Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

 

 

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

 

 

Кафедра "Робототехника и мехатроника"

 

 

                                        

Определение коэффициентов пульсаций напряжения неуправляемого преобразователя с фильтрами

                                                          

                                           

                                               Методические указания

              к выполнению лабораторной работы по дисциплине

  «Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических систем»

 

 

 

                                                            Разработали:  Н.Ф. Карнаухов

                                                                                         М.Н. Филимонов

 

 

                                             Ростов - на -Дону.

                                                        2018                                 

 

                                                                              

     

 

          1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

     Целью работы является изучение принципа действия и основных характеристик неуправляемого выпрямителя, а также ознакомление с видами и особенностями построения фильтров,  влияющих  на коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения.

         

   2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

     Для питания  исполнительных электродвигателей постоянного тока, силовых элементов энергетического канала ЭМ и МС, приводов роботов и устройств различного назначения постоянным током, а также электронных устройств управления требуется постоянное напряжение различной величины. В качестве первичного источника электрической энергии в большинстве случаев используется промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение заданной величины и  допустимой пульсации применяют неуправляемые выпрямители с разными по структуре фильтрами. Обычно в состав источника питания входит трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр (электронный стабилизатор постоянного напряжения для цепей управления). В зависимости от назначения и условий работы отдельные элементы преобразовательного устройства могут отсутствовать.

       Трансформатор напряжения преобразует переменное напряжение сети до величины, определяемой требованиями нагрузочного устройства и с учетом падения напряжения на промежуточных элементах, функциональных узлах схемы.

      Преобразователь (выпрямитель) обеспечивает в нагрузочном устройстве ток одного направления. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного многофазного, однофазного напряжения. В настоящей работе используются однополупериодный и

 

мостовой двухполупериодный выпрямители. Принципиальная электрическая схема такого источника питания представлена на рис.1. С помощью переключения тумблером S2 обеспечивается режим работы однополупериодного или мостового двухполупериодного выпрямителя.

При однополупериодном выпрямлении открыты диоды VD1и VD4, когдаключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут.

                                        Рис. 1. Электрическая схема выпрямителей с фильтрами

 

           Во второй полупериод полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную, что изменяет (условно) полярность включения диода VD1 при однополупериодном выпрямлении в обратном направлении, то есть все напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к закрытому диоду,   ток в цепи нагрузки  будет отсутствовать. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении диоды VD1 и VD4 будут открыты в первый полупериод питающего напряжения со стороны вторичной обмотки трансформатора, а во второй полупериод - диоды VD2и VD3закрыты и в нагрузочном резисторе (R + Rв) ток не протекает.  

       

 

 

 Выпрямленное напряжение на нагрузочном устройстве имеет пульсирующий характер и для однополупериодного выпрямителя среднее значение такого напряжения при частоте 50 Гц составит

         (1)

При разложении в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя  можно записать

                             (2)

Коэффициент пульсации однополупериодного выпрямителя определяется отношением амплитуды основной (первой) гармоники к среднему выпрямленному напряжению

                            (3)

     Анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя: повышенный коэффициент пульсации, заниженные значения выпрямленных токов и напряжений.

       Если замкнуты ключи S1 и S2,  то имеет место  режим двухполупериодного выпрямления и в нагрузочном резисторе (Rн + Rв) протекает постоянный ток с частотой пульсаций 100 Гц. При этом среднее значение выпрямленного напряжения

двухполупериодного выпрямителя составит

                    (4)                        

 

Разложив напряжение U_н.ср.  в ряд Фурье

                ,                            (5)   

получим численные значения коэффициента пульсации выпрямителя.

         

 Отношение амплитуды основной гармоники к выпрямленному напря­жению определяет коэффициент пульсации для двухполупериодного мостового выпрямителя, значение которого определяют из выражения 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

                                          (6)

                                                        

 

Для питания большинства электронных устройств управления напряжение с таким коэффициентом пульсации не используют с целью исключения нестабильности в работе устройства в целом и уменьшения помех. Для снижения пульсаций   выпрямленных напряжений и токов в силовых и слаботочных цепях управления преобразователей часто применяют различные сглаживающие фильтры.

  В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют  индук­тивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты гармонических составляющих напряжения (тока). В данной работе используются однозвенные и многозвенные фильтры.   

   К однозвенным относятся индуктивный, резисторный и ем­костный фильтры, которые включаются (рис.1.) параллельно нагрузочному ре­зистору R .

  К многозвенным фильтрам относятся Г-образные и П-образные фильтры типа LC и RC. Эффективность работы сглаживающих фильтров определяется двумя показателями:

     - коэффициентом пульсации Кп, равным отношению амплитудного значения основной гармоники выпрямленного напряжения U к постоянной составляющей, равной среднему выпрямленному напряжению U , т.е.                                                         

                                                                                                                      (7)

      -коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе K  и  выходе фильтра K

                                                                                                                      (8)

       

 

      При работе выпрямительного устройства с ростом тока нагрузки увеличиваются внутренние потери напряжения на силовых элементах выпрямителя, наблюдается падение выпрямленного напряжения на зажимах преобразователя. Зависимость                                                                                           (9)

называют внешней характеристикой преобразователя,  являющейся одной из важнейших характеристик выпрямительного устройства.

