2. Задание на выполнение

Работа проводится на макете, принципиальная схема которого изображена на рисунок 3.1.

3.1. Снять зависимость U_вых(U_вх) при различных значениях емкостей.

3.2. Снять внешней характеристику выпрямителя.

3.3. Снять зависимость коэффициента пульсаций от величины тока нагрузки.

3.4. Снять зависимость коэффициента пульсаций от величины

емкости конденсаторов.

3 .5. Снять для схемы утроения зависимость U_вых(U_вх):

а) при холостом ходе выпрямителя R_H= ;

б) при сопротивлении нагрузки R_H=4000 Ом.

3.6. Снять для схемы утроения зависимость коэффициента пульсаций от величины тока нагрузки и внешнюю характеристику выпрямителя.

Рисунок 3.1

4. Порядок выполнения работы

4 .1. Зависимость U_вых =F(U_вх) снимается при холостом ходе выпрямителя (R_H= ) и при сопротивлении нагрузки R_H=4000 Ом. Изменение напряжения U_вх регулируется ЛАТРом, включенным в первичную обмотку трансформатора. Зависимость U_вых(U_вх) снимается при четырех значениях емкостей в плечах моста C₁=5 мкФ, C₂=10 мкФ, C₃=20 мкФ, C₄=30 мкФ.

Та или иная емкость включается соответствующими переключениями в схеме макета. Результаты опыта заносятся в табл.4.1, согласно которым и строится зависимость.

4.2. Внешняя характеристика выпрямителя U₀(I₀) снимается при тех же значениях емкостей в плечах моста, что и в пункте 4.1 данной работы, изменением R_H. Результаты измерений заносят­ся в табл. 4.2.

4.3. Зависимость K_П(I₀) снимается одновременно с внеш­ней характеристикой выпрямителя.

Результаты также заносятся в табл. 4.2. По данным таблицам строятся зависимости U₀(I₀) и K_П(I₀).

4 .4. Для схемы утроения снимается зависимость U_вых=F(U_вх) при холостом ходе выпрямителя R_H= и при сопротивлении нагруаки R_H=4000 Ом.

Примечание: изменение напряжения регулируется ЛАТРом, включенным в первичную обмотку трансформатора.

Результаты измерений заносятся в табл. 4.3. По данным таблицы построить зависимость U_вых=F(U_вх).

4.5. Снять зависимость коэффициента пульсаций от леличины тока нагрузки и внешнюю характеристику выпрямителя. Результаты измерений заносятся в табл. 4.4.

По данным таблицы построить зависимости U₀(I₀), K_П(I₀).

5. Домашнее задание

По данным, полученным при выполнении работы, рассчитать, используя литературу 3:

I₁ - ток в первичной обмотке трансформатора;

P_Г - габаритную мощность трансформатора;

I₂ - ток во вторичной обмотке трансформатора;

U_обр - обратное напряжение на диодах.

6. Контрольные вопросы.

6.1. Поясните принцип работы выпрямительной схемы с удвоением напряжения (схемы Латура).

6.2. Каково соотношение между U₂ и обратным напряжением на вентиле в схеме Латура?

6.3. Для чего применяются выпрямительные схемы с умножением напряжения?

6.4. Поясните принцип работы каскадной выпрямительной схемы с утроением напряжения.

6.5. Каково соотношение между U₂ и обратными напряжениями на вентилях в схеме с утроением напряжения?

6.6. Как зависит величина выходного напряжения в выпрямительных устройствах с умножением напряжения от емкости конденсаторов?

6.7. Каково соотношение между частотой питающей сети и частотой пульсаций в выпрямительных схемах с умножением напряжения?

Лабораторная работа N 3 ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование принципов работы и характеристик тиристорного управляемого выпрямителя.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Управляемым называется такой выпрямитель, в котором выходное напряжение U₀ может регулироваться при неизменной напряжении U₂ на вторичной обмотке силового трансформатора.

