Схемы умножения напряжения.

В ряде случаев для питания маломощных цепей усилителей, рентгеновских установок и других устройств промышленной электроники требуются значительные напряжения. Работа таких устройств основана на использовании напряжений конденсаторов, заряжающихся от источника переменного напряжения с помощью специально включённых вентилей. В настоящее время существует несколько различных схем выпрямителей с удвоением напряжения.

Однополупериодный выпрямитель с удвоением напряжения состоит из двух конденсатора, включённых так, как показано на рис.4а.

Пусть в какой-то момент времени верхний конец вторичной обмотки трансформатора имеет плюс, а нижний – минус, тогда конденсатор С₁ зарядиться через вентиль Д₁ до амплитудного значения приложенного напряжения U_м с соответствующей полярностью; в следующий полупериод конденсатор С₂ заряжается через вентиль Д₂ до U_н=2U_м, т.к. к конденсатору С₂ подключены два источника: вторичная обмотка трансформатора с амплитудой U_м и последовательно с ней заряженный до U_м конденсатор С₁. При подключении к конденсатору С₂ нагрузки R_н напряжение на нём несколько уменьшится из-за разряда этого конденсатора через нагрузку R_н. Для того, чтобы разряд конденсатора был незначительным, ёмкость конденсатора должна бать большой. На практике используются обычно электролитические конденсаторы с ёмкостью в несколько десятков мкф.

Использование выпрямителей с удвоением напряжения целесообразно для питания маломощных высокоомных цепей. Эту схему ещё называют иногда последовательной схемой удвоения напряжения.

В двухполупериодном выпрямителе с удвоением напряжения (рис.4б) в положительный полупериод заряжается С₁ до U_м1, а в следующий период С₂ до U_м, в итоге между сd имеется напряжение 2U_м.

Резисторы R, включаемые в схемы выпрямителей с удвоением напряжения, необходимы для ограничения начальных значений тока заряда конденсаторов при первоначальном включении схем выпрямителей, когда конденсаторы С₁ и С₂ разряжены, их величина R≈100см.

Двухполупериодный выпрямитель следует считать более предпочтительным по сравнению с однополупериодным, т.к. напряжение на его выходе имеет меньше пульсаций, причём частота их в два раза больше частоты переменного напряжения, подводимого к выпрямителю.

В однополупериодном выпрямителе с удвоением напряжения частота пульсаций равна частоте приложенного переменного напряжения.

На основе приведенных данных схем удвоения могут быть созданы схемы многократного умножения. На рис.5 в качестве примера приведена схема утроения напряжения.

Порядок выполнение работы.

Задание.1: Исследовать работу однополупериодного выпрямления.

1) Собрать схему согласно рис.6. в которой R_н=R_л ламповый реостат, С –

переменная емкость 0 - 34.5 мкФ, R1=100 Ом -

резистор, выполняющий роль внутреннего сопротивления вентиля, Д1 - диод (вентиль), В₁ - выключатель.

2) Замкнуть ключ В₁,С=0.

3) При R_н=0 с помощью автотрансформатор выставить напряжение U_вх=40В. и в течение всей работы поддерживать его неизменным.

4) Включая лампы нагрузки (от 1 до 15 последовательно) измеряя при этом U_сд=U_вых и I_н получить нагрузочную характеристику выпрямителя, т.е. U_вых=U_н=f(I_н)

5) Определить внутреннее сопротивление выпрямителя, т.е. сопротивление между точками cd.

6) Разомкнуть ключ B₁ и вновь проделать пункты 3-6 задания.

7) Включить в качестве нагрузки одну лампу, снять зависимость

U_н от С (0.5<С<30 мкФ, через 0.5 мкФ)

Задание.2:Исследовать работу двухполупериодного выпрямления.

1) на основе рис.3а,б нарисовать экспериментальные схемы для исследования зависимости U_н=f(I_н):

а) без емкости;

б) с емкостью до С=30 мкФ

2) Собрать схему двухполупериодного выпрямителя.(Рис 8)

3) При R_н=0 с помощью автотрансформатор выставить напряжение U_вх=40В. и в течение всей работы поддерживать его неизменным.

