МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Разработка любого выпрямителя сопровождается физическим или
математическим моделированием. Первое условие требует изготовления ма-
кетов и связано с материальными затратами, часто весьма значительными.
Второе условие основано на использовании средств и методов
вычислительной техники. В настоящее время программы моделирования
схем настолько развиты и доступны, что естественным образом дополняют
традиционные методы проектирования вентильных преобразователей
электрической энергии. К программам такого рода в первую очередь следует
отнести
программу схемотехнического
моделирования
(например,
программу Electronic Workbench – EWB), разработанную фирмой Interactive
Image Technologies (Канада) для моделирования электротехнических и
электронных устройств различного назначения. Учебная версия программы
(EWB 4.1) имеет ряд достоинств:

легко осваивается;

достаточно удобна в работе и проста в применении;

дает возможность апробировать свои технические решения.
Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных
приборов, сходных по внешнему виду и характеристикам с промышленными
аналогами, что создает иллюзию реальности при имитации электрических
цепей. Программа EWB обладает преемственностью, т.е . все схемы,
созданные в версии 4.1, могут быть промоделированы в версии EWB 5.0,
EWB 5.12 и в новой версии программы Multisim 2001, имеющей более
широкие возможности.
Примеры моделирования
Схемы моделирования однофазного выпрямителя со средней точкой при
работе на активную нагрузку и осциллограммы сигналов при указанных на
схеме параметрах элементов приведены на рис. 1а, б.

В схеме использована модель диода со следующими значениями
параметров:
Saturation current, A – обратный ток диода, по умолчанию 10
-14
А;
Ohmic resistance, Ом – объемное сопротивление, равно нулю;
Zero-bias capacitance, Ф – барьерная емкость p-n перехода, равна нулю;
Transit time, В – время переноса заряда, равно 0;
Junction grading coefficient – конструктивный параметр, равен 0,5;
Junction potential, B – контактная разность потенциалов, равна 0,75;
Reverse Bias Breakdown Voltage, В
–
максимальное обратное
напряжение, задается со знаком минус и равно -400 В.
Модель трансформатора имеет следующие параметры:
Leakage inductance, Гн – индуктивность рассеяния, равна нулю;
Primary winding resistance, Ом – сопротивление сетевой обмотки, равно
нулю;
Secondary winding resistance, Ом – сопротивление вентильной обмотки,
равно нулю;
Канал А
Канал В
Рис. 1. Схема измерения напряжений U0, U2 в однофазном выпрямителе (а) и осциллограмма
напряжений (б) на вентильной обмотке и на потребителе
U0
a)
б)
U2
R0
0.785Ω

Magnetizing inductance, Гн – индуктивность намагничивания, равна 5 Гн.
Каналы осциллографа работают в режиме DC-открытого входа.
Вольтметры с цифровым отсчетом имеют внутреннее сопротивление
1.10
6
Ом (по умолчанию). Один из них, подключенный к нагрузке R0,
действует в режиме DC (постоянного тока), а другой, подключенный к
вентильной обмотке, – в режиме AC (переменного тока). Для измерения
коэффициента пульсаций канал B осциллографа следует перевести в режим
AC-закрытого входа.
Схема моделирования (рис. 2а) позволяет снять осциллограммы прямого
тока iпр.V и обратного напряжения Uобр.V на вентиле VD1, а также измерить
цифровым амперметром среднее значение выпрямленного тока I0,
действующее значение тока Iэфф.V вентиля VD2 и тока I2, т.к. Iэфф.V=I2, а также
действующее значение тока I1 сетевой обмотки трансформатора.
Амперметры имеют (по умолчанию) внутреннее сопротивление 1·10
-3
Ом.
б)
Канал А
Канал В
Рис. 2. Схема измерения токов I0, I1, I2 в однофазном выпрямителе (а)
и осциллограммы прямого тока и обратного напряжения (б) на вентиле VD1
а)
I1
I2
I0

Один из них, подключѐнный к нагрузке R0, установлен в режим DC, а два
других – в режим АС.
Схемы моделирования однофазного мостового выпрямителя с
емкостным сглаживающим фильтром даются на рис. 3а, 4а и 5а.
Осциллограммы выходного (сглаженного) и входного (сетевого) напряжений
выпрямителя приведены на рис. 3б; осциллограммы тока в ѐмкости фильтра
и прямого тока вентиля VD2, показанные на рис. 4б, иллюстрируют
особенности работы вентиля в режиме с отсечкой тока. Амплитуда прямого
тока растѐт, длительность проводящего состояния вентиля уменьшается.
б)
R0
U0
U2
Канал В
Канал A
Рис. 3. Схема измерения напряжений U0, U2 в мостовом выпрямителе (а),
осциллограммы выходного напряжения и напряжения на сетевой обмотке
трансформатора (б)
а)

