12812

Исследование однофазной мостовой схемы выпрямления на полупроводниковых диодах

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №4 Исследование однофазной мостовой схемы выпрямления на полупроводниковых диодах 1. Цель работы. Изучение принципа действия однофазной мостовой схемы выпрямления схемы Греца исследование основных её характеристик и особенностей работы. ...

Русский

2013-05-03

657.5 KB

60 чел.

Лабораторная работа №4

Исследование однофазной мостовой схемы выпрямления

на полупроводниковых диодах

1. Цель работы.

Изучение принципа действия однофазной мостовой схемы выпрямления (схемы Греца), исследование основных её характеристик и особенностей работы. Экспериментальная проверка результатов расчёта её основных электрических величин и показателей.

2. Подготовка к работе.

2.1. По литературе 1-4 и приложению (п.8 данной лабораторной работы) изучите следующий теоретический материал:

- принцип действия мостовой схемы выпрямления, временные диаграммы напряжений и токов её элементов;

- выводы основных расчётных соотношений при различных режимах работы;

- особенности лабораторной установки (смотри пункт 7).

2.2. Ознакомитесь с методическими указаниями данной лабораторной работы.

2.3. Подготовьте бланки отчёта, где приведите информацию, необходимую в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

2.4.  Необходимо уяснить назначение каждого элемента схемы выпрямления, цель каждого опыта, ожидаемые кривые наблюдаемых процессов и результаты.

2.5. Ответьте на контрольные вопросы.

2.6. Подготовьте осциллограф к работе с синхронизацией от сети в режиме непрерывной развёртки в диапазоне 10 - 50 Гц и «закрытым входом».

3. Контрольные вопросы

3.1. При  каких ограничениях выведены расчётные соотношения, характеризующие процесс выпрямления в исследуемой схеме при нагрузке емкостного, индуктивного характера?

3.2. Что такое угол отсечки тока вентиля, как он зависит от величины емкости конденсатора фильтра?

3.3. Зависит ли угол отсечки  от величины тока нагрузки?

3.4. Чем объяснить нелинейный вид внешней характеристики схемы выпрямления при нагрузке емкостного характера?

3.5. Существуют ли преимущества работы схемы на нагрузку емкостного характера, если да, то в чём они заключаются?

3.6. Почему график внешней характеристики при нагрузке емкостного характера располагается над графиком внешней характеристики нагрузки индуктивного характера?

3.7. Каковы преимущества и недостатки мостовой схемы выпрямления? Дайте ей сравнительную оценку с другими схемами выпрямления.

3.8. Что такое «коэффициент использования трансформатора»?

3.8. Какую форму будет иметь ток в первичной обмотке трансформатора в мостовой схеме при различном характере нагрузки, как эта форма связана с формой тока во вторичной обмотке?

3.10. От чего зависит величина переменной составляющей в выпрямленном напряжении при нагрузке емкостного (индуктивного) характера?

3.11. Как определить КПД выпрямителя теоретически и по данным полученным экспериментально?

4. Содержание работы.

4.1. Изучите по рекомендованной литературе теоретический материал об особенностях технической реализации мостовой схемы выпрямления, процессах функционирования, области её применения. Ознакомьтесь с принципиальной схемой макета (рисунок 4.1) и его конструктивным выполнением (смотри п. 7).

4.2. Рассчитайте электрические параметры схемы выпрямления при её работе на нагрузку с емкостной реакцией.

4.3. Рассчитайте электрические параметры схемы выпрямления при  работе на нагрузку с индуктивной реакцией.

4.4. Произведите измерения электрических параметров схемы выпрямления: I0, U0, Icp, I1, , I2.

4.5. Исследуйте внешние характеристики мостовой схемы выпрямления при нагрузке активного, емкостного и индуктивного характера.

4.6. Исследуйте процессы функционирования мостовой схемы выпрямления с помощью осциллографа.