4) Включая лампы нагрузки (от 1 до 15 последовательно) измеряя при этом U_сд=U_вых и I_н получить нагрузочную характеристику выпрямителя, т.е. U_вых=U_н=f(I_н)

5) Определить внутреннее сопротивление выпрямителя. .

6) Разомкнуть ключ B₁ и вновь проделать пункты 3-6 задания

Содержание отчета:

1. Принципиальные схемы выпрямления, где показаны направления токов.

диаграммы токов и напряжений для одной из схем двухполупериодного выпрямления.

2. Графики, упомянутые в заданиях и таблицы к ним.

3. Оценка полученных результатов, анализ, выводы.

Контрольные вопросы.

1. Для какой цели и где применяются схемы выпрямления?

2. По каким признакам могут быть классифицированы различные схемы

выпрямления?

3. Физические основы выпрямления полупроводниковым вентилем.

4. Чем отличается ВАХ полупроводникового диода от ВАХ вакуумного диода?

5. К какому типу вентилей относятся диаграммы, показанные на рис.4?

6. Что называется обратным напряжением, приложенным к вентилю?

7. Что называется коэффициентом пульсации?

8. Каким образом происходит сглаживание пульсации при применении индуктивности в качестве фильтра (рис.2б)?

9. Какое значение имеет сопротивление R_б в резисторноемкостном фильтре (рис.2в)?

10.Какое значение имеет величина внутреннего сопротивления вентилей (порядок их величины у ионного, электронного и полупроводниковых вентилей)?

11. Как работают схемы выпрямления рис.3 а и 3б? Определить отношение в этих схемах между f_о.г и f_с.

12. Можно ли собрать схему выпрямления без трансформатора?

13. При каких условиях работают схемы умножения?

14. Почему в схеме двойного умножения показания вольтметра (электростатической системы), подключенного к нагрузке больше, чем в 2 раза показаний вольтметра, подключенного к зажимам вторичной обмотки трансформатора, т.е. U_вых/_Uвх>2 Аналогично, почему в схеме тройного умножения Uвых/Uвх>3?

 

Лабораторная работа №12

Испытание трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Целью данной работы является ознакомление с принципом действия и устройством асинхронного двигателя, определения начала и концов обмотки (концов фаз) статора. Изучение пуска двигателя, изменение направления вращения и снятия рабочих характеристик.

Краткие сведения из теории.

Асинхронная машина является машиной переменного тока, скорость вращения не связана жестко с частотой. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в разобранном виде. А - статор, б - ротор, в - подшипниковые щитки, г - вентилятор, с отверстием для входа и выхода охлаждающего воздуха, д - коробка, перекрывающая зажимы обмоток.

Асинхронные машины применяются, в основном, в качестве двигателя в диапазоне частот до 2 кГц. При мощности асинхронных машин свыше 0,5 кВт применяются главным образом трехфазные машины, при мощности менее 0,5 кВт – однофазные. Электромагнитная система асинхронной машины состоит из двух частей: неподвижной - статора, в пазах которого располагается трёхфазного или две однофазные обмотки,

Рис.1 и вращающейся – ротора с обмоткой в виде стержней, замкнутых с торцов кольцами. Для уменьшения потерь мощности на вихревые токи сердечники статора и ротора (как и сердечники трансформатора) набираются из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Обмотки статора и ротора выполняются из меди или алюминия. Обмотки фаз статора соединяются между собой в звезду или треугольник. При питании обмотки статора трёхфазным током в сердечниках статора и ротора в зазоре между ними создаётся, как известно, вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого пропорционально f тока и равна

,

где P-число пар полюсов магнитного поля. Вращающееся магнитное поле наводит в замкнутой обмотке ротора токи, которые, взаимодействуя с полем, создают электромагнитный момент вращения. Скорость вращения ротора n_1. Меньше скорости n магнитного поля. Отношение называется скольжением.

