Исследование неуправляемых выпрямителей

Цель работы

 

Исследование установившихся процессов в одно- и трехфазных схемах выпрямления. Экспериментальное определение кпд и выходного сопротивления, снятие внешних характеристик выпрямителей при работе на активную нагрузку. Оценка степени влияния параметров элементов схемы и индуктивности рассеяния трансформатора на качественные показатели трехфазных выпрямителей.

 

Литература

1 Иванов–Цыганов А.И. Электроперобразовательные устройствам РЭС. Учебник для вузов по специальности радиотехника. – 3–е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1991. – 272 с., ил.

2 Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.М. Бушуев, А.С. Жерненко и др. Под ред. Ю.Д. Козляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 328 с., ил.

3 Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ О.А. Доморацкий, А.С. Жерненко, А.Д. Кратиров и др. – М.: Радио и связь, 1981. – 320 с., ил.

 

Пояснения к работе

 

Выпрямителем называется статический преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. В общем случае выпрямитель состоит из трансформатора, системы вентилей (диодов) и сглаживающего фильтра. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Структурная схема выпрямителя

Трансформатор преобразует уровень напряжения переменного тока на его первичной обмотке в необходимый, для получения требуемого напряжения на выходе выпрямителя. Система вентилей преобразует напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение U_d (рисунок 3.2), имеющее в своем составе постоянную составляющую U0 и ряд гармоник.

 

Рисунок 3.2 – Временные диаграммы напряжения

на входе и выходе выпрямителя при p = 2.

 

Сглаживающий фильтр уменьшает амплитуды всех гармонических составляющих пульсирующего напряжения – сглаживает пульсации.

Полезным эффектом выпрямления является постоянная составляющая – U₀.

Наибольшей из гармоник, как правило, является первая гармоника, частота и амплитуда которой определяется схемой выпрямления.

Напряжение U_d представляет собой периодическую функцию с периодом пульсаций, равным T_п = T/p или f_п = p ·f, где – пульсность или число фаз выпрямления (m₂ – число вторичных обмоток, – число полупериодов выпрямления или число тактов).

Расчет схемы выпрямления базируется на допущении, что вентили и трансформатор являются идеальными.

Под средневыпрямленным напряжением (U₀) понимается высота прямоугольника, эквивалентного по площади криволинейной трапеции, образованной выпрямленным напряжением за период повторения, который в общем случае равен 2p/р (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Средневыпрямленное напряжение

 

Так как площадь определяется вольт–секундным интегралом, то получим выражение для U_0.

(3.1)

Другим важным показателем является коэффициент выпрямления напряжения

. (3.2)

Амплитуда k - ой гармоники выпрямленного напряжения равна:

 

где k = 1,2,…n.

Качество выпрямленного напряжения оценивается величиной коэффициента пульсаций, который равен отношению амплитуды k – ой гармоники напряжения пульсаций к постоянной составляющей. Обычно его определяют только по первой гармонике

 

(равенство справедливо при p 2).

Эффективность использования трансформатора зависит от схемы выпрямления и оценивается коэффициентом использования трансформатора, который равен отношению мощности постоянной составляющей к суммарной

мощности вторичных обмоток трансформатора

(3.5)

где U_2ф и I_2ф – напряжение и ток фазы вторичной обмотки трансформатора;

m₂ – число фазных обмоток на вторичной стороне трансформатора.

Во время закрытого состояния диода к его аноду прикладывается более низкий потенциал, чем потенциал катода. Вентиль не проводит ток, а наибольшая разность потенциалов (т.е. амплитуда линейного напряжения), приложенная к непроводящему диоду, называется обратным напряжением.

 

Потери в выпрямителе оцениваются коэффициентом полезного действия: – отношение активной (полезной) мощности в нагрузке к потребляемой (активной) мощности.

Двухтактная однофазная схема. Двухтактная однофазная схема выпрямления изображена на рисунке 3.3. (форма напряжения соответствует рис.3.2). Эту схему также называют однофазной мостовой, поскольку четыре диода: VD1, VD2, VD3, VD4 – образуют мост, к одной диагонали которого подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузка выпрямителя. Общая точка катодов диодов VD3, VD4 служит положительным полюсом нагрузки, а общая точка анодов диодов VD1, VD2 – отрицательным полюсом. Диоды в схеме работают поочередно попарно:

 

 

Рисунок 3.3 – Двухтактная однофазная схема выпрямления

 

при положительной полуволне напряжения U₂, которая соответствует прямому напряжению диода VD3, ток протекает через VD3, VD2, а при отрицательной полуволне U₂, соответствующей прямому напряжению диода VD4, ток протекает через VD4 и VD1. Импульсы прямого тока диодов VD1…VD4, протекающие по вторичной обмотке трансформатора, имеют встречное направление, поэтому их постоянные составляющие взаимно компенсируются и сердечник трансформатора не имеет постоянного подмагничивания.

