3.1. Краткие теоретические сведения 15

Положительные полуволны синусоиды выпрямляются вентилями катод­ной группы, так как это направление напряжения является для них проводящим.

*

Отрицательные полуволны выпрямляются вентилями анодной групп В результате к нагрузке оказывается приложенной сумма выпрямленных на­пряжений анодной и катодной групп. Мгновенные значения напряжений этой суммы представляют разность фазных напряжений, т. е. линейное напряжение чередующихся фаз вторичной обмотки. Происходит выпрямление линейного напряжения, поэтому U_d больше, чем в однофазной нулевой схеме выпрямле­ния.

Ток вторичной обмотки переменный, поэтому нет потока вынужденного намагничивания трансформатора. Частота основной гармоники m = 6. Типовая мощность трансформатора определяется по формуле:

(4.4)

Сводные данные схем выпрямления для сравнительного анализа приве­дены в приложении.

R, Ом										Амплитуда пульсаций,В В
1000	220	381,1	407,1	537,3	511,6	565,1	170,53	274,32	274,88	30

Ответы на контрольные вопросы:

1. Способы соединения обмоток трансформатора можно использовать для мостовой схемы выпрямления, как так и Y;

2. В вентильной обмотке трансформатора трехфазной мостовой схемы выпрямления, форма тока- переменный.

3. Схему без трансформатора использовать нельзя, из-за брака U могут выйти из строя вентили.

4. Недостаток данной схеме выпрямления- большое количество вентилей ,а это дорого.

Лабораторная работа №5

Однофазные управляемые схемы выпрямления

Цель работы: изучение принципа работы схемы управляемого однофазного выпрямителя с нулевым выводом при активной нагрузке.

Схема управляемой однофазной системы

Таблица расчетных и экспериментальных значений

α, эл. град.		0	45	90	135	180
Ud,В	Расчет	47,77	40,77	23,87	6,99	0
	Измеренное	48,98	43,24	38,78	25,25	16,56
Id,мА	Расчет	47,77	40,77	23,87	6,99	0
	Измеренное	49,03	45,29	38,81	25,25	16,57

Расчетные формулы:

- напряжение при угле α

- амплитудное значение

- выпрямленный ток; R_d = 1000 Ом

T/2 – длина в мм одного полупериода

α ( в эл. град.) =

Пример расчета для

Показания осциллограмм:

M_U= 50 В/дел

M_t = 2 мс/дел

U₂- черный

U₂-красный

U_VD-синий

Вывод: изучили однофазную управляемую схему выпрямления и выяснили, что значение выпрямленного напряжения имеет спадающую криволинейную зависимость.

Ответы на контрольные вопросы:

1) На практике многие выпрямительные устройства должны обеспечивать возможность плавной регулировки выпрямленного напряжения. Такая потребность возникает при питании, например, электродвигателей постоянного тока с широким диапазоном изменения скорости (в регулируемых электроприводах).

Наиболее эффективно эта задача решается с помощью управляемых выпрямителей, в которых изменение среднего значения выпрямленного напряжения Ud осуществляется в процессе выпрямления посредством воздействия на управляемые вентили – тиристоры.

2) Тиристор имеет два силовых контакта, пропускающих рабочий ток (катод и анод) и могут иметь управляющий электрод. Тиристор может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Эти состояния обладают существенно различным сопротивлением между силовыми электродами. В закрытом состоянии сопротивление велико и ток через тиристор не идёт. Открывается тиристор при достижении между силовыми электродами напряжения открывания или током на управляющем электроде. В открытом состоянии сопротивление тиристора резко падает и он проводит ток. Закрытие тиристора происходит при отключении тока или смене его знака.

3) Импульсные сигналы имеют преимущества перед непрерывными сигналами: средняя мощность импульсного сигнала значительно меньше средней мощности непрерывного сигнала.

4) Тиристоры имеют широкий диапазон применений (регуляторы мощности, управляемые выпрямители, генераторы импульсов и др.), выпускаются с рабочими токами от долей ампера до тысяч ампер и с напряжениями включения от единиц до тысяч вольт. В выпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента. В управляемый выпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подводят от цепи управления импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол α относительно выпрямляемого напряжения.