В момент пуска двигателя, когда скорость вращения ротора n₁, скольжение равно единице. При холостом ходе двигателя скорость ротора очень близка к скорости поля, а S . Номинальное скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, составляет 0,02-0.05.

Вращающееся магнитное поле пересекает витки обмотки статора и ротора, наводя в них соответственно Э.Д.С. самоиндукции E₁

(1)

Взаимоиндукции E₂

(2)

где K_об1 и K_об2 – обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора, учитывающие уменьшение Э.Д.С., вследствие пространственного распределения обмотки;

W₁ и W₂ – числа витков статора и ротора;

f₁ и f₂ – частоты э.д.с. в статоре и роторе;

Ф – магнитный поток, Вб.

Частота э.д.с. и тока в роторе равна

Если в данную формулу (2) подставить f₂=Sf, то получим

(3)

Из (3) формулы видно, что э.д.с. ротора при вращении последнего пропорциональна скольжению и имеет наибольшую величину E_2H при неподвижном роторе, когда S=1. В этом случае аналогия асинхронной машины с трансформатором очевидна, т.к. частоты э.д.с. статора и ротора равна частоте сетки, в которой включён двигатель. Ток I₂ в роторе создаётся электродвижущей силой, индуцируемой в обмотке ротора, которая представляет собой замкнутую цепь, поэтому I₂ равен э.д.с., делённой на сопротивление цепи роторной обмотки:

, (4)

где r₂ – активное сопротивление ротора; x₂ – индуктивное сопротивление неподвижного ротора.

Электромагнитный момент, развиваемый ротором, определяется магнитным потоком и током ротора

, (5)

где c – коэффициент пропорциональности, учитывающий конструктивные особенности машины; ψ – угол между э.д.с. и током ротора.

Вращающийся момент машины зависит от изменяющихся при нагрузке Ф, I_2, cos(ψ₂), но его можно представить в виде функции одной переменной, а именно скольжение S

(6)

При работе машины в обычных условиях, э.д.с. E₁ статора приблизительно равна напряжению U₁ сети и поэтому:

, (7)

а, следовательно, асинхронный двигатель очень чувствителен к понижению напряжения сети.

Из (7) следует, что при малых скольженьях вращающий момент двигателя растет примерно пропорционально скольжению. При значительном увеличении скольжения момент начинает убывать, т.к. знаменатель растёт быстрее, чем числитель, и поэтому зависимость M(S) проходит через максимум (рис.2), который разделяет кривую на 2 участка. Первый от S=0 до S_k соответствует устойчивой работе двигателя, второй – от S_k до S=1 – неустойчивой работе двигателя. В первом случае у работающего двигателя вращающий момент M двигателя уравновешивается тормозным моментом нагрузки M_t до тех пор, пока M_t<M_max(Максимальный момент двигателя). Если скорость двигателя уменьшается, скольжение возрастает, при этом вращающий момент двигателя также уменьшается, вследствие чего новое равновесие моментов наступить не может и двигатель останавливается. При нормальной работе двигатель должен иметь запас устойчивости, для чего максимальный момент двигателя должен быть больше номинального момента M_H, соответствующего номинальной мощности двигателя. Отношение M_max/M называется перегрузочной способностью двигателя и для асинхронных двигателей обычно равно 1,8-2,5.

Определим теперь критическое скольжение S_k, при котором вращающий момент M=M_max. Для этого нужно приравнять нулю первую производную по S от выражения (7)

При работе машины в режиме двигателя S>0, подставляя положительное значение критического скольжения в (7), получим:

 

