Мета роботи – виконати дослідження симетричних та несиметричних трифазних кіл при з’єднанні навантаження зіркою та трикутником.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Під трифазною симетричною системою ерс (електрорушійних сил) розуміють сукупність трьох синусоїдних ерс однакових частоти та фази, які зміщені між собою по фазі на 120⁰. Для того, щоб відрізнити три ерс у системі, одну з них позначають е_А (фаза А), ту, яка відстає від неї на 120⁰ – е_В (фаза В) і ту, яка випереджає її – е_С (фаза С). Відповідно до цього миттєві значення фазних ерс виражаються такими формулами (якщо за t = 0 прийняти момент часу, коли напруга фази А проходить через нуль і стає додатною):

(2.1)

В комплексному виді (при суміщенні дійсної осі з напругою фази А) фазні напруги записуються:

(2.2)

На рисунку 2.1 наведений графік миттєвих значень ерс всіх трьох фаз.

Рисунок 2.1 - Графік миттєвих значень е_А, е_В, е_С

Напруги на обмотках трифазного джерела зручно показати у вигляді векторної діаграми, рисунок 2.2.

Трифазне коло складається з трифазної системи ерс (генератор), трифазного навантаження та з’єднувальних проводів. На схемах трифазний генератор наводять у вигляді трьох обмоток, які найчастіше з’єднують зіркою. Прийнято вважати початком кожної фази ту її точку, в якій позитивно спрямований струм надходить з обмотки генератора у зовнішнє коло, і кінцем фази – ту точку, в якій позитивно спрямований струм надходить із зовнішнього кола в обмотку генератора. Початки фаз позначають буквами А, В, С, а кінець – буквою О.

Е_В

Е_С

Е_А

120⁰

Рисунок 2.2 - Векторна діаграма напруг трифазного джерела

Якщо навантаження фаз мають однакову величину і характер, то струми в них І_А, І_В, І_С будуть однаковими за величиною і зміщені на однакові кути відносно відповідних ерс. Між собою ці струми будуть мати також зсуви 120⁰ (як і ерс), отже, як легко побачити з векторної діаграми, рисунок 2.2, струми у фазах будуть об’єднані таким співвідношенням:

(2.3)

Таке навантаження називається симетричним.

Рисунок 2.3 - Схема з’єднання навантаження зіркою

Обмотки фаз генератора, три однофазних генератори або три навантаження можна з’єднати за схемою зірки або трикутника.

На рисунку 2.3 наведена схема з’єднання навантаження зіркою. Спільна точка, в якій об’єднані кінці фаз генератора (або приймача - навантаження), називається його нульовою точкою або нейтраллю, а провід, що з’єднує нульові точки О і О₁ – нульовим або нейтральним проводом. Струм у нейтральному проводі, як видно із схеми, є сумою фазних струмів:

(2.4)

Напруги між початками фаз генератора або приймача і його нейтраллю, які позначаються U_A, U_B, U_C, називаються фазними напругами. Напруги між початками фаз відповідно А і В, В і С, С і А, які позначаються U_AB, U_BC i U_CA, називаються лінійними напругами. Враховуючи, що точка О є точкою нульового потенціалу, а точкам А, В і С відповідають фазні напруги U_A, U_B і U_C (потенціали цих точок дорівнюють фазним напругам), то лінійні напруги можна записати у такому вигляді:

(2.5)

Наведену операцію віднімання зручно продемонструвати на векторній діаграмі шляхом додавання векторів і , і , і . Це показано на рисунку 2.4. З діаграми видно, що величина і напрямок векторів лінійних напруг можуть бути отримані простішим шляхом, якщо з’єднати прямою лінією кінці векторів відповідних фазних напруг, причому вектор лінійної напруги спрямований від кінця того, що віднімається, до кінця того, від якого віднімають. Три вектори лінійних напруг однакові за величиною і повернуті між собою, як і фазні напруги, на кут 120⁰. При цьому зірка лінійних напруг зміщена відносно зірки фазних напруг на кут 30⁰ вперед. Якщо розглянути будь-який рівнобедрений трикутник (наприклад ОАВ) з кутом при вершині 120⁰, то можна отримати важливе співвідношення між лінійною і фазною напругами для трифазного кола при з’єднанні навантаження зіркою:

(2.6)

-U_B

U_AB

U_CA U_A U_AB U_BC

U_C U_B -U_C

C U_BC B

-U_A U_CA

Рисунок 2.4 - Векторна діаграма фазних та лінійних напруг

Зі схеми, рисунок 2.3, видно, що для з’єднання навантаження зіркою лінійний струм дорівнює фазному:

