13268

Изучение выпрямителей

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №9 Изучение выпрямителей Цель работы: Изучение различных схем выпрямления переменного тока. Определение основных характеристик выпрямителей. Приборы и принадлежности: 1. Универсальный стенд. 2. Осциллограф. 3. Амперметр. 4. Вольтм

Русский

2013-05-11

307.5 KB

42 чел.

Лабораторная работа №9

«Изучение выпрямителей»

Цель работы: Изучение различных схем выпрямления переменного тока. Определение основных характеристик выпрямителей.

Приборы и принадлежности:

 1. Универсальный стенд.

 2. Осциллограф.

 3. Амперметр.

 4. Вольтметр.

5. Соединительные провода.

9.1. Теоретическое введение

Классификация выпрямителей. Для получения электрической энергии нужного вида часто приходится преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямление), либо энергию постоянного тока – в энергию переменного тока (инвертирование). Выпрямители и инверторы являются вторичными источниками электропитания (ИВЭ).

Наиболее распространенными источниками вторичного электропитания являются источники, которые преобразуют энергию сети переменного тока частотой . Такие ИВЭ включают в себя выпрямитель и стабилизатор.

Выпрямители бывают неуправляемыми и управляемыми. С помощью неуправляемых выпрямителей на выходе ИВЭ получают выпрямленное (постоянное) напряжение неизменного значения.

В зависимости от числа фаз первичного источника питания (сети переменного тока) различают однофазные и многофазные (обычно трёхфазные) выпрямители.

По форме выпрямленного напряжения выпрямители подразделяются на однополупериодные и двухполупериодные. На работу выпрямителей существенное влияние оказывает вид нагрузки. Имеется четыре основных вида нагрузки: активная, активно- индуктивная, активно- ёмкостная и с противо- э.д.с.

Однофазные и трёхфазные выпрямители. Структурная схема однофазного выпрямительного устройства изображена на рис. 9.1. На вход выпрямителя подается переменное напряжение , которое с помощью трансформатора  изменяется до требуемого значения . Кроме того трансформатор осуществляет электрическую развязку источника выпрямленного напряжения и нагрузочного устройства, что позволяет получать с помощью нескольких вторичных обмоток различные значения напряжений , гальванически не связанных между собой.

Рис.9.1 Структурная схема однофазного выпрямительного устройства

После трансформатора переменное напряжение  вентильной группой ВГ (или одним вентилем) преобразуется в пульсирующее напряжение . Количество вентилей зависят от схемы выпрямителя.

В выпрямленном напряжении  помимо постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью сглаживающего фильтра СФ снижается до требуемого уровня, так что напряжение  на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор постоянного напряжения  поддерживает неизменным напряжение  на нагрузочном устройстве  при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления .

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные его блоки могут отсутствовать. Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях - стабилизатор постоянного напряжения.

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три вида выпрямителей: однополупериодный и два двухполупериодных. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис.9.2. Выпрямитель состоит из трансформатора, к вторичной обмотке которого последовательно подсоединены диод  и нагрузочный резистор .

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальным, т.е. принимают следующие допущения: у трансформатора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущения с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС.

Рис.9.2 Схема однополупериодного выпрямителя

Рис.9.3 Временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного выпрямителя

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм ри.9.3. В первый полупериод, т.е. в интервале времени , диод открыт, так как потенциал точки а выше потенциала точки , и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток . В интервале времени  диод закрыт, ток в нагрузочном резисторе отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение .

Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя и всех выпрямителей являются:

- средние значения выпрямленного тока и напряжения  и . 

- мощность нагрузочного устройства ;

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ;

- действующее значение тока и напряжения первичной и вторичной обмотки трансформатора ,  и , ;

- типовая мощность трансформатора , где , а ;

- коэффициент полезного действия

,

где - потери в трансформаторе, а потери в диодах - .

В однополупериодном выпрямителе (рис.9.3)

,   (1)

или

.

Ток  является прямым током диода, т.е.

.     (1(а))

Ток  является  током вторичной обмотки трансформатора: . Тогда с учетом (1) действующее значение этого тока

   (2)

При подсчете типовой мощности трансформатора практически без ошибок можно считать, что . Тогда

  (3)

Коэффициент пульсаций . Это значение получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

 (4)

Принимая во внимание, что коэффициент пульсаций  есть отношение амплитуды основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна , к выпрямленному напряжению , получим

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения.

Следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток  имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению к.п.д. всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств (например, электроннолучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10 -15 Вт.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметром выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того, чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде  при прямом токе  должно быть минимальным.

