Исследование схем выпрямления и сглаживающих фильтров. Методические указания

ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ

УСТРОЙСТВА РЭС

Методические указания

к выполнению лабораторных работ 1 - 6

Санкт-Петербург

Составители: канд. техн. наук доц. В.М. Смирнов,

канд. техн. наук доц. В.Н. Филатов

Рецензент: канд. техн. наук доц. В.Г. Нефедов

Методические указания содержат рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Электропреобразовательные устройства РЭС». Работы выполняются в лаборатории, оснащенной современными измерительными приборами и выполняются на лабораторных макетах. Студенты приобретают навыки работы с измерительной аппаратурой, исследуют работу электропреобразовательных устройств.

Предназначены для студентов очной, вечерней и заочной форм обучения по направлению 210400 «Радиотехника».

Методические указания подготовлены кафедрой №21 «Радиотехнических и оптоэлектронных комплексов» и рекомендованы к изданию редакционно-издательским центром Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Редактор

Компьютерная верстка

__________________________________________________________

Сдано в печать 2014. Подписано к печати 2014. Формат 60 х 84 1/16.

Бумага офсетная. Усл. печ. л.. Тираж 100 экз. Заказ №

__________________________________________________________

Редакционно-издательский центр ГУАП

Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ И СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ

Цель работы: исследование основных характеристик однофазных схем выпрямления и сглаживающих фильтров.

Методические указания по подготовке к работе

Схемы выпрямления можно классифицировать по следующим признакам:

- по числу фаз вторичной обмотки силового трансформатора - однофазные, двухфазные, трехфазные и т. д.

- по числу импульсов тока во вторичной обмотке за период выпрямляемого напряжения одной фазы – однотактные и двухтактные.

Режим работы выпрямителей и процессы, протекающие в них, определяются схемой выпрямителя и характером нагрузки. Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителя являются: среднее значение выпрямленного тока в нагрузке I _н и напряжение на нагрузке U _н, коэффициент пульсаций К _п, нагрузочная характеристика U _н = f (I _н) при неизменном входном напряжении.

В работе могут быть исследованы следующие схемы выпрямления:

- однофазная однотактная (1Ф1Т);

- однофазная двухтактная или мостовая (1Ф2Т);

- симметричная схема удвоения напряжения (схема удвоения);

Однофазная однотактная схема (рис. 1, а) имеет ряд недостатков: большую величину пульсаций, малую частоту пульсаций (равную частоте сети), значительную величину обратного напряжения на вентиле, большие габариты трансформатора вследствие плохого использования обмоток и намагничивания сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока. Единственным достоинством такого выпрямителя является его простота.

Однофазный двухтактный выпрямитель, или мостовая схема (рис. 1, б) имеет ряд преимуществ перед однофазной однотактной схемой. Токи первичной и вторичной цепей трансформатора изменяются во времени по одному и тому же закону, намагничивание магнитопровода трансформатора практически отсутствует, больше частота пульсаций.

Схемы умножения напряжения применяются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Принцип их действия заключается в заряде последовательно соединенных конденсаторов до напряжения, превышающего напряжение вторичной обмотки трансформатора в несколько раз. Подобные схемы позволяют уменьшить габариты и вес выпрямителя. В данной лабораторной работе исследуется симметричная схема с удвоением напряжения.

Сглаживающие фильтры, которые ставятся между выпрямителем и нагрузкой, должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать необходимую степень сглаживания пульсаций;

- не вносить больших потерь мощности;

- не нарушать работу выпрямителя и потребителя;

- иметь собственную частоту ниже частоты первой гармоники пульсаций;

- быть экономичными, т.е. иметь малые габариты, вес и стоимость.

Качество работы фильтра определяется коэффициентом сглаживания:

, (1)

где К _п1 – коэффициент пульсаций до фильтра; К _п – коэффициент пульсаций после фильтра.

Простейшими фильтрами являются индуктивность (дроссель), последовательно соединенная с нагрузкой, либо емкость, включаемая параллельно с нагрузкой. Первый применяется в мощных устройствах с большими токами в нагрузке, а второй – наоборот, при малых токах в нагрузке.

Но такие фильтры не могут обеспечить получение больших коэффициентов сглаживания, и на практике применяются более сложные Г-образные и П-образные фильтры.

Основными недостатками LC -фильтров являются:

- создание дросселем электромагнитных помех;

- возникновение переходных процессов, влияющих их на работу питаемых радиоустройств;

- зависимость величины К _с от тока нагрузки.

Описание лабораторной установки

Исследования проводятся на макете, принципиальная схема которого изображена на рис. 1.2. Макет позволяет исследовать однофазный однотактный выпрямитель, однофазный двухтактный выпрямитель и симметричную схему удвоения напряжения.

Все эти схемы выпрямителей реализуются с помощью трехфазного трансформатора Тр1, у которого каждая вторичная обмотка имеет вывод от средней точки, и специальных соединительных колодок S2, которые осуществляют необходимые коммутации выводов обмоток трансформатора и вентилей для получения необходимой схемы выпрямления. Соединительная колодка, соответствующая исследуемой схеме выпрямителя, вставляется в разъем, расположенный на лицевой панели макета. Первичные обмотки трехфазного трансформатора подключаются к сети тумблером S1 («Сеть»). На ней также имеются: переключатель регулировки активной нагрузки S6 («Регулировка нагрузки»); переключатель S 5 («Регулировка емкости фильтра»), позволяющий дискретно менять величину емкости фильтра, подключенного параллельно нагрузке, причем в крайнем левом положении ручки переключателя (в положении 1) эта емкость отсутствует, что необходимо при чисто активной нагрузке и при

исследовании индуктивного фильтра; над соединительной колодкой размещены два тумблера: верхний S3 («Дроссель»), включающий индуктивность фильтра L1 и нижний S4 («Пост. емкость»), включающий конденсатор фильтра С1.

