Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока

"Исследование полупроводниковых выпрямителей переменного тока"

Теоретические сведения

Выпрямление переменного тока с помощью полупроводниковых диодов - один из основных процессов в электронике. Полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним p-n переходом и двумя внешними выводами от областей кристалла с различными типами электропроводности (рис.1).

Именно p-n переход является основой любого полупроводникового диода и определяет его свойства, технические характеристики и параметры.

Если к катоду присоединить "минус" источника питания, а к аноду - "плюс", то электроны из области n будут стремиться достичь анода, а "дырки" из области р будут притягиваться "минусом" катода. Следовательно, через p-n переход будет протекать ток, и диод будет открыт. Если изменить полярность, приложенную к выводам диода, то электроны из области n будут притягиваться "плюсом" катода, а "дырки" области р - "минусом" анода, и ток через p-n переход протекать не будет, следовательно, диод будет закрыт.

Таким образом, диод - это прибор, обладающий односторонней проводимостью, т.е. Через диод ток может протекать только в одном направлении. Существуют различные схемы выпрямителей переменного тока. Простейшей является схема выпрямителя с одним диодом (рис.2а).

В данном случае через нагрузку R_Н протекает ток только одной полуволны (рис.2 б). Поэтому среднее значение выпрямленного напряжения значительно меньше входного и составляет 0,45 от действующего напряжения на входе выпрямителя

U₀ = 0,45U_вх

Недостатком данной схемы является очень высокий коэффициент пульсаций:

U_~1

К_П = - --

U_d

где U_~1 - амплитуда переменной составляющей основной гармонии выпрямленного напряжения;

U_d - среднее значение выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации показывает, насколько выпрямленное напряжение отличается от прямой линии. Для приведенной выше схемы К_П=1,57.

С целью уменьшения пульсаций чаще всего применяют мостовую схему с четырьмя диодами (рис.3а):

В данном случае через нагрузку протекает ток обоих полупериодов. Так, при положительной полуволне входного напряжения ток протекает по следующей цепочке: клемма 1VD2R_HVD3клемма 2; при отрицательной полуволне (т.е. когда к первой клемме подводится "минус", а ко второй "плюс") ток протекает по следующей цепочке: клемма 2VD4R_HVD1клемма 1. Следовательно, при обеих полуволнах входного напряжения через нагрузку протекает ток в одном направлении (рис.3б). При этом среднее значение выпрямленного напряжения составляет 0,9 от действующего входного напряжения U₀=0,9U_вх.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения значительно меньше, чем у предыдущей схемы (рис.2а): К_П=0,67.

Аналогичный коэффициент пульсации дает схема с двумя диодами, но в этом случае еще необходим трансформатор с нейтральной точкой, поэтому такая схема применяется реже, в данной работе ее рассматривать не будем.

Для выпрямления трехфазного тока самой распространенной является мостовая схема (рис.4а).

В данной схеме одновременно от каждой фазы ток протекает по двум цепочкам (от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом):

Фаза AVD1R_HVD5фаза В

Фаза AVD1R_HVD6фаза С

Фаза ВVD2R_HVD6фаза С

Фаза ВVD2R_HVD4фаза А

Фаза СVD3R_HVD4фаза А

Фаза СVD3R_HVD5фаза В

При этом выходное напряжение близко к амплитудному значению линейного напряжения и составляет:

U_вых = 2,34U_{ф. вх}

На рис.4б видно, что пульсации выходного напряжения совсем незначительные и для данной системы К_П=0,05.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения применяют сглаживающие фильтры. В простейшем случае в качестве фильтра в схему параллельно нагрузке включают конденсатор (рис.5). Энергетической основой работы такого фильтра является накопление энергии емкостью в моменты времени, когда возрастает ток или напряжение в нагрузке, и отдача накопленной энергии в нагрузку, когда происходит спад напряжения или тока, при этом происходит замедление этого спада и заполнение "провалов" выходного напряжения. Чем больше емкость конденсатора, тем больше запасенной энергии и тем эффективнее сглаживаются пульсации выходного напряжения. Также для уменьшения пульсаций последовательно с нагрузкой включают дроссель (катушку индуктивности) (рис.5). Уменьшение пульсаций происходит за счет того, что индуктивность препятствует быстрому нарастанию тока и поддерживает ток при его уменьшении. Использование конденсаторов совместно с дросселем (на рис.5-рис.7 сглаживающий фильтр выведен пунктирной линией) позволяет получать выходное напряжение по форме, близкой к прямой линии.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему рис.5.

2. Снять осциллограмму входного напряжения и зарисовать ее в масштабе.

3. Снять показания приборов и осциллограмму выходного напряжения при следующих режимах:

Конденсаторы С1, С2 и дроссель L1 отключены;

Подключен конденсатор С1;

Подключены конденсаторы С1 и С2;

Подключены конденсаторы С1, С2 и дроссель L1.

Показания приборов свести в таблицу 1.

Собрать схему Рис.6.

Снять осциллограмму выходного напряжения и показания приборов при замкнутом положении выключателя S1.

6. Повторить пункт 5 при обрыве цепи диода VD1 выключателем S1.

7. Собрать схему рис.7.

8. Снять осциллограмму выходного напряжения и показания приборов при:

Замкнутом положении выключателей S1 и S2;

Разомкнутом положении S1 и замкнутом S2;

Обрыве диодов VD1 и VD3 (S1 и S2 разомкнуты).

Показания приборов свести в таблицу 2.

Содержание отчета

Название, цель работы.

Схема, таблицы.

Осциллограммы входного и выходного напряжения для всех опытов.

Краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы

Для чего необходимо выпрямлять переменный ток?

Почему диод проводит ток только в одном направлении?

Назовите преимущества и недостатки исследуемых схем.

Что такое коэффициент пульсации?

Почему при подключении конденсаторов параллельно нагрузке коэффициент пульсации уменьшается?

Каким образом дроссель сглаживает пульсации?

Что произойдет, если дроссель подключить параллельно нагрузке?

Что произойдет, если дроссель подключить последовательно с нагрузкой?

Как определить, какой диод в мостовой схеме вышел из строя?

Таблица 1.

Таблица 2.

Литература

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с. 208 - 218.

2. Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. - М.: Агропромиздат, 1986, с.296 - 303.