Предельный электрический режим диодов характеризуют следующие параметры:

- максимальное обратное напряжение ;

- максимальный прямой ток , соответствующий ..

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов .

Двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.9.4) состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор . Каждая пара диодов (Д1, Д3 и Д2, Д4) работает поочередно.

Диоды Д1, Д3 открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора  (интервал времени ), когда потенциал точки а  выше потенциала точки .

При этом в нагрузочном резисторе  появляется ток . В этом интервале диоды Д2, Д4 закрыты. В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени ) потенциал точки  выше потенциала точки , диоды Д2, Д4 открыты, а диоды Д1, Д3 закрыты. В оба полупериода тока, как видно из рис.9.4, проходит через нагрузочный резистор  имеет одно и то же направление.

Рис. 9.4 Схема мостового выпрямителя

Рис. 9.5 Временные диаграммы напряжений и токов мостового выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.9.6) можно рассматривать как сочетание двух однопериодных выпрямителей, включенных на один и тот же нагрузочный резистор . Действительно, в каждый из полупериодов напряжение  работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки 0 (интервал времени ), диод Д2 закрыт, так как потенциал точки  ниже потенциала точки . В этот период времени в нагрузочном резисторе  появляется ток  (рис.9.7). В следующий полупериод напряжение  (интервал времени ) потенциал точки  выше, а потенциал точки  ниже потенциала точки . Диод Д2 открыт, а диод Д1 закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе  имеет то же направление, что и в предыдущей полупериод. При одинаковых значениях напряжений  и  эти точки будут равны.

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощности. Существует два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

 

Рис. 9.6 Схема выпрямителя с   Рис.9.8 Схема трехфазного

выводом средней точки вторичной  выпрямителя с нейтральным

обмотки трансформатора   выводом

 

Рис. 9.7 Временные диаграммы  Рис.9.9 Временные диаграммы

напряжений токов выпрямителя с    напряжений и токов трехфазного

выводом средней точки вторичной   выпрямителя с нейтральным

обмотки трансформатора.    выводом.

На рис.9.8 изображена схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом. В него входят: трехфазный трансформатор, обмотки которого соединены звездой, три диода, включенные в каждую из фаз трансформатора, и нагрузочный резистор.

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, представленных на рис.9.9. Из рисунка видно, что диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток (например, а) более положителен, чем двух других (б и с). Выпрямленный ток в нагрузочном резисторе  создается токами каждого диода, имеет одно и то же направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз: .

Трехфазный мостовой выпрямитель, несмотря на то, что в нем используется в два раза больше диодов, по всем показателям превосходит рассмотренный трехфазный выпрямитель. Схема этого выпрямителя (рис.9.10) была предложена в 1923г. Советским ученным А.И.Ларионовым. Данный выпрямитель содержит мост из шести диодов. Диоды Д1, Д3, Д5 образуют одну группу, а диоды Д2, Д4, Д6 – другую. Общая точка первой группы диодов образует положительный полюс на нагрузочном резисторе , а общая точка второй группы - отрицательный полюс на нем. В этом выпрямителе каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе и двух диодов появляется тогда, когда к этим диодам приложено небольшое напряжение. Например, в интервал времени  (рис.9.11) ток возникает в цепи диод Д1- нагрузочный резистор Rн- диод Д4, так как к этим диодам приложено линейное напряжение Uаб., которое в этот интервал времени больше других линейных напряжений. В интервал времени t2-t3 открыты диоды Д1, Д6, так как к ним приложено наибольшее в это время линейное напряжение Uас., и т.д. Нетрудно видеть, что во все интервалы времени токи в нагрузочном резисторе Rн имеют одно и то же направление.

Рис. 9.10 Схема трехфазного выпрямителя

Рис. 9.11 Временная диаграмма напряжений и токов трехфазного выпрямителя

Из временных диаграмм (рис.9.11) видно, что пульсации выпрямленного напряжения значительно меньше, чем в трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом.

Как и в трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом, максимальное обратное напряжение здесь равно амплитудному значению линейного напряжения. Однако по отношению к среднему выпрямленному напряжению в мостовом выпрямителе оно в два раза меньше. Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по боратному напряжению.