Период пульсаций выпрямленного напряжения T_П = T/2. Средние значения выпрямленного напряжения и тока соответственно равны: U₀=2U_2m/p, I₀ = U₀/R_н. Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к закрытым диодам, равно амплитудному значению напряжения U₂: U_ОБР = U_2m = = 1,57 U₀. Коэффициент пульсации по первой гармонике согласно (3.4) K_П1 = 0,667. Действующее значение тока, протекающего по вторичной обмотке трансформатора: I₂ = 1,11 I₀. Мощность вторичной обмотки трансформатора:

P₂ = 1,23 P_0.

Данная схема применяется в выпрямительных устройствах малой и средней мощности. Единственным недостатком схемы является большое число диодов, что увеличивает потери в схеме. Достоинством схемы является возможность работы без применения входного трансформатора.

Существует и другие схемы выпрямления, но наиболее широко известны трёхфазная однотактная и трехфазный мост.

 

Трехфазная однотактная схема выпрямления. Трехфазная однотактная схема выпрямления приведена на рисунке 3.4. Эту схему называют также

 

 

Рисунок 3.4 – Трехфазная схема с нулевым выводом

 

трехфазной с нулевым выводом или трехфазной со средней точкой. Она состоит из трехфазного трансформатора T и трех вентилей (диодов) VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения вентилей и средней точкой трансформатора. На рисунке 3.5 представлены эпюры токов и напряжений в различных точках схемы.

Рисунок 3.5 – Временные зависимости

 

Схема работает следующим образом. На интервале времени [t₁;t₂] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону напряжения фазы «a». В момент t₂ происходит коммутация тока с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы «b» становится более высоким по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается также фазное напряжение. На интервале времени [t₂; t₃] к диоду VD1 прикладывается обратное линейное напряжение фаз «b» и «a» и он находится в закрытом состоянии. В момент t₃ прикладывается линейное напряжения U_ca, так как ток переходит с вентиля VD2 на VD3. Достоинствами однотактной схемы являются:

· малое количество вентилей

· малое выходное сопротивление и высокий КПД при низких выходных напряжениях

· более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери, так как в цепи тока находится только один вентиль в любой момент времени)

· с точки зрения монтажа – существует возможность размещения вентилей на одном радиаторе, а также заземлять общую точку нагрузки и вторичных обмоток трансформатора.

 

К недостаткам этой схемы можно отнести:

· высокий уровень обратного напряжения (выходное напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения

· ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят немагнитный зазор

· более низкие качественные показатели (K_п , K₀) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления

· с точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником.

 

Основные соотношения для трехфазной однотактной схемы. Период пульсаций выпрямленного напряжения в 3 раза меньше периода сети

 

 

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке:

Коэффициент выпрямления по напряжению:

.

Действующее значение тока, протекающего по вторичной обмотке трансформатора: I₂ = 0,58 I₀. Коэффициент использования трансформатора:

где m₂ – число вторичных фазных обмоток;

U₂, I₂ – напряжение и ток фазы вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике:

Обратное напряжение на диоде определяется линейным напряжением на вторичной стороне трансформатора:

 

Трехфазная двухтактная схема (трехфазный мост, схема Ларионова). Трехфазная двухтактная схема выпрямления приведена на рисунке 3.6.

 

 

Рисунок 3.6 – Трехфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем выпрямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и работающих на общую нагрузку.

На рисунке 3.7 представлены эпюры токов и напряжений, поясняющие работу схемы.

 

 

Рисунок 3.7 – Временные зависимости для схемы Ларионова

 

На интервале [t₁;t₃] фаза «a» имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает c фазами «b и c» (т.к. к аноду прикладывается «+»). В момент времени t₃ происходит коммутация в катодной группе с VD2 на VD4, т.к. фаза «b» становится более положительной по отношению к другим фазам.

На интервале [t₂;t₄] фаза «c» имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду VD5 и он работает с фазами «a и b».

Достоинствами схемы выпрямления являются:

· высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях выходного напряжения;

· малое значение коэффициента пульсаций по сравнению с однотактной схемой;

· возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи;

· отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный);

· хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода).

К недостаткам схемы можно отнести:

· большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет протекания тока через два вентиля, что не позволяет использовать схему при больших токах нагрузки;

· наличие двух радиаторов для анодной и катодной групп вентилей;

· отсутствие общей точки между трансформатором и нагрузкой.

В связи со своими достоинствами эта схема получила очень широкое распространение.

 

Основные соотношения для трёхфазной двухтактной схемы.

p = 6 (пульсность);

.

На основании рассмотрения различных схем можно сделать вывод, что для повышения качества выпрямленного напряжения (уменьшения коэффициента пульсаций) необходимо увеличивать пульсность схемы выпрямления. Существуют следующие способы ее повышения:

- увеличение фазности питающего напряжения,

- увеличение тактности работы системы вентилей,

- расщепление фазных напряжений за счет соединения вторичных обмоток трансформатора «зигзагом».