Из последнего следует, что M_max не изменяется при изменении активного сопротивления ротора, однако, при этом меняется критическое скольжение. Возможность увеличения критического скольжения за счёт увеличения активного сопротивления ротора при одновременном сохранении неизменного M_max привела к созданию и использованию асинхронного двигателя с фазовым ротором. У последнего обмотка фазового ротора выполнена по типу обмотки статора и соединяется, как правило, в звезду. Концы обмоток подключают к трём контактным кольцам, изолированных друг от друга и насажанным на вал через диэлектрические прокладки. При помощи неподвижных щёток, наложенных на контактные кольца, в цепь ротора можно включить трёхфазный пусковой или регулировочный реостат. Асинхронные двигатели применяются там (с фазным ротором), где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движении механизма, а также частых пуска двигателя под нагрузкой. О свойствах любого двигателя судят обычно по его рабочим характеристикам. Рабочие характеристики трёхфазного асинхронного двигателя (рис.3) представляют собой зависимость тока статора I₁, коэффициента cos(φ₁), скорости вращения n₁, скольжения S, вращающего момента и КПД η от полезной мощности P₂ на валу двигателя при неизменных значениях питающего напряжения U₁ и частоты f₁.

Характеристика тока статора I₁=f(P₂). Ток холостого хода двигателя составляет 0,25-0,5 номинального тока двигателя. С увеличением нагрузки (с возрастанием скольжения) растёт ток ротора I₂ вследствие роста э.д.с. E₂, пропорциональной скольжению, что вызывает увеличение тока статора, а, следовательно, кривая I₂=f(P₂) носит восходящий характер. Характеристика коэффициента мощности cos=f(P₂). На холостом ходу угол φ велик, т.к. двигатель потребляет почти чисто реактивный ток, идущий на создание основного магнитного потока машины. При увеличении нагрузки и приближении её к номинальной возрастает активная составляющая тока вследствие увеличения механической мощности на валу двигателя. Реактивная составляющая тока мало изменяется , т.к. основной поток примерно постоянен. Поэтому с ростом нагрузки cos(φ) резко увеличивается.

При нагрузках выше номинальных возрастают магнитные потоки рассеяния, реактивная составляющая тока увеличивается, а cos(φ) уменьшается.

Характеристика n=f(P₂) или S=f(P₂). На холостом ходу ротор вращается со скоростью , а, следовательно, S=0. По мере увеличения нагрузки скорость вращения n уменьшается, а скольжение растёт. При возрастании нагрузки от 0 до номинального изменение скорости или скольжения составляет 2-5% и поэтому говорят, что асинхронный двигатель обладает жесткой скоростной характеристикой.

Характеристика вращающего момента M=f(P₂).В установившемся режиме работы двигателя вращающий момент складывается из полезного момента M₂ на валу двигателя и момента холостого хода M_0. Последний затрачивается на покрытие механических потерь. Этот момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный момент пропорционален полезной мощности P₂ и обратно пропорционален скорости вращения

Последняя с ростом P₂ немного уменьшается и поэтому зависимость M₂(P₂) отклоняется от линейной. Кривая вращающего момента M(P₂) на величину M₀.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной мощности P₂ к подводимой P₁:

,

где подводимая мощность равна сумме P₂ и мощностей всех потерь в двигателе. В асинхронных машинах существуют те же виды потерь, что и в др. электрических машинах.

Электромагнитный тормоз (ЭТ) представляет собой устройство, в котором тормозящий момент создаётся взаимодействием вихревых токов, наводимых во вращающемся диске, и магнитного поля электромагнитов. Основными элементами ЭТ являются алюминиевый диск, соединяемый с валом испытуемого двигателя и системы электромагнитов, укреплённых на кольце, установленном в шарикоподшипниках. К системе электромагнитов, которая может поворачиваться в направлении вращения диска, прикреплена стрелка и маятник с грузами. Тормозящий момент, создаваемый вихревыми токами, передаётся системе электромагнитов и поворачивает и до тех пор, пока отклоняющийся маятник не уравновесит момент двигателя. Величина тормозящего момента зависит от величины магнитного потока, а, следовательно, тока электромагнитов, поэтому, изменяя ток, можно менять величину тормозящего момента, т.е нагрузку двигателя. По углу отклонения стрелки на шкале определяется величина момента. Для измерения скорости вращения испытуемого двигателя применяется электронный тахометр.