Схемы выпрямителей, фильтров. Расчет устройств

Схемы выпрямителей, фильтров
MATLAB приложение Simulink
Основные схемы выпрямления
Двухполупериодная схема со средней точкой
Мостовая схема схема Греца
Трехфазная нулевая (схема звезда-звезда)
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)
Выпрямительные диоды
Выбор вентилей выпрямительного устройства
Классификация сглаживающих фильтров
Коэффициенты фильтрации и сглаживания фильтра
Расчет Г-образного индуктивно-емкостного фильтра
Методики анализа и расчета выпрямителей
Примеры расчета выпрямителя с емкостным фильтром
Находим коэффициент трансформации
Расчет выпрямителей при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента
Модель выпрямителя с учетом активных сопротивлений в фазах
Моделирование электротехнических устройств в пакете MATLAB
Состав библиотеки Simulink
Измерительные блоки библиотеки Simulink
Осциллограф Scope
Создание собственных измерительных блоков в Simulink
Моделирование электротехнических устройств в SimPowerSystems
Источники электрической энергии Electrical Sources
Электротехнические элементы Elements
Особенности моделирования трансформаторных схем
Модели полупроводниковых ключевых элементов в SimPowerSystems
Примеры моделирования выпрямителя с емкостным фильтром в пакете MATLAB
Вариант модели мостового выпрямителя для параметрического анализа
Пример моделирования выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром в пакете MATLAB

Методики анализа и расчета выпрямителей

Анализ работы выпрямителя гармонического напряжения при нагрузке, начинающейся с емкостного элемента

Проведем анализ работы выпрямителя гармонического напряжения с нагрузкой, начинающейся с емкостного элемента, и рассмотрим процессы в многофазных схемах выпрямителей (рис. 2.1, а). Возьмем в качестве вентиля идеализированный диод с потерями, а в трансформаторе учтем только сопротивления обмоток. Примем за r сумму активных сопротивлений вентиля и обмоток трансформатора (рис. 2.1, б):

 (2.1)

Рассмотрение начнем с момента . В этот момент (рис. 2.1, в) напряжение на конденсаторе больше ЭДС любой из фаз и все вентили закрыты. Разряжаясь, конденсатор создает на нагрузке экспоненциально спадающее напряжение. При   спадающее напряжение на конденсаторе сравняется с возрастающей ЭДС первой фазы , вентиль этой фазы откроется и начнет пропускать ток. Ток вентиля частично идет на подзарядку конденсатора, а частично в нагрузку.

При зарядке конденсатора напряжение на нем растет и при угле   сравнивается с уменьшающейся ЭДС первой фазы. Вентиль закрывается и начинается разрядка конденсатора на нагрузку, которая продолжается до угла . При угле  открывается вентиль второй фазы, конденсатор вновь подзаряжается и т.д. За один период выпрямляемого напряжения поочередно срабатывают вентили всех фаз.

Определим ток вентиля, исходя из эквивалентной схемы открытой фазы (рис. 2.1, б). В данной схеме разность ЭДС фазы и выпрямленного напряжения получается из-за падения напряжения на сопротивлении r и, следовательно,

 (2.2)

Таким образом, по форме ток вентиля совпадает с напряжением , равным разности ЭДС фазы и выпрямленного напряжения (рис. 2.1, в, г).

Импульс тока вентиля второй фазы совпадает по значению и форме с импульсом тока первой фазы, но запаздывает на угол  (рис. 2.1, д). Общий выпрямленный ток  представляет собой сумму токов всех вентилей, подходя к точке а (рис. 2.1, а) он делится. Часть его   течет через нагрузку, а часть  – через конденсатор. Ток , проходящий в нагрузке, повторяет по форме выпрямленное напряжение (рис. 2.1, ж). Ток, проходящий через конденсатор, можно найти, вычтя ток нагрузки из общего выпрямленного тока (рис. 2.1, з).

Рис. 2.1. Схемы (а, б) и диаграммы электромагнитных процессов выпрямителя гармонического напряжения с емкостным фильтром (в - и).

Напряжение на вентиле первой фазы  меняется по сложному закону, близкому к косинусоидальному (рис. 2.1, и), оно положительно лишь в небольшой части периода. Отрицательное обратное напряжение достигает максимума при :

 , (2.3)

что значительно больше выпрямленного напряжения.