4.7. Сделайте выводы по результатам работы.

5. Содержание отчёта.

Отчёт о проделанной работе должен содержать:

5.1. Принципиальную схему макета лабораторной работы.

5.2. Результаты расчёта схемы с нагрузкой емкостного характера.

5.3. Результаты расчёта схемы с нагрузкой индуктивного характера.

5.4. Таблицы с результатами расчётов и эксперимента, с данными для построения внешних характеристик.

5.5. Выполненные в единой координатной системе графики зависимостей U0= f(I0) для различных по характеру нагрузок.

5.6. Осциллограммы напряжений и токов в контрольных точках схемы XS1 - XS2,...,XS11 - XS12 при различных видах нагрузки в едином временном масштабе.

5.7. Выводы по результатам исследований и расчёта.

6. Методические указания по выполнению

лабораторной работы

6.1. Порядок изучения теоретических вопросов.

Вопросы к пункту 4.1:

- изучите особенности принципиальной схемы и органов управления лабораторной установки (смотри рисунок 4.1);

- анализируйте схему лабораторной установки и режимы её работы, предназначенные для исследования выпрямительных устройств;

- получите у преподавателя контрольные вопросы по изучаемому материалу и подготовьте ответы на них;

- уточните у преподавателя форму и объём представления в отчёте результатов выполнения лабораторной работы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Не допускается дальнейшее выполнение лабораторной работы без разрешения преподавателя. Условием допуска к выполнению работы является знание особенностей схемотехнического исполнения лабораторной установки (смотри рисунок 4.1).

На передней панели и в описании работы используются следующие обозначения:

U0, I0       – постоянные составляющие соответственно выпрямленного напряжения и тока;

U1m, I1m, U2m, I2m – амплитудные значения напряжений и токов в обмотках трансформатора выпрямителя;

U1, I1, U2, I2 – действующие значения напряжений и токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора;

Uобр.max   – максимальное обратное напряжение на вентиле;

Iср               – среднее значение тока фазы выпрямителя;

Iв                – действующее (среднеквадратическое) значение тока вентиля;

rФ          – активное сопротивление фазы схемы выпрямления;

Р0          – выходная мощность выпрямителя;

RФ         – активное сопротивление дросселя фильтра;

UФ           – падение выпрямленного напряжение на активном сопротивлении дросселя фильтра;

Рф          – мощность, выделяющаяся на активной составляющей сопротивления индуктивного фильтра выпрямителя;

S1, S2,    - полные габаритные мощности соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора;

m, g       – соответственно фазность выпрямителя и коэффициент схемы выпрямления;

K1, K2, Kтр – коэффициенты использования соответственно первичной, вторичной обмоток и трансформатора;

           - угол отсечки тока вентиля выпрямителя с емкостной нагрузкой;

tи, Т       - длительность импульсов тока и период их повторения;

A, B, D, F – коэффициенты расчета схемы выпрямления с емкостным фильтром.

6.2. Расчёт электрических параметров схемы выпрямления при её работе на нагрузку с емкостной реакцией (к пункту 4.2.).

Расчёт мостовой схемы сводится к определению аналитическим путём величин напряжений и токов элементов цепей схемы. Методика расчёта и основные соотношения приведены в приложении 8 к данной лабораторной работе.

Исходные данные для расчёта:

1) Постоянная составляющая выпрямленного тока I0=... мА и постоянная составляющая  выпрямленного напряжения U0=... В задаются преподавателем (смотри таблицу 4.3);

2) Коэффициент трансформации трансформатора TV  n=1;

3) Частота питающей сети 50 Гц, напряжение U1= 220 В.

В результате расчёта необходимо определить:

1) Выполнение условий работы схемы выпрямления на нагрузку с емкостной реакцией, то есть Rн >10 XC, где С = 20 мкФ;

2) Основной расчётный коэффициент А, связывающий угол отсечки тока вентиля с параметрами схемы выпрямления

А= tg - =   rф/ m Rн,

где rф - активное сопротивление фазы схемы выпрямления, в данном случае  rф=120 Ом, RH = U0 / I0 - задаётся по данным таблицы 4.3;

m = 2 - фазность схемы выпрямления.