5) Максимально допустимый угол регулирования тиристоров ограничен таким значением, которое по сравнению с углом 180 уменьшено на угол коммутации и угол восстановления запирающих свойств тиристоров для предотвращения опрокидывания инвертора. Если угол а превысит это значение или исчезнут отпирающие импульсы, выпрямленное напряжение при индуктивной нагрузке станет равным половине выпрямленного напряжения при полностью открытых тиристорах.

6) Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя - это зависимость средневыпрямленного значения напряжения U0a от угла регулирования α . При возрастании входного напряжения U1 или уменьшении тока нагрузки увеличивают угол регулирования α для поддержания постоянства напряжения в нагрузке U0a в заданных пределах.

7) В управляемых выпрямителях используются управляемые вентили – тиристоры. Регулирование осуществляется за счет задержки момента прохождения тока через вентиль по отношению к моменту его собственного отпирания. Так, например, в двухполупериодном выпрямителе при замене неуправляемых вентилей на управляемые и подаче на УЭ положительных управляющих импульсов напряжение на нагрузке изменится:

Постоянное напряжение U0 уменьшится. Угол задержки включения называется углом управления α. При увеличении α U0 уменьшается.

Для четкого момента включения:

1) управляющий импульс должен быть синхронизирован с частотой сети и иметь крутой передний фронт

2) амплитуда и длительность управляющего импульса должны быть достаточными для надежного открывания, но амплитуда не должна превышать I_Удоп. Регулирование напряжения осуществляется путем изменения фазы управляющего импульса относительно фазы u0.

8) Электрический выпрямитель предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. В общем случае схема ВП содержит трансформатор, вентили, сглаживающий фильтр и нагрузку. Работа выпрямителя характеризуется выходными параметрами и параметрами, определяющими режим работы вентилей и трансформатора. К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальные средние значения выпрямленных напряжения и тока (I₀ и U₀); коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (k_п) k_п=U_om/U₀, где U_0m - амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения; частота основной гармоники выпрямленного напряжения (f_п); выходное сопротивление выпрямителя (R_вых)

Вентили характеризуются средним ( I_пр.,ср . ), действующим ( I_В) и амплитудным (I_Bm) значениями прямого тока; амплитудой обратного напряжения на вентиле ( U_обр.m)

Выбор вентилей осуществляется по этим параметрам, величины которых не должны превышать предельных значений, указанных в технических условиях на выбранный тип вентиля.

Для трансформатора определяются: действующее значение ЭДС и тока вторичной обмотки ( Е₂ и I₂) действующие значения тока первичной обмотки ( I₁); габаритная мощность трансформатора Р_ГАБ = 0,5(U₁I₁ + E₂I₂),где U₁ - действующее значение напряжение на первичной обмотке.

Лабораторная работа №6

Внешняя характеристика выпрямительной установки, фильтрация выпрямленного напряжения, работа выпрямителя на разную нагрузку различного характера

Цель работы: снять внешнюю характеристику выпрямительной установки, исследовать работу выпрямителя на нагрузку различного характера

Схема выпрямителя:

Rd, Ом	Ud, В	Id, А
1000	62,61	0,00639
500	60,31	0,117
100	58,61	0,471
50	47,1	0,721
40	36,04	0,811
30	32,48	0,905
20	27,33	1,029
10	20,01	1,162
∞	11,74	0

Экспериментальные данные

Зависимость U(I)

Вывод: В результате получили, что U_d с увеличением I падает, т.к, чем больше ток, тем больше длится коммутация , тем больше угол коммутации γ, следовательно, U тр-ра увеличивается, следовательно U_d падает.

Лабораторная работа №7

Структурная схема ЭПС с асинхронным тяговым приводом. Автономный инвертор.

Цель работы: изучить принцип построения преобразователей ЭПС с асинхронным тяговым приводом. Исследовать работу автономного инвертора.

АД давно применяются на ЭПС:

1. Старые электровозы ВЛ60, ВЛ80 – асинхронные вспомогательные машины. Питаются от расщипителя фаз

2. 2ЭС6 (синыры) питаются от преобразователя собственных нужд. Выполнен на IGBT – транзисторах.

3. Асинхронные трехфазные тяговые двигатели. Запитываются от автономного инвертора на GTO – тиристорах.