(2.7)

Розглянемо тепер з’єднання навантаження трикутником. Схема такого з’єднання наведена на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 - Схема з’єднання навантаження трикутником

При такому з’єднанні не розрізняють фазні і лінійні напруги, оскільки напруга між початком і кінцем кожної фази приймача (навантаження) виявляється в той же час і лінійною напругою. Але з’являється різниця між фазними струмами навантаження і та лінійними струмами і Згідно з законом Кірхгофа для наведеної схеми можна записати:

(2.8)

Із співвідношень (2.8) витікає, що сума лінійних струмів дорівнює нулю:

(2.9)

Векторна діаграма зображена на рисунку 2.6. На цій діаграмі показане векторне віднімання фазних струмів відповідно до співвідношень (2.8) (аналогічно з’єднанню навантаження зіркою). Векторна діаграма відповідає випадку симетричного навантаження, коли фазні струми і рівні за величиною і зміщені на однакові кути відносно відповідних фазних (лінійних) напруг U_AB, U_BC i U_CA. Лінійні струми і також виявляються рівними між собою і симетрично розташованими, причому зірка лінійних струмів зміщена відносно зірки фазних струмів на 30⁰ назад.

U_AB

-I_CA

I_AB I_A

I_C

-I_BC

I_CA

I_BC

U_CA U_BC

-I_AB

I_B

Рисунок 2.6 - Векторна діаграма фазних та лінійних струмів

Вектор кожного з лінійних струмів, рисунок 2.6, є основою рівнобедреного трикутника з кутом 120⁰ при вершині, тому між значеннями лінійного і фазного струмів при симетричному навантаженні та з’єднанні його трикутником має місце таке ж співвідношення, як і між лінійною та фазною напругами при з’єднанні навантаження зіркою, отже:

(2.10)

Як вже зазначалось, для з’єднання навантаження трикутником справедливе також таке співвідношення:

(2.11)

Потужність трифазної системи дорівнює сумі потужностей окремих фаз:

активна

(2.12)

реактивна

(2.13)

повна

(2.14)

Для симетричного навантаження маємо:

(2.15)

Якщо брати до уваги співвідношення між лінійними і фазними напругами і струмами (2.6, 2.7, 2.10, 2.11), а також співвідношення (2.15), то для симетричної трифазної системи незалежно від схеми з’єднання (зірка чи трикутник) потужності можна визначити так:

активна

(2.16)

реактивна

(2.17)

повна

(2.18)

Коефіцієнт потужності для трифазної системи визначається як відношення активної потужності до повної або через відповідні опори:

(2.19)

(2.20)

Очевидно, активна і реактивна потужності в будь-якій фазі можуть бути визначені з використанням відомого співвідношення (якщо відомі відповідні величини фазного струму та активного чи реактивного опорів):

(2.21)

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Для безпечного виконання лабораторних робіт трифазна електрична система (лабораторний трифазний генератор) створена шляхом трансформації трифазної мережної напруги до величини фазної напруги близько 17 В. Вторинні обмотки трансформаторів гальванічно розв’язані між собою і з’єднані з лабораторним стендом через запобіжники. На рис. 2.7 наведена принципова схема лабораторного трифазного генератора, з якої видно, що кожна фаза створеної трифазної системи закінчується двома незалежними клемами: фаза А – , фаза В – , фаза С – .

Рисунок 2.7 – Схема лабораторного трифазного генератора

Схеми лабораторного макета для дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «зірка» та «трикутник» показані на рис. 2.8 та 2.9 відповідно, а на рис. 2.10 – вигляд плати макета.

Рисунок 2.8 – Схема лабораторного макета для дослідження

параметрів трифазної електромережі за схемою включення «зірка»

Зі схеми лабораторного макета для дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «зірка», рис. 2.8, видно, що для створення несиметричного навантаження у фазі А передбачена можливість зміни резисторів з різними номіналами, а також під’єднання дроселя. При симетричному навантаженні використовуються резистори номіналом 1 кОм, при несиметричному – резистори 2 кОм і 510 Ом. Індуктивність дроселя 3 і 5 Гн. Для зручного визначення значень струмів у фазах та нормалі встановлені низькоомні (по 10 Ом) вимірювальні струмові резистори: RI_A, RI_B, RI_C, RI_N. Значення струму визначається за формулою закону Ома після вимірювання напруги на струмових резисторах.