3) Эффективное значение напряжения U2 вторичной обмотки трансформатора (смотри приложение к лабораторной работе, п.8);

4) Среднее значение тока через одну фазу  Iср = I0 / m;

5) Эффективное значение тока IВ через вентиль;

6) Эффективное значение тока I2 вторичной обмотки трансформатора

7) Максимальное (амплитудное) значение тока I2m вентиля (вторичной обмотки трансформатора);

8) Действующее (эффективное) значение тока первичной обмотки I1= n I2;

9) Максимальное обратное напряжение Uобр.m на вентиле;

10) Коэффициент Ктр  использования трансформатора.

Результаты расчётов схемы выпрямления с емкостной нагрузкой отразить в таблице 4.1.

6.3. Расчёт электрических параметров схемы выпрямления при её работе на нагрузку с индуктивной реакцией (к пункту 4.3). 

Методика расчёта и основные соотношения приведены в приложении к лабораторной работе. Расчёт схемы осуществляется по следующим исходным данным:

1) Постоянная составляющая выпрямленного тока I0 =…мА и постоянная составляющая выпрямленного напряжения U0=…В  задаются преподавателем (смотри таблицу 4.4);

2) Коэффициент трансформации трансформатора n=1;

3) Активное сопротивление катушки индуктивности L фильтра составляет Rф= 85 Ом;

В результате расчёта определяются следующие величины:

1) Напряжение U2 вторичной обмотки трансформатора;

2) Напряжение первичной обмотки трансформатора U1 = U2/ n;

3) Эффективное значение тока IB  через вентиль;

4) Эффективное значение тока I2 вторичной обмотки трансформатора;

5) Эффективное значение тока I1 первичной обмотки трансформатора;

6) Максимальное обратное напряжение Uобр.m на вентиле;

7) Коэффициент использования трансформатора Ктр по мощности.

Результаты расчёта отразить в таблице 4.2.

6.4. Измерение электрических параметров схемы выпрямления  пункту 4.4). 

После проведения расчёта схемы выпрямления включите напряжение (ключ SA1: положение - «сеть», рис. 4.1). С помощью ключей SA3, SA4 задайте нужный характер нагрузки схемы выпрямления. Установите по приборам РА3 и PU2 значения I0 и U0, заданные при расчёте. Значение тока I0 выставляется посредством R1 (при замкнутом SA5).

Первичное питающее напряжение U1=220В

Сравнение результатов расчёта и эксперимента осуществляется путём сопоставления величин, измеренных приборами или рассчитанных по их показаниям с соответствующими величинами проверочного расчёта. С помощью ключа SA2 можно переключать прибор РА3 с измерения величины I0  (положение 1) на измерение среднего значения тока диода Iср (положение 2). Результаты измерений и расчёта сводятся в таблицу 4.1.

Угол отсечки тока в режиме емкостной нагрузки определяется в расчётной части из соотношения tg  - = A, или по графику функции = f (A), приведённому на рисунке 4.4 приложения (см. п.8). В ходе экспериментальной проверки угол отсечки находят по осциллограмме в гнёздах XS5 - XS6 (ключ SA2 в положении 2). По осциллограмме определяют величину Т - период повторения импульсов тока в линейных единицах масштаба экрана осциллографа, и величину  tu - длительность импульса тока, в тех же линейных единицах. После этого находят величину , используя равенство = 360 tu / 2T градусов. Чтобы экспериментальным путём найти значение А, следует перейти к радианной мере величины , то есть (рад) = (град) / 57о.

Таблица 4.1.