9.2. Схемы

Схема 1 Однополупериодный выпрямитель

Схема 2 Мостовой  выпрямитель

Схема 3 Выпрямитель с выводом средней точки

Схема 4 Выпрямитель с удвоением  напряжения

9.3. Ход работы

  1.  Подключить амперметр и вольтметр к местам указанные на стенде.
  2.  На вход схемы 1 подключить первый канал осциллографа (усл. «+»- верхняя клемма, усл. «-»- нижняя клемма).
  3.  На выход схемы 1 подключить второй канал осциллографа (усл. «+»- верхняя клемма, усл. «-»- нижняя клемма).
  4.  Включить стол.
  5.  Изменяя сопротивление  снять 10-15 значений напряжения и тока.
  6.  Показания заносятся в таблицу.
  7.  С осциллографа зарисовываются входной и выходной сигнал.
  8.   Для схем 2, 3, 4 проделать пункты 1-7.
  9.   По полученным данным определить выходные сопротивления выпрямителей

,

где  - приращение выходного напряжения выпрямителя, соответствующее и приращению силы тока нагрузки на величину .

Построить графики вольтамперной характеристики.

9.4. Таблица

Название

схем

Измерения

Однополупериодный

выпрямитель

I, mA

U, В

, Ом

Мостовой

выпрямитель

I, mA

U, В

, Ом

Выпрямитель с выводом средней точки

I, mA

U, В

, Ом

Выпрямитель с удвоением напряжения

I, mA

U, В

, Ом

9.5. Контрольные вопросы

  1.  Назначение и классификация выпрямителей.
  2.  Структурная схема однофазного выпрямителя.
  3.  Принцип работы, схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.
  4.  Основные электрические параметры однополупериодного выпрямителя.
  5.  Преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя.
  6.  Основные требования к диодам, используемым для выпрямителей.
  7.  Схема, временные диаграммы и принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя.
  8.  Основные электрические параметры двухполупериодного мостового выпрямителя.
  9.  Схема, временные диаграммы и принцип работы двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.
  10.   Основные электрические параметры двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
  11.   Схема, временные диаграммы и принцип работы трёхфазного выпрямителя с нейтральным выводом.
  12.   Схема, временные диаграммы и принцип работы трёхфазного мостового выпрямителя.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64052. Разработка генетического алгоритма 1.98 MB
  Целью данной дипломной работы является разработка генетического алгоритма, в котором поэтапно описывается решение задачи о нахождении кратчайшего маршрута в существующей системе дорог. Задачи: проанализировать возможности генетических алгоритмов...
64053. Технологическая схема освоения месторождения Озерное 2.13 MB
  В экономическом отношении район характеризуется значительным развитием сельского хозяйства и горнодобывающей промышленности. Главным горным предприятием является Учалинский горно-обогатительный комбинат, продукцией которого являются медный, цинковый и пиритный концентраты.
64054. Исследование качества питьевой воды методом турбидиметрического фотометрирования 3.54 MB
  Вода, которая не вредит здоровью человека и отвечает требованиям действующих стандартов качества называется питьевой водой, в случае необходимости, чтобы вода соответствовала санитарно-эпидемиологическим нормам её проверяют...
64055. Организация рационального использования земель сельского поселения 1.21 MB
  Организация рационального использования земель и их охраны является важнейшим фактором и главными условием развития всех отраслей экономики страны и определяющей частью земельной политики государства. Отечественная практика и мировой опыт показывают что землеустройство является основным механизмом осуществления проводимой земельной политики...
64056. Значение гигиены полости рта в профилактике заболеваний пародонта 1.39 MB
  Я выбрал эту тему потому что она актуально в наше время современные эпидемиологические данные свидетельствуют не только о значительной распространенности патологии пародонта у детей и взрослых но и о влиянии на частоту заболевания зубных отложений гигиены полости рта...
64057. Проект частной мастерской по ремонту кузовов легковых автомобилей в условиях с.Ребриха 1.26 MB
  Зубило используют для прямолинейной рубки деталей из тонких листов для обрезания фасок на толстых металлических листах при отсутствии шлифовальной машинки а также для рубки металлических прутков и т. Рубку листа осуществляют зубилом установленным под углом к обрабатываемой поверхности...
64058. Разработка технологического процесса сборки и сварки подкрановой балки 773.5 KB
  Устройство поясов из нескольких листов, сваренных по продольным кромкам, менее предпочтительно ввиду необходимости сварки протяжённых швов, сложности обеспечения плотного прилегания поясных листов друг к другу, неравномерности распределения напряжений.
64059. РАЗРАБОТКА ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОГРАММ ДЛЯ РЕСТОРАНА КЛАССА «ЛЮКС» НА 100 ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ (ШВЕДСКИЙ СТОЛ) 633 KB
  Основными типами являются: Городские рестораны и кафе Располагаются в городах предполагают разнообразный набор блюд специализируются в предоставлении обедов ужинов работают в определенные часы и имеют многочисленную клиентуру; Рестораны и кафе самообслуживания...