикладена до двох послідовно з'єднаних діодів.
Мостова схема випрямлення знаходить широке застосування у приладах малої потужності.
4. Трифазна однополуперіодна схема випрямлення (схема Міткевича) наведена на рис. 5, а. На рис. 5 б показані тимчасові діаграми напруг.
При появі найбільшого позитивного потенціалу на кінці фазової обмотки відносно загальної точки 0 відкривається відповідний діод і струм протікатиме через навантаження. Кожен діод відкритий протягом 1/3 періоду. Схема забезпечує одонополуперіодне випрямлення.
За аналогією з попередніми схемами слід розрахувати електричні параметри (m,ƒ1,nп) схеми та занести їх у табл. 1.
Особливостями трифазної однонапівперіодної схеми випрямлення є: велика зворотна напруга на діодах; низький коефіцієнт використання обмоток трансформатора; вимушене підмагнічування сердечника; при неоднаковій завантаженні фаз можлива поява пульсацій з частотою мережі живлення.
Схема може використовуватися у випрямлячах середньої потужності, проте через зазначені недоліки не знаходить широкого застосування.
5. Трифазна бруківка схема випрямлення (схема Ларіонова) наведена на рис. 6, а. На рис. 6 б показані тимчасові діаграми напруг.
При виникненні найбільшої різниці потенціалів між кінцями двох фазових обмоток (наприклад, між I і II) відкриваються два діоди (VD2,VD3) і через навантаження протікає струм. Потім, коли найбільша різниця потенціалів буде між кінцями I і III обмоток, відкриваються діодиVD2,VD5 і т. д. При цьому кожен діод пропускає струм протягом 1/3 напівперіоду працюючи поперемінно з двома іншими діодами. Кожна фазова обмотка створює струм у навантаженні при обох напівперіодах напруги. Отже, схема забезпечує двонапівперіодне випрямлення. На навантаженні також виникає пульсуюча напруга внаслідок зміни величини миттєвих значень напруги між кінцями фазових обмоток. Аналогічно попереднім слід розрахувати електричні параметри схеми та занести їх у табл. 1.
Особливістю трифазної бруківки схеми випрямлення є: хороше використання обмоток трансформатора; висока частота першої гармоніки, що забезпечує можливість хорошого фільтрування змінної складової.
Трифазна мостова схема знаходить найбільш широке застосування у випрямлячах середньої та великої потужності.