Очевидно, что при p®¥: К₀® , а U₀®U_2m.

Влияние индуктивности рассеяния трансформатора на выпрямленное напряжение в трехфазной схеме выпрямления с нулевым выводом. В момент коммутации t₁ (рисунок 3.5) по первому закону коммутации ток VD1 не может скачком измениться до нуля, происходит снижение тока по экспоненциальному закону. Ток в цепи диода VD2 также нарастает по экспоненте. К нагрузке прикладывается напряжение двух фаз («a и c»), что уменьшает уровень выпрямленного напряжения и увеличивает уровень пульсаций напряжения на нагрузке.

При работе на индуктивную нагрузку происходит аналогичное влияние на форму выпрямленного напряжения угла коммутации, связанного с индуктивностью рассеяния трансформатора – L_S. Величина угла коммутации γ зависит от L_S, поэтому данная схема имеет ограничение по току нагрузки. Схема замещения трехфазной схемы с нулевым выводом представлена на рисунке 3.8.

 

Рисунок 3.8 – Схема замещения

 

На рисунке 3.9 изображены зависимости токов и напряжений в цепях, поясняющие процессы в схеме выпрямителя с учетом угла коммутации g.

 

 

Рисунок 3.9 - Временные зависимости токов и напряжений

 

 

Используя метод узловых потенциалов, получим выражение для среднего значения выходного напряжения выпрямителя с учетом влияния индуктивности рассеяния:

,

где - дифференциальное сопротивление диода.

При получении выражения для U₀ заштрихованную площадь S₁ описывают синусоидальным законом изменения напряжения при 0.5U_2m, как показано на рисунке 3.10

,

 

где

 

.

Рисунок 3.10 – Аппроксимация напряжения U_d

 

Таким образом, увеличение угла коммутации γ приводит к снижению выходного напряжения выпрямителя.

Внешняя характеристика выпрямителя. Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость средневыпрямленного напряжения от изменения тока нагрузки. На рисунке 3.11 представлена схема замещения

 

Рисунок 3.11 – Схема замещения выпрямителя

выпрямительного устройства со стороны постоянного тока. Здесь R_ВН – внутреннее сопротивление выпрямителя (активное сопротивление потерь), которое включает активные потери в обмотках трансформатора – R_КЗ, потери в дросселе сглаживающего фильтра – R_ф и потери в диодах – R_ДИН, U_пор – начальное смещение ВАХ вентиля, N_Д – число вентилей, одновременно проводящих ток. Очевидно, что внешняя характеристика имеет падающий характер. Всегда имеет место U₀< U_0хх.

Для анализа влияния индуктивности рассеяния трансформатора (L_s) на внешнюю характеристику выпрямителя в трехфазной схеме с нулевым выводом вводят параметр , учитывающий влияние L_s. С увеличением тока нагрузки спад внешней характеристики (рисунок 3.12) будет больше.

 

 

Рисунок 3.12 – Внешняя характеристика с учетом индуктивности рассеяния трансформатора

 

Влияние магнитной асимметрии на работу выпрямителя. На входе выпрямителя, как правило, установлен трехфазный трансформатор с объединенной магнитной системой, у которого обмотки расположены на трех стержнях (рисунок 3.13). В таком трансформаторе, вследствие различия

 

 

Рисунок 3.13 – Трехфазный трансформатор с объединенной магнитной системой

магнитных сопротивлений для разных фаз намагничивающие токи фазных обмоток не равны между собой: токи крайних фаз (I_ОА и I_ОС) больше тока средней фазы (I_ОВ). Это приводит к нарушению фазовой симметрии (углы сдвига отличаются от 120 градусов). Для уменьшения магнитной асимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение верхнего и нижнего ярма делают на 10…15% больше, чем стержня. Однако, асимметрия всё равно остаётся и приводит к асимметрии фазных напряжений (рисунок 3.14).

Напряжение в фазе В больше напряжения других фаз из – за снижения потерь в магнитопроводе, а векторы фазных напряжений А и С имеют отклонения относительно симметричной магнитной системы на угол α.

 

Рисунок 3.14 – Векторная диаграмма трехфазной системы

 

Асимметрия фазных напряжений приводит к искажению формы выпрямленного напряжения (рисунок 3.15), изменению уровня среднего

 

 

Рисунок 3.15 – Временные зависимости напряжений

 

напряжения на выходе выпрямителя и появлению низкочастотных составляющих пульсаций, что снижает качественные показателя выходного напряжения.

 

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа №3 состоит из двух отдельных работ:

- Исследование однофазного мостового неуправляемого выпрямителя (Файл S1mostn);

- Исследование трехфазного неуправляемого выпрямителя (Файл S3mostn).