4. ЭП – 20. Асинхронные двигатели запитываются от автономного инвертора на IGBT – транзисторах

Частота вращения магнитного поля статора определяется по формуле:

(1)

р – число пар полюсов

Частота вращения ротора:

(2)

Согласно второй формулы, можем менять частоту вращения, меняя составляющие этой формулы. Для изменения n₂ используется изменение частоты f переменного тока.

Однако, чтобы ТД имел высокий КПД также одновременно меняют подведенное напряжение пропорционально частоте U_ф = f

Изменение частоты и напряжения осуществляется в соответствии со структурной схемой частотного регулирования АД.

Эта схема с промежуточным звеном постоянного тока. Однофазное переменное напряжение 25 кВ с помощью тягового трансформатора понижается до 1100 В и подается на управляемый выпрямитель. Он осуществляет выпрямление и одновременное регулирование выпрямленного напряжения. Затем он сглаживается сглаживающим фильтром и поступает на автономный инвертор, которое преобразует постоянное напряжение в трехфазное переменное с регулируемой частотой. Это напряжение подается на АД.

Однофазный инвертор тока.

Принципиальная схема

Кривая изменения тока и напряжения

Признак того, что это инвертор тока:

Наличие на входе реактора с большой индуктивностью – он поддерживает неизменным ток на входе инвертора при переключении тиристоров. Если открыть VS1, VS3, то от источника постоянного тока G будет протекать ток i₁ по первичной обмотке трансформатора Т от точки А до точки х.

Через определенное время (равное половине периода Т/2) открываются VS2, VS4 и ток i₁ будет протекать в обратном направлении ( от точки х до точки А)

Таким образом, получается, что по первичной обмотке трансформатора Т протекает переменный ток и во вторичной обмотке будет индуцироваться переменный ток i_н, подаваемый на нагрузку R_н. Меняя частоту, открытие тиристора будет менять частоту переменного тока в трансформаторе и нагрузке. Конденсатор С_к служит для принудительной коммутации тиристоров. Когда открыты VS1, VS3 конденсатор С_к начинает разряжаться, приобретая полярность без скобок. В момент открытия VS2, VS4, конденсатор С_к начинает разряжаться и падает «+» VS1 и «-» на анод VS3, и эти тиристоры закрываются, но не мгновенно, а за время γ – угол коммутации ( см. осциллограммы). Во время коммутации γ все четыре тиристора открыты и через них протекают токи. При этом ток конденсатора i_c ускоряет закрытие VS1, VS3 и ускоряет открытие VS2, VS4. После закрытия VS1, VS3 C_к перезаряжается, приобретая полярность, показанную в скобках, при этом он подготавливается к коммутации тока с VS2, VS4 на VS1, VS3 в следующий полупериод. Время, в течение которого, на тиристоры подается обратное напряжение, оно должно быть достаточно большим, чтобы уверенно запирать тиристоры.

Получаются несинусоидальные первичные и вторичные токи напряжения.

Напряжение на нагрузке U_н имеет пилообразную форму, которая зависит от напряжения на конденсаторе С_к при его заряде и разряде в момент коммутации. Напряжение меняется по экспоненциальному закону при заряде и разряде конденсатора в течение времени β.

С помощью специальных фильтров можно приблизить это напряжение к синусоиде.

Изменяя частоту подачи управляющих импульсов на тиристорах VS1, VS3 и VS2, VS4 будем изменять частоту переменного тока на нагрузку R_н

Похожий принцип используется в трехфазном мостовом инверторе напряжений на IGBT- транзисторах (см. рисунок).

Признак того, что это инвертор, наличие на входе конденсатора С. Он поддерживает напряжение на входе неизменным при переключении транзистора. Открывая и закрывая транзисторы, инверторы, как это показано на диаграмме, будет преобразовывать постоянное напряжение на входе инвертора в трехфазное на выходе с регулируемой частотой. Это напряжение подается на фазы двигателя Z_a, Z_b, Z_c.

Диоды VD нужны, чтобы не было коммутационных перенапряжений при запирании тиристоров.

Вывод: мы изучили принципы работы преобразователя энергии и автономного инвертора, построили графики напряжений.