Моделирование и исследование однофазного мостового выпрямителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку.

2. Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром.

3. Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром.

4. Влияние параметров питающей сети на работу выпрямителя.

4.1 Однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку.

4.2 Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром.

4.3 Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром

5. Заключение.



Введение

Задачей работы является исследование однофазного мостового выпрямителя с применением индуктивного и емкостного фильтров . Так же изучения влияние питающей сети на работу выпрямителя.



1. Однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку

Расчет сопротивления нагрузки:

Рис. 1 - однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку

Рис. 2 - График напряжения на диодах d1 и d2



Рис. 3 - Токи диодов d1 и d2

График напряжения на нагрузке:

Рис. 4 - График напряжения на нагрузке

Мощность нагрузки:

Рис. 5 - График активной мощности в нагрузке.

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке:

Где - амплитудное значение сетевого напряжения.

Рис. 6 - амплитудный дискретный спектр выходного напряжения.

Коэффициент пульсации выходного напряжения:

Где - амплитуда 1-ой гармоники , -среднее значение выпрямленного напряжения.



2. Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром

Рис. 7 - однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром.

Для уменьшения пульсаций напряжения (тока) на выходе может использоваться емкостной фильтр. Необходимым условием этого являеться :

, где - циклическая частота первой гармоники . То есть емкостное сопротивление для первой и высших гармоник будет много меньше сопротивления нагрузки.

Для определения емкости можно использовать другое соотношение , если считать , что в течении всего полупериода сети разряд конденсатора происходит при постоянном токе. Тогда можно более точно прогнозировать амплитуду пульсаций выходного напряжения . Пусть колебания выходного напряжения составляют 30 В. от среднего значения напряжения. Тогда :

,

то есть пульсации составят 10% от среднего, вместо 66% при чисто активной нагрузке.

,



где - ток нагрузки, -период сетевого напряжения , - размах пульсации напряжения на конденсаторе.

Предпологамая мощность , которая будет выделена в нагрузке составит 163 Вт.

Рис. 8 - График напряжения на диодах

Рис. 9 - Токи диодов



Рис. 10 - Графики выходного и сетевого напряжения.

Когда напряжение на конденсаторе становиться больше сетевого напряжения диоды закрываются и напряжение на нагрузке будет иметь вид : , где - напряжение на конденсаторе во время закрытия диодов , -постоянная времени

В результате размах пульсации напряжения на конденсаторе составляет 50 В , вместо 60 предполагаемых из-за упрощения расчета значения емкости.

Рис. 11 - Графики напряжения заряда конденсатора и сетевого напряжения.

Заряд конденсатора начинается несколько позже времени , когда напряжение на конденсаторе становится меньше сетевого напряжения , хотя теоретически , если рассматривать диод , как идеальный ключ напряжение на конденсаторе будет изменяться по закону : , -постоянная интегрирования будет равна нулю , то есть уравнение будет иметь только вынужденную составляющую равную сетевому напряжению .

Так же конденсатор должен начать разряжаться , когда сетевое напряжение достигает амплитудного значения . Причиной этого является контактная разность потенциалов , из-за объемных зарядов в областях n и p проводимости диода , которая направлено встречно источнику напряжения.

Рассмотрим ВАХ диода:

Рис. 12 - ВАХ диода.



Рис. 13 - Увеличенная часть ВАХ участка прямой проводимости.

Таким образом видно, что для открытия диода прямое напряжение должно быть выше 1.5 В. , что и объясняет рисунок 11 .

Рис. 14 - Амплитудный дискретный спектр выходного напряжения.

Первая гармоника снижена в 7.5 раз по сравнению с чисто активной нагрузкой.



Рис. 15 - График мощности выделяемой в нагрузке.

Выходная мощность составляет 165 Вт. , что совпадает с рассчитанной в начале пункта.

Рис. 16 - График установившегося входного тока.

Рис. 17 - Действующее значение входного тока.

, где - тдействующее значение входного тока с емкостным фильтром.

, где - действующее значение входного тока при чисто активной нагрузке.

Рис. 18 - Амплитудный дискретный спектр входного тока.

однофазный выпрямитель напряжение фильтр

По сравнению с чисто активной нагрузкой, применение емкостного фильтра сильно загрязняет питающую сеть . Ширина спектра составляет 10 гармоник - вместо одной ,как при чисто активной нагрузке.



3. Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром

Рис.19 - Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром.

Для уменьшения пульсаций на выходе может использоваться индуктивный фильтр.

Необходимое условие : , где - циклическая частота первой гармоники . То есть индуктивность для первой и высших гармоник будет иметь большее сопротивление чем сопротивление нагрузки.

Индуктивность и сопротивление представляют собой делитель напряжения. Напряжение на сопротивлении будет определяться :

,

где - i-ая гармоника напряжения , -индуктивное сопротивление для этой гармоники.

Пусть так же , как и с емкостным фильтром коэффициент пульсации составляют 6% :

- амплитуда 1 гармоники напряжения.

Выходное напряжение примет вид:



,

где - постоянная времени.

Рис. 20 - График напряжения на диодах.