У схемі лабораторного макета для дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «трикутник», рис. 2.9, симетричне навантаження забезпечується також використанням однакових резисторів по 1 кОм. Для створення несиметричного навантаження передбачена можливість зміни опору резистора R_AC (2 кОм і 510 Ом), а також під’єднання дроселя. Струми у фазах визначаються, як і в попередній схемі, за допомогою низькоомних (по 10 Ом) вимірювальних струмових резисторів: RI_A^/, RI_B^/, RI_C^/.

У обох схемах передбачені клеми для підключення входу осцилографа і виконання необхідних вимірювань фазних, лінійних напруг, а також напруг на струмових резисторах.

Рисунок 2.9 – Схема лабораторного макета для дослідження

параметрів трифазної електромережі за схемою включення «трикутник»

Рисунок 2.10 – Плата лабораторного макета

(маркування та зовнішній вигляд)

3 ЗМІСТ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

3.1 Дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «зірка» для таких варіантів (режимів) її роботи:

· симетричне активне навантаження;

· несиметричне активне навантаження;

· несиметричне активно-індуктивне навантаження;

· перекос фаз при обриві нейтралі та:

- симетричному активному навантаженні;

- несиметричному активно-індуктивному навантаженні.

3.2 Дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «трикутник» для таких варіантів (режимів) її роботи:

· симетричне активне навантаження;

· несиметричне активне навантаження;

· несиметричне активно-індуктивне навантаження.

3.3 Обробка результатів вимірювань, побудова векторних діаграм, графічних залежностей, порівняння експериментальних результатів досліджень з теоретичними залежностями, висновки.

4 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1 У схемі лабораторного макета для дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «зірка» виконати під’єднання у фазі А резистора R_A номіналом 1 кОм, забезпечивши при цьому режим симетричного активного навантаження (опори резисторів однакові) і під’єднати за допомогою клем «А», «В», «С» і «N» плату лабораторного стенда до трифазного генератора. Виміряти фазні та лінійні напруги, результати вимірювань занести у таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Фазні та лінійні напруги

U_A, B	U_B, B	U_C, B	U_AB, B	U_BC, B	U_CA, B
макет	модел	макет	модел	макет	модел	макет	модел	макет	модел	макет	модел

4.2 Установити почергово резистори у фазі А (510 Ом, 1 кОм, 2 кОм). Для кожного значення опору вказаного резистора виміряти напруги на струмових (вимірювальних) резисторах у нейтралі та фазах трифазної системи (між точками «КТ-І» і «КТ-NІ», «КТ-І» і «КТ-АІ», «КТ-І» і «КТ-ВІ», «КТ-І» і «КТ-СІ»). Результати вимірювань занести у таблицю 2.2.

Таблиця 2.2 – Напруги на струмових резисторах

R_A = 510 Ом	R_A = 1 кОм	R_A = 2 кОм
RI_A	макет		RI_A	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_B	макет		RI_B	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_C	макет		RI_C	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_N	макет		RI_N	макет	RI_N	макет
моделюв		моделюв		моделюв

4.3 Під’єднати послідовно у фазу А між точками «L1-1» і «L1-2» дросель індуктивністю 5 Гн, попередньо розімкнувши контакти «1-4». Установити почергово резистори у фазі А (510 Ом, 1 кОм, 2 кОм) і для кожного з них виміряти напруги на струмових резисторах у нейтралі та фазах трифазної системи (між точками «КТ-І» і «КТ-NІ», «КТ-І» і «КТ-АІ», «КТ-І» і «КТ-ВІ», «КТ-І» і «КТ-СІ»). Результати вимірювань занести у таблицю 2.3.

Таблиця 2.3 – Напруги на струмових резисторах

R_A = 510 Ом, L_др = 5 Гн	R_A = 1 кОм, L_др = 5 Гн	R_A = 2 кОм, L_др = 5 Гн
RI_A	макет		RI_A	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_B	макет		RI_B	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_C	макет		RI_C	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв
RI_N	макет		RI_N	макет	RI_N	макет
моделюв		моделюв		моделюв

4.4 Зімітувати обрив нейтралі, відімкнувши її від трифазного генератора. Забезпечити активне симетричне навантаження: опори у фазах по 1 кОм, дросель відсутній, перемикач «1-4» замкнений. Виміряти фазні та лінійні напруги, а також напруги на струмових резисторах, результати занести у таблицю 2.4.

4.5 Залишити обрив нейтралі, забезпечити несиметричне активно-індуктивне навантаження. Для цього у фазу А між точками «L1-1» і «L1-2» ввімкнути дросель індуктивністю 5 Гн, попередньо розімкнувши контакти «1-4». Встановлюючи почергово у фазу А резистори з опорами 510 Ом, 1 і 2 кОм, виміряти фазні та лінійні напруги, а також напруги на струмових резисторах, результати занести у таблиці 2.5, 2.6, 2.7.