Основным элементом управляемого выпрямителя является управля­емый вентиль, который может представлять собой ионный или электрон­ный прибор. В настоящее время в качестве управляемых вентилей наи­более часто применяются тиристоры.

Тиристор - это четырехслойный полупроводниковый прибор (рисунок 2.1). Особенность его работы заключается в том, что при поло­жительном напряжении на аноде А по отношению к катоду К он начина­ет проводить ток лишь после подачи на управляющий электрод УЭ ко­роткого положительного импульса.

Рисунок 2.1. Тиристор; а - структура прибора; б - схемное обозначение

При открытом состоянии тиристора прямой ток через него огра­ничивается сопротивлением нагрузки. Закрывается тиристор изменени­ем полярности анодного напряжения с уменьшением тока до значения, меньшего так называемого тока I_УЭ удержания (см. статические вольтамперные характеристики (ВАХ) на рисунок 2.2).

Из ВАХ на рисунок 2.2 видно, что тиристор можно привести в откры­тое состояние, не воздействуя на управляющий электрод (при I_У = 0). Для этого нужно увеличить приложенное к нему прямое напряжение до критического значения U’_вкл. Тиристор может также перейти в открытое состояние и при меньшем значении напряжения, чем U’_вкл., если скорость его нарастания достаточно высока. Однако такое вклю­чение тиристора нежелательно. Поэтому тиристоры нормально работают при входном синусоидальном напряжении, скорость нарастания которо­го составляет несколько десятков вольт в секунду.

По вольтамперным характеристикам (рисунок 2.2) основные статисти­ческие параметры тиристоров можно определить:

U_вкл. - напряжение включения, соответствующее точке перегиба ВАХ;

I_вкл. - ток включения, т.е. минимальная величина анодного то­ка, необходимого для перехода тиристора в открытое состояние и сохранения этого состояния после снятия управляющего сигнала;

U_ном. - номинальное напряжение, за которое принимается мак­симальное напряжение, при котором тиристор может длительно рабо­тать в закрытом состоянии. Обычно U_{ном =} (0,6...0,7) U_вкл ;

I_выкл. - ток выключения, т.е. анодный ток, ниже которого ти­ристор переходит в запертое состояние;

U_{обр.ном.} - номинальное обратное напряжение, которым считают максимальное обратное напряжение, при котором тиристор может дли­тельное время работать без разрушения;

U_проб. – обратное пробивное напряжение, т.е. обратное напря­жение, при котором обратный ток начинает резко возрастать, что приводит к пробою тиристора и его разрушению;

Рисунок 2.2. Статические вольтамперные характеристики тиристора: 1- открытое состояние; 2 - участок отрицательного дифферен­циального сопротивления; 3 - закрытое состояние; 4 - непрово­дящее состояние в обратном направлении; 5 - область пробоя в обратном направлении

U’_вкл. - прямое напряжение включения, являющееся критическим напряжением, при котором тиристор, имеющий предельную температуру корпуса, переходит в открытое состояние при отсутствии тока уп­равляющего электрода.

К параметрам тиристора относятся также время переключения (1-5)мкс и время восстановления закрытого состояния тиристора (12-20)мкс.

Простейшая схема управляемого выпрямителя на тиристорах вклю­чает в себя силовой трансформатор, который обеспечивает необходи­мое напряжение U₂, управляемый вентиль, источник управляющего напряжения и сглаживающий фильтр.

Изменять выходное напряжение в тиристорных управляемых выпря­мителях можно следующими способами.

1.Зависимости от величины сигнала постоянного тока изменяется угол включения вентиля и соответственно меняется среднее зна­чение выпрямленного тока и напряжения на нагрузке. Такой способ управления называется амплитудным.

2.На управляющий электрод подается переменное напряжение с некоторым углом запаздывания α по отношению к напряжению на аноде тиристора. В маломощных выпрямителях для этой цели применяются емкостные и индуктивные фазовращатели. Пример емкостного фазовращателя и векторная диаграмма, поясняющая его работу, представ­лены на рисунок 2.3. Сдвиг фазы выходного напряжения относительно на­пряжения на вторичной обмотке трансформаторе достигается изменением сопротивления R3 .