Нагрузка

Параметры

I0

U0

A

B

D

F

Icp

IB

I2m

I1

U1

U2

I2

КTP

Емкостная (RC)

Рас

чёт

220

Эксперимент

220

Индуктивная (RL).

Расчёт

220

Эксперимент

220

Параметры B, D, F определяются, используя полученное значение А по упрощенным зависимостям, приведенным в п.8 методических указаний. Величины Iв (действующее значение тока вентиля), I2m (максимальное значение тока вентиля) и Ктр (коэффициент использования трансформатора по мощности) рассчитываются по экспериментальным данным, с помощью соотношений пункта 6.2. (или пункта 6.3) с использованием приложения п.8.

6.5. Исследование внешних характеристик схемы (к пункту 4.5).

Внешняя характеристика выпрямителя U0= f(I0) при любом характере нагрузки снимается путём изменения тока нагрузки I0 в сторону увеличения. С помощью ручки нагрузочного реостата R1 устанавливаются 8 значений (положений) Rн, начиная с точки холостого хода, когда ключ SA5 разомкнут (в положении 2). Результаты измерений заносятся в таблицу 4.2. По данным таблицы в единой координатной системе строятся зависимости U0= f(I0) для трёх видов нагрузки схемы выпрямления:

- активной (SA3 - в положении 1, SA4 - в положении 2);

- емкостной (SA3 - в положении 1, SA4 - в положении 1);

- индуктивной (SA3 - в положении 2, SA4 - в положении 2).

Таблица 4.2.

Активная

нагрузка

Емкостная нагрузка

Индуктивная нагрузка

1

2

..

7

8

1

2

...

7

8

1

2

...

7

8

I0

U0

6.6. Исследование процессов функционирования выпрямителя  пункту 4.6). 

Осциллограммы электрических величин, наблюдаемые при подключении осциллографа к гнёздам (XS1 - XS2, XS3 - XS4,...,XS11 - XS12) макета, следует зарисовать в едином временном масштабе и привести в отчёте.

Для регистрации токов в ветвях схемы в качестве датчиков тока используют обмотки амперметров РА2  и  РА3.

Для каждого вида нагрузки должны быть получены следующие осциллограммы:

1) напряжения, питающего схему выпрямления;

2) тока во вторичной обмотке трансформатора;

3) тока через вентиль схемы выпрямления;

4) напряжения на вентиле;

5) переменной составляющей выпрямленного тока нагрузки;

6) выпрямленного напряжения;

7) переменной составляющей напряжения на нагрузке;

8) для нагрузки индуктивного характера дополнительно снять осциллограмму напряжения на индуктивности L.

Наблюдение процессов с помощью осциллографа следует проводить при максимальном или близком к нему значении тока нагрузки. Изображение осциллограмм необходимо произвести в едином временном масштабе, при этом обязательно сохранять их амплитудные и временные соотношения, так как это существенно для анализа наблюдаемых процессов. Длительность развёртки осциллографа подбирать таким образом, чтобы на рабочей части экрана помещалось 1,5 - 2 периода наблюдаемой осциллограммы. Под каждой изображённой осциллограммой следует указать наименование регистрируемой величины, единицы измерения и гнёзда для её наблюдения (см. "Особенности лабораторно установки").

6.7. Выводы по результатам работы (к пункту 4.7).

Выводы по проделанной работе должны содержать сжато и чётко сформулированные положения, в которых раскрывается суть наблюдаемых явлений и графических зависимостей. В частности выводы должны содержать:

- оценку точности расчётов по экспериментальным данным;

- объяснение вида экспериментальных зависимостей внешних характеристик;

- результаты сравнительного анализа осциллограмм напряжений и токов в выпрямителе для различных видов нагрузки.

7. Особенности лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой устройство для исследования мостовой схемы выпрямления (смотри рис.4.1). Установка  включается с помощью тумблера SА1 (положение “вверх”), расположенного в левом нижнем углу лицевой панели макета. Там же расположено гнездо силового предохранителя макета РU1.