Рис. 21 - Графики токов диодов.



Рис. 22 - Увеличенный участок токов диодов в время переключения.

Рис. 23 - График установившегося входного тока.



Рис. 24 - Увеличенный участок изменения полярности тока и напряжения.

Ток изменяется не скачком - имеет плавный затухающий характер. Это объясняется тем , что напряжение питающей сети в этот момент очень низкого уровня и если взглянуть на ВАХ диода (рисунок 12, 13) то видно , что при низких (близких к нулю) уровнях прямого напряжения диод имеет очень высокое сопротивление прямого перехода , в то время как сопротивление до этого не проводящего плеча диодов наоборот будет уменьшаться.

Рис. 25 - График выходного напряжения и среднее значение этого напряжения.



Рис. 26 - Амплитудный дискретный спектр выходного напряжения.

Первая гармоника снижена в 10 раз по сравнению с чисто активной нагрузкой.

Рис. 27 - Амплитудный дискретный спектр входного тока.

Индуктивный фильтр привносит меньше помех в питающую сеть чем емкостной. Ширина спектра составляет 5 гармоник , если брать уровень 0.1 от максимального значения спектра - с емкостным фильтром 10.



4. Влияние параметров питающей сети на работу выпрямителя

Зная мощность короткого замыкания сети , определяем сопротивление и индуктивность сети:

,

где -угол сдвига фаз между током и напряжением.

- комплексное сопротивление сети.

4.1 Однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку

Рис. 28 - Однофазный мостовой выпрямитель при работе на активную нагрузку.



Рис. 29 - Графики напряжения на диодах с учетом сопротивления сети и без.

Рис. 30 -Увеличенный масштаб момента коммутации диодов рисунка 28 .

Видно, что коммутация происходит несколько позже и амплитуда будет меньше. Это происходит из-за того , что входное напряжение имеет меньшую амплитуду (308.062 В) и смещено на градуса.



4.2 Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром

Рис. 31 - Однофазный мостовой выпрямитель с индуктивным фильтром.

Рис. 32 - Графики напряжения на диодах и напряжения индуктивности сети.

Рис. 33 - График тока диодов.



Рис. 34 - Графики входного тока , напряжения и напряжение индуктивности сети в увеличенном масштабе.

Индуктивность сети создает Э.Д.С. направленное встречно источнику, препятствуя быстрому изменению тока, как на рисунке 23. Увеличивая время смены полярности входного тока в 10 раз.

Рис. 35 - Графики сетевого напряжения и обратного напряжения индуктивности сети.

Индуктивность сети препятствует переключению диодов до того момента пока напряжение , создаваемое ей , не станет меньше чем сетевое и сможет включится другая пара диодов.



Рис. 36 - Амплитудный дискретный спектр входного тока.

Появляются новые гармоники , но они меньше уровня 0.1 от максимальной гармоники. Ширина спектра не изменилась и так же составляет 5 гармоник.

Так же снижаеться действующее значение входного тока с А. до А.

4.3 Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром

Рис. 37 - Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром.



Рис. 38 - Напряжение на диодах и напряжение индуктивности сети.

Рис. 39 - Графики напряжения нагрузки , напряжения индуктивности сети для установившегося режима и напряжения сети.

Рис. 40 - Графики напряжений нагрузки, сетевого, индуктивности сети.



Рис. 41 - Входной ток с учетом сетевой индуктивности и без .

В первые моменты времени после коммутации индуктивность сети не пропускает ток , что и вызывает задержку начала заряда емкости.

Конденсатор начинает заряжаться, по сравнению со схемой без учета индуктивности сети, на с. позже , и закрытие диодов происходит позже на с. Диоды не закроются пока сумма напряжений емкости и индуктивности не будут равны сетевому.

Так как напряжение на закрытых диодах так же изменяется под влиянием индуктивности сети , то напряжение на открытых диодах в момент закрытии начинается не с нуля.

Рис. 42 - Амплитудный дискретный спектр выходного напряжения .

Спектр выходного сигнала не изменился.

Рис. 43 - Спектральная плотность входного тока.

Индуктивность сети действует , как фильтр , уменьшая число гармоник входного тока до 4 ,вместо 10.

Рис. 44 Действующие значения входных токов с учетом сетевой индуктивности и без.

Наблюдается снижение действующего значения входного тока с 1.2 А. до 1 А.



Заключение

Использование фильтров в однофазной мостовой схеме может в значительной степени улучшит выходное напряжение.

Использование емкостного фильтра , по сравнению с индуктивным , увеличивает среднее выпрямленное напряжение.

Емкостной фильтр позволяет уменьшить общие габариты схемы. Рассчитанная индуктивность будет иметь очень большие габариты , следовательно и омическое сопротивление. Так же применение индуктивности может вызвать дугу при попытке размыкания цепи.

Индуктивность сети в целом улучшает работу схем: фильтрация высших гармоник входного тока для схемы с емкостным фильтром , более плавное переключение диодов в схеме с индуктивным фильтром. Уменьшение действующего значения тока в обоих случаях.

Размещено на Allbest.ru

...