3.При импульсном управлении на управляющий электрод подают­ся импульсы с крутым передним фронтом, сдвинутые по времени отно­сительно напряжения на аноде тиристора. В этом случае исключается неоднозначность установки угла регулирования, которая может иметь место при синусоидальных управляющих сигналах.

Рисунок 2.3. Емкостной фазовращатель: а - принципиальная схема; б - векторная диаграмма

На практике управляемые выпрямители, как правило, строятся по многофазной схеме. В качестве примера рассмотрим работу двух­тактного управляемого выпрямителя для однофазной сети, схема кото­рого представлена на рисунок 2.4.

Рисунок 2.4. Двухтактный управляемый выпрямитель для однофазной сети переменного тока;

УУ - устройство управления

Если между напряжениями управляющего электрода и анода каждо­го тиристора нет сдвига фаз, то схема действует как неуправляемая: ток протекает через каждый тиристор и нагрузку в течение половины периода выпрямляемого напряжения (π/2). При сдвиге фаз между уп­равляющим и анодным напряжениями, т.е. при угле регулирования α > 0, ток протекает через каждый тиристор в течение условного времени ωt < π . Форма кривых тока и напряжения для этого режима работы показана на рисунок 2.5.

Очевидно, что угол регулирования может меняться лишь в преде­лах (π - 0°), (0° - 180°). Постоянные составляющие тока I_0α и напряжения U_0α на нагрузке управляемого выпрямителя опреде­ляются соотношениями

где I₀ и U₀ - постоянные составляющие напряжения и тока эквивалентного неуправляемого выпрямителя.

Зависимость нормированного напряжения U_0α /U₀ от угла α регулирования называется регулировочной характеристикой вы­прямителя (рисунок 2.6).

При работе управляемого выпрямителя на нагрузку с индуктивной реакцией, что наиболее часто встречается в источниках питания, воз­можны два режима работы - режим непрерывного тока и режим преры­вистого тока, когда ток в нагрузке имеет импульсный характер.

В режиме непрерывного тока накопленной в индуктивности цепи нагрузки энергии достаточно для поддержания тока до момента вклю­чения второго вентиля выпрямителя и ток протекает в некоторой час­ти периода даже при отрицательном напряжении на аноде. Режим пре­рывистого тока возникает при выполнении условия

(1)

где x_н и R_н – индуктивная и активная составляющие нагрузки.

Рисунок 2.5. Временные диаграммы:

U₀(t) - напряжение на сопротивлении нагрузки;

U_У(t) - управляющее напряжение в цепях управляющих электродов вентилей VD1(a) и VD2(б);

I_в(t) - ток в вентилях VD1 (а) и VD2 (б);

U₂(t) - напряжение на верхней вторичной полуобмотке.

Так как импульсы анодного тока смещены относительно анодного напряжения тиристора на угол регулирования, тиристорный выпрями­тель потребляет из сети помимо активного и реактивный ток, что является его недостатком.

Рисунок 2.6. Нормированная регулировочная характеристика

Таким образом, основными особенностями работы тиристорного регулируемого выпрямителя являются:

1. Уменьшение выходного напряжения в тиристорном выпрямителе достигается уменьшением отбора мощности от сети переменного тока и не приводит к увеличению ее потерь в выпрямителе.

2. При регулировании выпрямитель потребляет от сети перемен­ного тока не только активную, но и реактивную мощность.

3. Выходное напряжение меняется от максимума до нуля при из­менении угла регулирования от 0 до π при работе на активную нагрузку и от 0 до π/2 при индуктивной реакции нагрузки.

4. Пульсация выпрямленного напряжения заметно возрастает с ростом угла регулирования.

5. Режим непрерывного тока в дросселе нарушается, если выполняется условие (1).