Таблиця 2.4 – Фазні, лінійні напруги та напруги на струмових рези сторах

Фазні напруги	Лінійні напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A	макет		U_A_В	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_B	макет		U_B_С	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_C	макет		U_C_А	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв

Таблиця 2.5 – Фазні, лінійні напруги та напруги на струмових резисторах для R_A = 510 Ом

Фазні напруги	Лінійні напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A	макет		U_A_В	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_B	макет		U_B_С	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_C	макет		U_C_А	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв

Таблиця 2.6 – Фазні, лінійні напруги та напруги на струмових резисторах для R_A = 1 кОм

Фазні напруги	Лінійні напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A	макет		U_A_В	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_B	макет		U_B_С	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_C	макет		U_C_А	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв

Таблиця 2.7 – Фазні, лінійні напруги та напруги на струмових резисторах для R_A = 2 кОм

Фазні напруги	Лінійні напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A	макет		U_A_В	макет	RI_A	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_B	макет		U_B_С	макет	RI_B	макет
моделюв		моделюв		моделюв
U_C	макет		U_C_А	макет	RI_C	макет
моделюв		моделюв		моделюв

4.6 У схемі лабораторного макета для дослідження параметрів трифазної електромережі за схемою включення «трикутник» під’єднати за допомогою клем «А^/», «В^/», «С^/» плату лабораторного стенда до трифазного генератора.

Замкнути контакти «2-4» та виконати під’єднання у фазі АС резистора R_AС почергово номіналом 1 кОм, 510 Ом та 2 кОм забезпечивши при цьому спочатку режим симетричного активного навантаження (опори резисторів в усіх плечах навантаження однакові – по 1 кОм), а потім – режим несиметричного активного навантаження.

Виміряти фазні (лінійні) напруги (між точками «КТ-А^//» і «КТ-В^//», «КТ-В^//» і «КТ-С^//», «КТ-С^//» і «КТ-А^//» відповідно), та напруги на струмових (вимірювальних) резисторах: RI_A^/, RI_B^/, RI_C^/ у лінійних провідниках. Результати вимірювань занести у таблиці 2.8, 2.9, 2.10.

Таблиця 2.8 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 1 кОм

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

Таблиця 2.9 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 510 Ом

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

Таблиця 2.10 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 2 кОм

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

4.7 Дослідити властивості трифазної електромережі за схемою включення «трикутник» при несиметричному активно-індуктивному навантаженні. Для цього під’єднати послідовно у фазу АС між точками «L2-1» і «L2-2» дросель індуктивністю 5 Гн і розімкнути контакти перемикача «2-4». Під’єднати почергово у фазі АС резистор R_AС номіналом 1 кОм, 510 Ом та 2 кОм.

Таблиця 2.11 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 1 кОм, Lдр = 5 Гн

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

Таблиця 2.12 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 510 Ом, Lдр = 5 Гн

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

Таблиця 2.13 – Фазні (лінійні) напруги та напруги на струмових резисторах для R_AС = 2 кОм, Lдр = 5 Гн

Фазні (лінійні) напруги	Напруги на струмових резисторах
U_A_В	макет		RI_A^/	макет
моделюв		моделюв
U_B_С	макет		RI_B^/	макет
моделюв		моделюв
U_C_А	макет		RI_C^/	макет
моделюв		моделюв

5 ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ, ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

ТА ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

5.1 Використовуючи результати вимірювань, занесені у таблицю 2.1, побудувати векторну діаграму фазних і лінійних напруг та перевірити виконання співвідношень (2.5) та (2.6). Зробити висновки щодо властивостей трифазної електромережі за схемою включення «зірка» при симетричному активному навантаженні.

5.2 Користуючись даними таблиці 2.2, розрахувати значення лінійних струмів та струму нормалі для симетричного та несиметричного навантажень. Побудувати векторні діаграми струмів і зіставити результати вимірювань з результатами графічної побудови. Зробити висновки.

5.3 Користуючись даними таблиці 2.3, розрахувати значення лінійних струмів та струму нормалі для трьох варіантів несиметричного активно-індуктивного навантаження. Побудувати векторні діаграми струмів і зіставити ці результати вимірювань з результатами вимірювань попереднього пункту. Зробити висновки.

5.4 Розрахувати значення лінійних струмів та побудувати векторні діаграми фазних і лінійних напруг та лінійних струмів для симетричного і всіх варіантів несиметричного активно-індуктивного навантаження за результатами вимірювань, занесених у таблиці 2.4 – 2.7 (обрив нейтралі). Зіставити отримані результати між собою та зробити висновки.