Установка содержит переключатели, задающие режимы работы выпрямителя:

- SA3 – тумблер подключения дросселя (в положении 2 или вниз, когда тумблер разомкнут, дроссель подключен, в положении 1 - замкнут);

- SA4 – тумблер подключения конденсатора (в положении 1 или вверх, когда тумблер замкнут, конденсатор подключен, в положении 2 конденсатор отключен);

- SA5 – тумблер подключения активной нагрузки (положение 1 или вверх, когда тумблер замкнут, нагрузка подключена);

Амперметр РА3 переключается с помощью тумблера SA2 для измерения среднего выпрямленного тока I0 (положение 1 или вверх) и среднего тока вентиля Icp (положение 2).

Посредством амперметров РА1 и РА2 производится измерение действующего значения токов соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора. Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора измеряется с помощью вольтметра РU1, а выпрямленное напряжение на нагрузке измеряется с помощью вольтметра PU2. Измерительные приборы расположены на передней макета в верхней части слева направо в следующем порядке PA1, PA2, PU1, PA3, PV2.

На передней панели лабораторной установки имеются гнёзда для наблюдения следующих параметров:

XS1 – XS2 – ток вторичной обмотки трансформатора;

XS3 – XS4 – напряжение вторичной обмотки трансформатора;

XS5 – XS6 – средний выпрямленный ток вторичной обмотки трансформатора или средний ток вентиля;

XS7 – XS8 – напряжение на дросселе;

XS7 – XS9 – напряжение на конденсаторе;

XS8 – XS10 – ток нагрузки (Rш - сопротивление низкоомного измерительного сопротивления);

XS11 – XS12 – напряжение на нагрузке.

В точках схемы, соответствующих указанным выше выводам можно наблюдать процессы относительно общего вывода XS9.

В таблице 4.3 указаны варианты исходных данных для проведения расчётов и измерений в выпрямителе с емкостным фильтром, а в таблице 4.4 - индуктивным.

                                                                                                  Таблица 4.3

№ варианта

U0 [B]

I0 [mA]

Вариант 1

250

115

Вариант 2

260

100

Вариант 3

270

65

Вариант 4

280

30

                                                                                                 Таблица 4.4

№ варианта

U0 [B]

I0 [mA]

Вариант 1

175

80

Вариант 2

170

65

Вариант 3

180

50

Вариант 4

185

30

8. Приложение

Однофазный выпрямитель

Мостовая схема выпрямления

Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) наиболее широко используется в современных ИВЭ. С помощью однофазного мостового выпрямителя (рис. 4.2)  осуществляется двухполупериодное двухтактное выпрямление переменного напряжения. Схема может работать на любой вид нагрузки и в сравнении с другими обладает следующими преимуществами:

- частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения;

- малое обратное напряжение на вентиле;

- высокий показатель использования трансформатора;

- отсутствие подмагничивания трансформатора;

- удобство применения выпрямителя без трансформатора для выпрямления непосредственно сетевого напряжения.

К недостаткам схемы можно отнести;

- наибольшее (4) количество используемых вентилей;

- повышенное прямое падение напряжения на вентилях.

Рис. 4.2. Мостовая схема  Греца

На рисунке 4.3а изображены диаграммы процессов в мостовой схеме выпрямления при работе на емкостную нагрузку (тумблеры S1, S2 – замкнуты), а на рисунке 4.3б изображены диаграммы при работе на индуктивную нагрузку (тумблеры S1, S2 - разомкнуты).

При работе на емкостную нагрузку или нагрузку с емкостной реакцией, когда выполняется условие Rн >10 XC процессы в выпрямителе будут определяться ёмкостью конденсатора. Напряжение на конденсаторе равно напряжению на нагрузке UC = UH. Вентили выпрямителя (например VD2, VD3) будут открыты, когда напряжение на вторичной обмотке будет иметь соответствующую полярность и превышать напряжение на конденсаторе (интервал 2 на рисунке 4.3а). В течение остального времени ток в нагрузку будет поступать за счёт разряда конденсатора. Отбор электрической энергии из сети производится в течение сравнительно короткого времени, называемого двойным углом отсечки 2, при этом ток через обмотки трансформатора и вентили значительно превышает средний ток выпрямителя.