На лицевой панели размещаются также измерительные приборы: амперметр и вольтметр для измерения фазного тока и фазного напряжения, амперметр и вольтметр для измерения тока нагрузки и напряжения на нагрузке, на рис.1.2 они обозначены соответственно pA и pV.

С помощью осциллографа измеряются пульсации напряжения в схемах и наблюдаются формы напряжений и токов в различных точках схемы.

Порядок выполнения работы

1. Включить макет тумблером S1 «Сеть».

2. При проведении всех исследований необходимо зарисовать форму напряжения, наблюдаемого на экране осциллографа.

3. Исследовать однофазную однотактную схему выпрямления при работе на активную нагрузку (снятие нагрузочных характеристик). Для этого переключатель S5 установить в положение 1, тумблеры S3, S4 установить в положение «выкл.».

Изменяя величину сопротивления нагрузки с помощью переключателя S6, снять показания приборов, данные свести в таблицу 1. Размах пульсаций U_m измеряется с помощью осциллографа.

Таблица 1

Коэффициент пульсаций К _п1 рассчитывается для первой гармоники по формуле:

, (2)

где U_{m 1}=0,5 U _m – амплитуда первой гармоники пульсаций на выходе выпрямителя.

Построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), К _п1 = f(I _н ).

4. Исследовать однофазную двухтактную схему выпрямления при работе на активную нагрузку (снятие нагрузочных характеристик). Данные свести в таблицу, аналогичную табл. 1, построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), К _п1 = f(I _н ).

5. Исследовать однофазную двухтактную схему выпрямления при работе на индуктивную нагрузку (т. е. когда в качестве фильтра включен только один дроссель, тумблер S4 в положении «Выкл.», тумблер S3 в положении «Выкл.»). Снять нагрузочную характеристику схемы.

Данные свести в таблицу, аналогичную табл. 1, но в последний столбец вместо К _п1 вписать К _п.

Рассчитать величину коэффициента пульсаций на выходе фильтра по формуле:

, (3)

где U_{m 1}=0,5 U _m – амплитуда первой гармоники пульсаций на выходе фильтра.

Построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), I _ф = f(I _н ), К _п = f(I _н ).

6. Исследовать однофазную двухтактную схему выпрямления при работе на емкостную нагрузку:

а) снять нагрузочную характеристику схемы: тумблер S3 в положении «Вкл.», тумблер S4 в положении «Вкл.», данные свести в таблицу, аналогичную табл. 1, но в последний столбец вместо К _п1 вписать К _п. Коэффициент пульсаций на выходе фильтра считать по формуле (3).

Построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), I _ф = f(I _н ), U _m = f(I _н ), К _п = f(I _н ).

б) исследовать влияние величины емкости конденсатора фильтра на работу схемы выпрямления (тумблер S4 в положении «выкл», величина сопротивления активной нагрузки выставляется постоянной – переключатель S6 в положении 2), коэффициент сглаживания рассчитывается по формуле (1), где К _п1 – коэффициент пульсаций берется из п. 4 (при активной нагрузке); К _п рассчитывается по формуле (3). Меняя последовательно положения переключателя S5, произвести измерения.

Данные свести в табл. 2, построить графики зависимостей U _н = f(С _ф ), I _н = f(С _ф ), К_с = f(С _ф ),

Таблица 2

7. Исследовать схему удвоения напряжения. Снять нагрузочные характеристики. Данные свести в таблицу 6, аналогичную таблице 1, построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), К _п1 = f(I _н ).

8. Исследовать схему сложного фильтра. По указанию преподавателя могут быть исследованы либо Г-образный LC-фильтр (тумблер S3 в положении «Выкл.», тумблер S4 в положении «Выкл.», тумблер S5 в положении 2) с однофазной двухтактной схемой выпрямления, либо П-образный LC-фильтр (тумблер S3 в положении «Выкл.», тумблер S4 в положении «Вкл.», тумблер S5 в положении 2) с однофазной однотактной схемой выпрямления.

а) Снять нагрузочные характеристики. Данные свести в таблицу, аналогичную таблице в п. 5, построить графики зависимостей U _н = f(I _н ), К _п = f(I _н ).

б) Исследовать влияние величины емкости фильтра на работу схемы, меняя последовательно положения переключателя S5. Данные свести в таблицу, аналогичную табл. 2 (см. п. 6), по ним построить графики U _н = f(С _ф ), К_c = f(С _ф ).

Оформление отчета

В отчете по лабораторной работе должны быть представлены следующие материалы:

1. Исследуемые схемы выпрямителей и фильтров (рис. 1, 2).

2. Таблицы, содержащие результаты измерений и расчетов.

3. Графики зависимостей результатов измерений и расчетов.

4. Выводы по результатам исследования.

Библиографический список

1. Электропитание устройств связи: учебник для вузов / под ред. Ю.Д. Козлова. - М.: Радио и связь, 1998. С. 69-130.

2. Иванов-Цыганов А. И. Электропреобразовательные устройства РЭС. М.: Высшая школа, 1991.С. 65–110.

3. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: уч. пособие для вузов / В. М. Бушуев и др. – М.: Горячая линия-Телеком, 2011. С. 127 – 142, 180 – 193.

______________