5.5 За даними, що занесені у таблиці 2.8 – 2.10, розрахувати лінійні та фазні струми. Для розрахунку фазних струмів використати значення опорів відповідних резисторів, а лінійних – значення опору струмових резисторів по 10 Ом. Побудувати векторні діаграми напруг і струмів для симетричного і несиметричного активного навантаження. Порівняти результати, зробити висновки.

5.6 Розрахувати лінійні та фазні струми за даними, що занесені у таблиці 2.11 – 2.13. Для розрахунку фазних струмів використати значення опорів відповідних резисторів, причому врахувати, що у фазі СА опір має комплексний характер і його модуль визначається за формулою

Лінійні струми можуть бути визначені за напругами на струмових резисторах і їх опорах (10 Ом).

Побудувати векторні діаграми напруг і струмів за результатами виконаних розрахунків. Порівняти результати, зробити висновки.

5.7 Звіт повинен містити:

- назву лабораторної роботи та її мету;

- принципові схеми лабораторних макетів;

- заповнені таблиці вимірювань;

- результати розрахунків та побудовані векторні діаграми;

- висновки по кожному пункту досліджень.

6 КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

6.1 Охарактеризувати співвідношення між лінійними і фазними напругами та струмами при з’єднанні навантаження зіркою.

6.2 Що таке симетрична і несиметрична системи трифазного струму?

6.3 У якому випадку за умови з’єднання навантаження зіркою можна використовувати трипроводову (без нульового проводу) систему і чому?

6.4 Користуючись векторними діаграмами для схеми зірки, визначити фазовий зсув між фазними та лінійними напругами.

6.5 Охарактеризувати співвідношення між лінійними і фазними напругами та струмами при з’єднанні навантаження трикутником.

6.6 Навести фактори, які спричиняють нерівність нулю струму у нульовому проводі.

6.7 Як розраховують активну, реактивну та повну потужності?

6.8 Як визначити коефіцієнт потужності окремої фази споживача і всієї трифазної системи?

Лабораторна робота №3

“Дослідження властивостей і характеристик

випрямних пристроїв та згладжувальних фільтрів”

Мета роботи–виконати дослідження однофазних та трифазних схем випрямлення при їх роботі на активне і активно-ємнісне навантаження та дослідити властивості і характеристики згладжувальних LC- та RC-фільтрів.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Випрямниминазиваються пристрої, в яких здійснюється перетворення змінного струму в постійний. Принцип їх дії базується на забезпеченні приєднання до джерела енергії навантаження таким чином, щоб в ньому проходив струм в одному напрямку. Випрямлена напруга – це напруга на виході випрямляча.

В загальному випадку випрямляч складається з трансформатора, вентилів (напівпровідникових діодів) та згладжувального фільтра. Основними параметрами випрямляча є:

cереднє значення випрямленої напруги U₀;

середнє значення випрямленого струму І₀;

коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги К_П;

частота мережі f_М;

частота пульсацій f_П.

На рисунках 3.1 – 3.3 наведені принципові схеми випрямлячів однофазного змінного струму: однопівперіодного, двопівперіодного з виводом середньої точки трансформатора, мостового. На цих же рисунках поряд зі схемами наведені різні види навантажень, які застосовуються для відповідних випрямлячів.

Випрямлена напруга, крім постійної складової U₀, містить в собі також змінну складову, амплітуда і частота якої визначаються схемою випрямного пристрою та схемою і параметрами навантаження. Вміст змінної складової у кривій випрямленої напруги визначається коефіцієнтом пульсацій:

(3.1)

де - амплітуда змінної складової випрямленої напруги; U₀ – середнє значення випрямленої напруги.

Користуючись апаратом перетворення Фур’є, визначимо значення величин та U₀ і коефіцієнта пульсацій К_П для схеми однопівперіодного випрямляча (рисунок 3.1) при його активному навантаженні. При цьому врахуємо, що змінна складова випрямленої напруги фактично визначається амплітудою її першої гармоніки U_m₁.

Рисунок 3.1 – Однопівперіодна схема випрямлення

Рисунок 3.2 – Двопівперіодна схема випрямлення з виведенням

середньої точки трансформатора

Рисунок 3.3 – Мостова схема випрямлення

(3.2)

(3.3)

(3.4)

З аналізу роботи схеми однопівперіодного випрямляча видно, що синусоїдальні імпульси на активному навантаженні з’являються з періодом, який дорівнює періоду змінної напруги, тобто частота пульсацій дорівнює частоті мережі:

(3.5)

Зі схеми також видно, що зворотна напруга, яка діє на діод, дорівнює амплітуді напруги на вторинній обмотці трансформатора:

(3.6)

Однопівперіодну схему використовують при потужностях до 10 Вт, де немає жорстких вимог до коефіцієнта пульсацій. До її переваг відносять мінімальну кількість елементів та низьку вартість.