Увеличение сопротивления нагрузки  приводит к уменьшению тока нагрузки  и замедлению разрядки конденсатора. Поэтому ЭДС первой фазы становится равным выпрямленному напряжению несколько позже, т.е. угол  по абсолютному значению уменьшается (рис. 2.2, а). При  зарядке конденсатора через большое сопротивление нагрузки ответвляется меньшая часть тока вентиля. Следовательно, конденсатор зарядится быстрее, что вызовет уменьшение угла . Таким образом, уменьшение тока нагрузки приводит к уменьшению углов отсечки тока (рис. 2.2, б), увеличению значения выпрямленного напряжения от  до  и сокращению его пульсаций. При токе нагрузке, равном нулю, конденсатор не разряжается и на нем создается постоянное напряжение , равное амплитуде ЭДС . Амплитуда обратного напряжения на вентиль получается при этом максимальной:

 (2.4)

Из рассмотренного можно сделать вывод, что внешняя характеристика выпрямителя, работающего на нагрузку, начинающуюся с емкостного элемента, есть ниспадающая кривая (рис. 2.2, в), а угол отсечки зависит от тока нагрузки.

Емкость конденсатора сказывается не только на пульсациях выпрямленного напряжения, но и на форме импульса тока вентиля. При очень большой емкости конденсатора выходное напряжение почти постоянно и импульс тока симметричен, т.к. углы отсечки  и  равны. При уменьшении емкости импульс немного искажается по форме и сдвигается в сторону опережения. Угол отсечки  становится больше угла .

В итоге необходимо отметить следующее [6]:

1) при нагрузке, начинающейся с конденсатора, выпрямитель работает с отсечкой тока. Импульсы тока вентилей имеют длительность, меньшую T/m;

2) выпрямленное напряжение и ток нагрузки имеют пилообразную форму;

3) чем больше ток нагрузки, тем больше угол отсечки тока и тем меньше выпрямленное напряжение;

4) емкость конденсатора определяет как напряжение пульсаций, так и отклонение от косинусоидальной формы импульса тока.

С уменьшением сопротивления фазы r зарядный ток возрастает и напряжение на выходном конденсаторе нарастает круче, чем это показано на рис. 2.1, в.

Рис. 2.2. Диаграммы электромагнитных процессов (а, б) для нагрузок  и  () и внешняя характеристика выпрямителя (в).

В бестрансформаторных выпрямителях сопротивление вентилей и проводов, подводящих энергию к выпрямителю, настолько мало, что напряжение на конденсаторе при его зарядке следует за ЭДС работающей фазы (рис. 2.3, а). При этом ток вентиля:

, (2.5)

где  - амплитуда фазного напряжения сети,  - ток нагрузки, принятый постоянным.

По сравнению со случаем, когда зарядный ток ограничивался сопротивлением зарядной цепи, импульс тока (рис. 2.3, б) становится асимметричным. Выходной конденсатор выпрямителя заряжается до напряжения  от каждой из фаз сети. Зарядка конденсатора током вентиля продолжается до угла  (первая фаза). При > 0 ток вентиля становится меньше тока нагрузки и при  достигает нуля, вентиль закрывается. Положив в (2.5) , получим выражение для определения угла выключения вентилей :

 (2.6)

При  напряжение на конденсаторе спадает линейно, т.к. ток нагрузки считается постоянным. Когда ωt достигает значения , спадающее напряжение на конденсаторе сравнивается с возрастающей ЭДС второй фазы , после чего начинается подзарядка конденсатора током второй фазы. Таким образом, минимальное напряжение на выходном конденсаторе оказывается равным

 (2.7)

Углы  и  связаны нелинейной зависимостью (рис. 2.3, в).

Рис. 2.3. Диаграммы электромагнитных процессов в бестрансформаторном выпрямителе (а, б) и зависимость углов  и  (в).

  • Лабораторная работа состоит из двух разделов расчетного и экспериментального. Подготовка генератора ЗГ-111 к работе
  • Характеристики и параметры биполярных транзисторов Изучить свойства биполярного транзистора путем снятия входных и выходных характеристик.
  • Аналогичные результаты получаются и в случае подачи на эмиттерный переход переменного напряжения. Дополнительная мощность, выделяющаяся на нагрузочном резисторе получается за счет коллекторного источника энергии Ек. Транзистор, таким образом, управляет энергией коллекторного источника, заставляя ее изменяться по закону изменения входного напряжения.
  • Различают входные характеристики, которые определяют зависимость входного тока i1 от входного напряжения u1 при постоянном выходном напряжении u2; а также выходные характеристики, определяющие зависимость выходного тока i2 от выходного напряжения u2 при постоянном входном токе i1.
  • Рабочая схема для снятия характеристик транзистора
  • Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)