     Из-за изменений сопротивления нагрузочного устройства и изменений напряжения сети выпрямленное напряжение на нагрузочном устройстве может меняться, что, иногда, может оказаться недопустимым для питания электронных устройств. В связи с этим возникает необходимость стабилизации выпрямленного напряжения. Стабилизация осуществляется с помощью дополнительного устройства, называемого стабилизатором, которое включают между фильтром и нагрузкой.                

 

 

Рис. 2 - Лабораторный стенд для исследования фильтров неуправляемого выпрямителя

 

                   

                                  

                                   3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Ознакомиться с методическим указанием для проведения лабораторной работы.

3.2. Вычертить принципиальную электрическую схему источника питания в бланк отчета.

3.3. Подключить осциллограф к выходным клеммам лабораторного макета ивключить сеть питания U_c ≈ 220 В.

З.4. Ознакомиться с лабораторным макетом и его управлением посредством переключения режимов работы источника питания.

3.5.  Выполнить исследования энергетических характеристик не­управляемого однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя и фильтров.

3.6. Результаты исследования занести в таблицу наблюдений.

3.7. Зарисовать формы выпрямленных электрических сигналов с экрана осциллографа.

3.8. Выполнить расчеты коэффициентов пульсации и сглаживания исследуемых фильтров, используя при этом выражения (7) и (8).

3.9. Построить графики внешних характеристик исследуемого источника питания.

 3.10. Сделать заключение по результатам проделанных исследований  преобразователя с качественной оценкой работы фильтров.

З.11. Оформить отчет и представить его к защите.

                      4. Вопросы для самостоятельной проработки

1. С какой целью устанавливаются фильтры в сильноточных и слаботочных цепях ЭМ и МС?

2. Почему RC-фильтры не используются в сильноточных цепях преобразователей напряжений, тока?

3. Какими преимуществами обладают LC- фильтры в сравнении с RC-фильтрами?

4. С какой целью в LC - фильтрах устанавливают катушки индуктивности с сердечником из электротехнической (трансформаторной) стали?

5. Почему для дросселей постоянного тока применяют ферромагнитные сердечники с воздушным зазором?

             

          5. Тесты для проверки степени усвоения материала

1. При проектировании энергетического канала приводной системы часто устанавливают Г - или П – образные фильтры в цепи тока питания преобразователя. С какой целью в ферромагнитных сердечниках фильтров (сглаживающих дросселей) вводят воздушный зазор?

- для увеличения коэффициента пульсации,

- для снижения потерь в сердечнике дросселя;

 - для расширения зоны прерывистых токов;

- для расширения зоны линейности изменения индуктивности в цепи силового контура.

 

2. При эквивалентных активных сопротивлениях обмотки сглаживающего дросселя и добавочного резистора П-образного фильтра коэффициент сглаживания в схеме с L- значительно выше. Поясните, как изменяется входное сопротивление исследуемого фильтра, если подается на вход напряжение с коэффициентом пульcности:          - кп = 6,                          -  кп = 3;                           -  кп =  0.

3. В схемах преобразователей переменного напряжения в постоянное приводных систем применяют Г-образные LC-фильтры, причем на входе может быть установлена как емкость,  так и индуктивность.

 Поясните, в каком случае защищенность тиристоров, диодов от бросков токов при включении преобразователя будет выше, когда:

         - на входе установлена емкость С,           

         - на входе установлена индуктивность L;

         - на входе установлен LC- или CL- фильтр;

         - на входе установлен П – образный CL-фильтр.                                                            

                   

 

 

Таблица

 результатов исследования энергетических характеристик неуправляемого  полупериодного выпрямителя и фильтров

 

Фильтры	Энерг. Харак-терист.	Значения измеренных величин					Форма электр. сигнала	Коэф. пульс. Кп	Коэф. cглаж. q
		1	2	3	4	5
Без фильтра	U
	J
Индук- тивный	U
	J
Резис- Торный	U
	J
Емкост-ный	U
Г-образ-ный LC	U
	J
Г-образ-ный RC	U
	J
П-образ-ный LC	U
	J
П-образ-ный RC	U
	J

                      Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Название лабораторной работы. Ф.И.О. студента, номер группы.

2. Цель исследования.

3.   Принципиальную электрическую схему одно- и двухполупериодного выпрямителя..

4.     Нагрузочные (внешние) характеристики преобразователя с различными фильтрами.  

5.    Расчетные значения коэффициентов пульсаций и коэффициентов сглаживания.    

6.  Аналитические пояснения к графическим зависимостям.

                В отчете необходимо привести выводы по результатам выполненной работы.