Двопівперіодний випрямляч з виведенням середньої точки трансформатора (рисунок 3.2) забезпечує струм у навантаженні протягом обох півперіодів змінної напруги, яка діє на його вході. Це змінює всі основні показники цього випрямляча порівняно з попередньою схемою, а саме:

постійна складова випрямленої напруги

(3.7)

частота пульсацій випрямленої напруги

(3.8)

зворотна напруга на кожному діоді

(3.9)

В наведених формулах - напруга на півобмотці вторинної обмотки трансформатора.

Використовують такі випрямлячі при вихідних потужностях до сотень Вт та вихідних напругах до 500 В частіше при навантаженнях з ємнісною та індуктивною реакцією. До переваг відносять підвищену частоту пульсацій та мінімальну кількість вентилів, до недоліків – дещо ускладнену конструкцію трансформатора та його гірше використання порівняно з мостовою схемою.

Мостова схема випрямлення, рисунок 3.3, як і попередня, є також двопівперіодною. Тому ряд показників збігаються з показниками попередньої схеми, хоча є і відмінності. Наведемо їх на основі вже отриманих результатів для інших схем з урахуванням особливостей принципової схеми:

постійна складова випрямленої напруги

(3.10)

частота пульсацій випрямленої напруги

(3.11)

зворотна напруга на кожному діоді

(3.12)

В наведених формулах - напруга на вторинній обмотці трансформатора.

Мостова схема характеризується достатнім використанням потужності трансформатора, тому рекомендується при вихідних потужностях до 1000 Вт і більше. З наведених формул видно, що для отримання однакової за величиною випрямленої напруги у схемі з виведенням середньої точки трансформатора напруга на вторинній обмотці повинна бути вдвічі більшою, ніж у мостовій схемі. Крім цього, з порівняння формул (3.9) і (3.12) видно, що за умови отримання однакової напруги U₀ зворотна напруга на кожному діоді в мостовій схемі вдвічі менша , ніж у схемі з виведенням середньої точки трансформатора.

Однопівперіодна трифазна схема з нульовим виведенням вторинної обмотки трансформатора наведена на рисунку 3.4. Зазначимо, що первинні обмотки трансформатора можуть бути з’єднані зіркою або трикутником. Поряд зі схемою наведені різні навантаження, які можуть застосовуватися на практиці.

Рисунок 3.4 – Однопівперіодна трифазна схема

Аналіз роботи схеми показує, що в будь-який момент працює тільки одна фаза – та, у якої напруга найбільша, причому кожна фаза працює протягом періоду лише один раз і тривалість її роботи становить третину періоду. Отже, випрямлена напруга має форму кривої, яка є обвідною кривих ерс всіх фаз. З точки зору перетворення Фур’є випрямлена напруга – це періодична послідовність вершин синусоїдальних імпульсів, тривалістю 2/3, що дозволяє визначити постійну складову випрямленої напруги:

(3.13)

де U₂_m і U₂ – відповідно амплітудне і ефективне значення фазної напруги на вторинній обмотці трансформатора.

Крім наведеної величини постійної складової випрямленої напруги (3.13), зазначимо також і інші важливі показники однопівперіодної трифазної схеми: частота пульсацій випрямленої напруги становить

; (3.14)

коефіцієнт пульсацій К_П = 0,25; максимальна величина зворотної напруги на кожному діоді дорівнює лінійній напрузі трифазної мережі на вторинній обмотці трансформатора

U_зв = U_Л. (3.15)

Струм вторинної обмотки фази трансформатора тече тільки в одному напрямку, підмагнічуючи магнітопровід.

Однопівперіодна трифазна схема забезпечує рівномірне навантаження на трифазну мережу і застосовується для випрямлення середніх потужностей (1– 50 кВт) та не дуже високих напруг (до 5–7 кВ). Ця схема часто використовується у випрямлячах для зарядки акумуляторів, оскільки в цьому випадку хороше згладжування пульсацій не є обов’язковим.

Мостова трифазна схема випрямлення (схема Ларіонова) наведена на рисунку 3.5. Діоди VD1, VD3, VD5 складають анодну групу, а діоди VD2, VD4 і VD6 – катодну групу. Поруч зі схемою випрямляча наведені можливі види навантажень.