Осциллограммы обратного напряжения на вентиле VD2, тока сетевой об-
мотки трансформатора и действующее значение этого тока I1 (рис. 5б),
полученные с помощью схемы рис. 5а, позволяют проверить правильность
выбора вентиля по обратному напряжению и диаметра провода сетевой
обмотки трансформатора по допустимой плотности тока. Схемы
моделирования трѐхфазного однотактного выпрямителя с индуктивным
фильтром приведены на рис. 6а и 7а. Осциллограммы выпрямленного
напряжения на входе и на выходе фильтра (рис. 7б) имеют различную форму,
что объясняется действием ЭДС индукции
dt
di
L
e
0
L

, наводимой в фильтре
за счѐт пульсаций тока i0. Как видно из осциллограмм (рис. 6б), форма
прямого тока вентиля VD1 приближается к прямоугольной, а длительность
запертого состояния вентиля занимает 2/3 периода сетевого напряжения.
Рис. 4. Схема измерения токов I0, Iэфф.v в мостовом выпрямителе (а); осциллограммы
прямого тока вентиля и тока в ѐмкости фильтра (б). Осциллограмма канала А
приведена в инвертированном виде
Канал А
Канал В
I0
Iэфф.v
а)
б)

На рис. 8а и 9а представлены схемы для моделирования режимов работы
трѐхфазного двухтактного
выпрямителя
при активной нагрузке.
Выпрямленное напряжение U0 примерно в 2 раза больше напряжения на
вентильных обмотках (рис. 8а), а малые пульсации напряжения u0 (рис. 8б)
обеспечиваются самой схемой выпрямителя без сглаживающего фильтра.
Формы тока вентиля (рис. 9б) и сетевой обмотки трансформатора близки к
прямоугольной и имеют пульсации, частота которых больше частоты
сетевого напряжения в шесть раз.
Канал В
Канал А
Рис. 5. Схема измерения тока I1 в мостовом выпрямителе (а); осциллограммы тока сетевой
обмотки и обратного напряжения на вентиле VD2 (б). Осциллограмма канала В приведена в
инвертированном виде
а)
б)
I1
R01

Канал В
Рис. 6. Схема измерения токов I0, Iэфф.v, I1 в трѐхфазном однотактном
выпрямителе (а) и осциллограммы прямого тока вентиля и обратного
напряжения на вентиле (б)
I0
Iэфф
I1
а)))))
б)
L0

Канал В
Канал А
Рис. 7. Схема измерения напряжений U0, U2 в трѐхфазном выпрямителе (а) и
осциллограммы напряжений на выходе фильтра и на потребителе (б)
а)
б)
U0
U2
а)

Рис. 8. Схема измерения напряжений U0 и U2 в трѐхфазном мостовом
выпрямителе (а); осциллограммы обратного напряжения на вентиле VD4 и
выходного напряжения выпрямителя (б). Осциллограмма канала А приведена в
инвертированном виде
Канал А
Канал В
а)
б)
U0
U2

Канал В
Канал А
Рис. 9. Схема измерения токов I0 и I2 в мостовом выпрямителе (а); осциллограммы
прямого тока вентилей VD4, VD5 (б). Осциллограммы токов приведены в
инвертированном виде
а)
б)
I0
I2

Задание и порядок выполнения лабораторной работы
В результате математического моделирования выпрямителей по схемам
домашних заданий No1...3 (представлены в выданном вам учебном пособии) с
использованием программы EWB 4.1 получить:

распечатку принципиальных схем выпрямителей с символьными
обозначениями элементов, значениями их параметров и значениями
параметров U0, E2, I0, Iэфф.v, I1, измеренными цифровыми вольтметрами и
амперметрами программы EWB 4.1;

осциллограммы мгновенных значений u0(t), e2(t), iпр.v(t), uобр.v(t) при
активной и активно-индуктивной нагрузке с пояснением их формы и с
оценкой степени приближения к расчѐтным графикам. Осциллограммы
приводятся в режиме ZOOM.
Рекомендации:
1. Для выполнения задания необходимо изучить представленные выше
сведения по моделированию выпрямителей.
2. Распечатки принципиальных схем моделируемых выпрямителей по-
казаны на рис. 1а – 9а.
3. Распечатки осциллограмм мгновенных значений параметров выпря-
мителей приведены на рис. 1б – 9б.
4. При моделировании установить следующие параметры в модели ди-
одов:

Saturation current (A), по умолчанию 1·10
-14
;

Ohmic resistance (),равно нулю;

Zero-bias junction capacitance (F), равна нулю;

Junction potential (B), равен 0,75;

Transmit time (c), равно нулю;

Junction grading coefficient, равен 0,5;

Reverse Bias Breakdown Voltage (B), равно -4000В;
И трансформатора:

Leakage inductance (Гн), равна нулю;

Magnetizing inductance (Гн), равна 5 Гн;

Primary winding resistance (Ом), равно нулю;

Secondary winding resistance (Ом), равно нулю.
Коэффициент
трансформации (Primary-to-secondary turns ratio)
установить из отношения U1/E2 (для однофазного выпрямителя со средней
точкой из отношения U1/2E2).