а)                                                       б)

Рис. 4.3 Диаграммы токов и напряжений в схеме Греца.

Для процессов в мостовом выпрямителе с емкостной нагрузкой справедливы следующие соотношения:

- расчётный коэффициент А, связывающий угол отсечки тока вентиля с параметрами схемы выпрямления (смотри рис. 4.4)

А= tg - =   rф/ m Rн,

где rф - активное сопротивление фазы схемы выпрямления

m = 2 - фазность схемы выпрямления, RH = U0 / I0;

  •  действующее (эффективное) значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

где  расчётный коэффициент   В = f (А)   определяется равенством  В = (0,75 1,2) А  при А 0,5  в других случаях по графику, приведенному в [1 на cтр.281 или  [2] на cтр. 118 (смотри список рекомендуемой литературы данного методического пособия).

 

- среднее значение тока через одну фазу  Iср = I0 / m;

- действующее значение тока через вентиль: IВ= D Iср, где D = f (A) определяется с помощью равенства D = 2 + 1/27A, если А 0,5, или по соответствующему графику (см. [1], стр. 281 или [2], cтр.119);

  •  действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

- максимальное (амплитудное) значение тока вентиля (вторичной обмотки трансформатора):

,

где: F = f (A) определяется соотношением F = 5 + 0,25 A, если A  0,5 или по соответствующему графику (смотри [1], стр. 281 или [2] cтр. 119);

-      действующее значение тока первичной обмотки  I1= n I2;

  •  максимальное обратное напряжение на вентиле:
  •  коэффициент использования трансформатора:

где: К1= Р0/ S1, K2= P0/ S2 – коэффициенты использования первичной и вторичной обмоток трансформатора; S1= I1 U1, S2 = I2 U2 – габаритные (полные) мощности обмоток; P0= U0I0 мощность постоянного тока на выходе выпрямителя (полезная).

    В выпрямителе с индуктивной нагрузкой или реакцией (рис. 4.3б), когда    XL  10 RН, ток вторичной обмотки трансформатора распределяется в течение всего периода синусоидального напряжения более равномерно. Это свойство индуктивной нагрузки (фильтра) позволяет более полно использовать трансформатор и вентили выпрямителя по току. Для процессов в мостовом выпрямителе с индуктивной нагрузкой справедливы следующие соотношения:

  •  напряжение вторичной обмотки трансформатора

где Uф- падение постоянной составляющей выпрямленного напряжения на активном сопротивлении катушки индуктивности L фильтра, причем ΔUф=I0 Rф;  

g - коэффициент схемы выпрямления (для схемы Греца g= 0,9);

-  напряжение первичной обмотки трансформатора

U1=U2 / n;

-  эффективное значение тока через вентиль

-  эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора

-  эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора

-  максимальное обратное напряжение на вентиле

- коэффициент использования трансформатора по мощности с учетом потерь на сопротивление фазы

где: K1=P0| / S1, K2=P0| / S2 - коэффициенты использования первичной и вторичной обмоток трансформатора;

P0| =P0 + Pф = I0 (U0 + Uф) - мощность на выходе схемы выпрямления, Вт.

ис. 4.4. Зависимость угла отсечки от параметра А.

Rш


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62832. СКАЗКА В МУЗЫКЕ 16.04 MB
  Ребята помните на уроке музыка и другие виды искусства мы уже говорили что музыка подобно краскам в живописи тоже может рисовать картины. картинка Ребята Сейчас я включу музыку русского композитора Римского Корсакова но название композиций...