Аналіз роботи наведеної схеми показує, що протягом одного періоду змінної вхідної напруги працює шість різних комбінацій діодів і це створює таку ж кількість імпульсів у випрямленій напрузі. Це не може не відбитися на основних параметрах випрямляча.

Отже, частота пульсацій випрямленої напруги становить

; (3.16)

величина постійної складової випрямленої напруги

; (3.17)

коефіцієнт пульсацій К_П = 0,057; максимальна зворотна напруга на закритому вентилі дорівнює амплітуді лінійної напруги на вторинній обмотці

U_зв = U_Л. (3.18)

Рисунок 3.5 – Мостова трифазна схема випрямлення

Мостова схема має суттєві переваги порівняно з однопівперіодною (крім відображених в аналітичному вигляді (3.16) і (3.17)), а саме: розрахункова потужність трансформатора всього на 5% перевищує потужність випрямленого струму, тоді як в однопівперіодній схемі – на 35%, відсутнє підмагнічування магнітопроводу трансформатора.

Для зменшення пульсацій випрямленої напруги паралельно навантаженню вмикають конденсатор великої ємності. В цьому випадку протягом певного часу імпульси струму заряджають конденсатор, а протягом решти часу – ємність віддає у зовнішнє коло енергію. Напруга на конденсаторі U_C при його заряді від джерела U змінюється за законом:

(3.19)

де - внутрішній опір випрямляча; R_D – опір діода в прямому напрямку; r₁ і r₂ – опори первинної і вторинної обмоток силового трансформатора; - коефіцієнт трансформації.

Розряд конденсатора відбувається за законом:

(3.20)

де - зворотний опір діода.

У зв’язку з тим, що R_B << R_H, стала часу заряду _з також значно менша сталої часу розряду _р. З цієї причини заряд конденсатора відбувається значно швидше, ніж його розряд. Тому напруга на навантаженні, а отже і струм в ньому, змінюються протягом періоду вхідної напруги значно менше, ніж при активному навантаженні.

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Маркування та зовнішній вигляд лабораторного макета показані на рисунку 3.7.

Рисунок 3.7 - Плата лабораторного макета

(маркування та зовнішній вигляд)

Схема електрична принципова лабораторного макета наведена на рисунку 3.8.

Зі схем видно, що для всіх випрямлячів передбачено постійно під’єднане навантаження у вигляді відповідних резисторів: Rn1, Rn2, Rn3 і Rn4. Опори резисторів однакові і становлять 1 кОм. У цьому режимі є можливість спостерігати форму напруги на виході випрямляча, а також виконати вимірювання постійної складової та амплітуди пульсацій, які визначаються схемою випрямляча без додаткового їх згладжування.

Під’єднання згладжувальних конденсаторів C1, C2, C3 і С4 у відповідних схемах паралельно вищенаведеним резисторам забезпечується перемикачами SW1, SW2, SW3 та SW4. Ємність конденсаторів однакова і становить 100 мкФ.

Рисунок 3.8 - Схема електрична принципова лабораторного макета

3 ЗМІСТ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

3.1 Схеми випрямлення, що підлягають дослідженню:

· однопівперіодна однофазна;

· двопівперіодна однофазна з виведенням середньої точки трансформатора;

· мостова однофазна;

· однопівперіодна трифазна;

· мостова трифазна.

3.2 Визначення для кожної зі схем випрямлення таких параметрів:

· середнього значення випрямленої напруги U₀;

· форми напруги на виході випрямляча при активному і активно-ємнісному навантаженнях;

· напруги пульсацій U_П;

· коефіцієнта K_П і частоти f_П пульсацій випрямленої напруги;

· втрат напруги на діодах випрямляча.

3.3 Розрахунки параметрів, аналіз осцилограм випрямленої напруги, порівняння експериментальних результатів досліджень з теоретичними залежностями, висновки.

4 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1 Для дослідження однофазних випрямлячів під’єднати почергово їх входи (IN1 - IN2, IN3 - IN4, IN5 - IN6 відповідно) до виходу вбудованого генератора змінної напруги. Установити режим активного навантаження (джампери SW1, SW2 і SW3 не повинні бути встановлені). Виміряти амплітудне значення вхідної напруги випрямлячів U₂, підключивши осцилограф до контрольних точок: KT-1, KT-N – для схеми однопівперіодного випрямляча; KT-4, KT-Z’ і KT-5, KT-Z’ – для двопівперіодної однофазної з виведенням середньої точки трансформатора; KT-7, KT-8 – для мостової однофазної схеми випрямлення. Результати вимірюваь занести у таблицю 3.1.

4.2 Для вже установленого режиму активного навантаження підключити осцилограф почергово до контрольних точок KT2 - KT-Z, KT6 - KT-Z і KT9 – KT-Z^/ і для кожного випрямляча виконати такі дії:

- замалювати осцилограму, вказавши розмірність і масштаб по кожній осі;

- виміряти амплітуду вихідної напруги випрямляча (напруги на навантаженні, U_Н_max).

Результати вимірювань занести у таблицю 3.1.

4.3 Установити режим активно-ємнісного навантаження (джамперами SW1, SW2 і SW3 замкнути контакти 1-2). Підключити осцилограф почергово до цих же контрольних точок KT2 - KT-Z, KT6 - KT-Z і KT9 – KT-Z^/ і для кожного випрямляча виконати такі дії:

- замалювати осцилограму, вказавши розмірність і масштаб по кожній осі;

- виміряти середнє значення випрямленої напруги U₀ та напруги пульсацій U_П (напруга пульсацій визначається як половина повного розмаху змінної складової випрямленої напруги).

Результати вимірювань занести у таблицю 3.1.

Таблиця 3.1 – Результати вимірювань для однофазних випрямлячів

Схема випрямлення	R	RC
U₂	U_Н_max	U₀	U_П
Однопівперіодна однофазна
Двопівперіодна однофазна з виведенням середньої точки трансформатора
Мостова однофазна

4.4 Для дослідження однопівперіодної трифазної схеми випрямлення необхідно під’єднати до джерела трифазної напруги входи: INA, INB, INC, INN. Джампери SWА, SWВ і SWС від’єднати від контактів 1-2.Установити режим активного навантаження (джампер SW4 не повинен бути встановлений). У контрольних точках KTА, KTВ і KTС по відношенню до точки KTN виміряти фазні напруги U_A, U_B, U_C, що є вхідними для випрямляча. Результати вимірюваь занести у таблицю 3.2.

4.5 Для вже установленого режиму активного навантаження підключити осцилограф до контрольних точок KT10 - KT-Z^// і виконати такі дії:

- замалювати осцилограму, вказавши розмірність і масштаб по кожній осі;

- виміряти середнє значення випрямленої напруги U₀, напруги пульсацій U_П (напруга пульсацій визначається як половина повного розмаху змінної складової випрямленої напруги) та амплітуду вихідної напруги випрямляча (напругу на навантаженні, U_Н_max).

Результати вимірювань занести у таблицю 3.2.

4.6 Установити режим активно-ємнісного навантаження (джампер SW4 повинен замкнути контакти 1-2 і під’єднати конденсатор С4). Підключити осцилограф до контрольних точок KT10 - KT-Z^// і виконати такі дії:

- замалювати осцилограму, вказавши розмірність і масштаб по кожній осі;

- виміряти середнє значення випрямленої напруги U₀ та напруги пульсацій U_П.

Результати вимірювань занести у таблицю 3.2.

Таблиця 3.2 – Результати вимірювань для однопівперіодної трифазної схеми випрямлення

Схема випрямлення	U_A	U_B	U_C	U_Н_max	U₀	U_П
R	RC	R	RC
Однопівперіодна трифазна

4.7 Для дослідження мостової трифазної схеми випрямлення необхідно під’єднати до джерела трифазної напруги входи: INA, INB, INC. Установити джампери SWА, SWВ і SWС,замкнувши таким чином контакти 1-2 і під’єднавши ще по одному діоду у кожну фазу. Виміряти лінійні напруги U_A_В, U_B_С, U_C_А, що є вхідними для випрямляча. Результати вимірювань занести у таблицю 3.3.

Виконати дії, зазначені у п. 4.5 і 4.6, а результати також занести у таблицю 3.3.

Таблиця 3.2 – Результати вимірювань для мостової трифазної схеми випрямлення

Схема випрямлення	U_A_В	U_B_С	U_C_А	U_Н_max	U₀	U_П
R	RC	R	RC
Мостова трифазна

Примітка до розділу 4.При виконанні моделювання роботи випрямних пристроїв на ПК результати вимірювань занести в аналогічні наведеним таблиці та порівняти їх з реальними даними.

5 ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ, ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

ТА ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

5.1 Звіт повинен містити:

- назву лабораторної роботи та її мету;

- принципові схеми лабораторних макетів;

- заповнені таблиці вимірювань;

- осцилограми напруг у контрольних точках;

- результати розрахунків;

- висновки по кожному пункту досліджень.

5.2 Користуючись результатами вимірювань, визначити пряме падіння напруги на випрямних діодах для кожної схеми випрямлення. Цей параметр визначається як різниця амплітуд напруг