5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему исследуемого управляемого выпрямителя.

3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

4. Графические зависимости U₀(α), I₀(α), P₀(α), U₀ (I₀) при α=45° и α=135°, построенные по данным экспериментов.

5. Осциллограммы формы токов и напряжений в схеме при исследованных режимах работы управляемого выпрямителя.

6. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

6.1.На каких элементах строятся управляемые выпрямители?

6.2.Поясните устройство и принцип действия тиристора. 6.3.Назовите основные параметры тиристоров.

6.4.Как работает простейший управляемый выпрямитель?

6.5.Какие методы управления управляемыми выпрямителями вы знаете?

6.6.Как работает емкостной фазовращатель?

6.7.Что такое регулировочная характеристика выпрямителя?

6.8.Какие вы знаете режимы работы управляемого выпрямителя при работе на нагрузку, с индуктивной реакцией?

6.9.При каких условиях режим непрерывного тока в дросселе нарушается?

6.10. Какой характер нагрузки представляет собой управляемый выпрямитель для сети переменного тока?

6.11.Почему к.п.д. управляемого выпрямителя выше, чем к.п.д. неуправляемого выпрямителя при регулировке выходного напряжения?

6.12. Как влияет величина угла регулирования на коэффициент пульсации выходного напряжения?

Лабораторная работа №4 МНОГОФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

1. Цель работы

   1. Изучить физику работы различных выпрямителей, питающихся от трехфазной сети.

   2. Получить экспериментальное подтверждение основных теоретических соотношений, характеризующих работу трехфазных выпрямителей при работе на разные виды нагрузки.

2. Домашнее задание

   1. Изучить принцип действия однополупериодной схемы Миткевича и двухполупериодной схемы Ларионова выпрямления трехфазного тока.

   2. Ознакомиться с методикой расчета выпрямительных устройств с применением ЭВМ.

3. Краткие теоретические сведения

Выпрямителем называется статистический преобразователь переменного тока в постоянный. Трехфазные выпрямители находят широкое применение в установках электропитания устройств связи, потребляющих большие мощности.

Простейшей схемой выпрямления трехфазного тока является схем с нулевой точкой у вторичной обмотки трансформатора, предложенная в 1901г. В. Ф. Миткевичем (рисунок 1). Первичные обмотки трансформатора могут быть также включены по схеме «треугольник». Для упрощения полагаем вентили и трансформатор идеальными, т.е. сопротивление вентиля в прямом направлении r_впр =0 , а в обратном направлении r_обр =∞. Трансформатор не имеет ни активных, не реактивных сопротивлений.

Эпюры напряжений и токов в трехфазном выпрямителе при допущенных упрощениях приведены на рисунок 2.

При включении первичных обмоток в сеть переменного тока в фазах вторичных обмоток наводятся ЭДС Uа,U_b, Uс, сдвинутые по фазе на 2π/3 (рисунок 2а). Выбрав произвольно момент t₁ . Видим, что ЭДС фазы a наиболее положительна и анод вентиляV1 имеет наиболее высокий потенциал по отношению к нулевой точке вторичных обмоток трансформатора. В момент t₁ напряжение фазы в также положительно, но меньше чем Ua . Поэтому потенциал анода вентиля 2 ниже, чем потенциал его катода и следовательно, вентиль 2 будет закрыт.

Рис1. Схема трехфазного одноактного выпрямителя

Начиная с момента t2, наибольшее положительное значение приобретает ЭДС фазы в, вследствие чего открывается вентиль 2 и вступает в работу фаза в (рисунок 2в). Начиная с момента t3 , вступает в работу фаза с и т.д.

По нагрузке токи всех вентилей протекают в одном направлении. Поскольку мгновенное значение напряжения и тока на нагрузке связаны соотношением i_o(t)=U_o(t)/Rн, то в ином масштабе кривая представляет собой кривую i_o (рисунок 2б).

Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагруженном на активное сопротивление, ток в фазе имеет форму прямоугольника с основанием 2π/m и ограниченного с верху отрезком синусоиды, т.е. в этом случае токи во вторичных обмотках протекают только в одном направлении (однополупериодное выпрямление), что вызывает вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. Это явление снижает использование трансформатора по мощности, увеличивает потери в стали трансформатора и снижает КПД всего устройств.

На рисунок 2е изображена кривая обратного напряжения на вентилеVD1 , которая представляет собой разность двух синусоидальных фазных напряжений, т.е. равна линейному напряжению вторичной обмотки. Максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде линейного напряжения

Рисунок 2 Графики напряжений и токов в выпрямителе при работе на активную нагрузку

Фазное напряжение первичной обмотки связано с фазным напряжением вторичной обмотки простым соотношением

Где n – коэффициент трансформации.

Соотношение между токами в фазах первичных и вторичных обмоток зависит не только от коэффициента трансформации и схемы соединение первичных обмоток, но и от числа импульсов тока в фазах вторичной обмотки.

Из теории многофазных выпрямителей известны следующие соотношения между величинами токов и напряжений в нагрузки и в обмотках трансформатора:

Где I₀,U₀ - постоянная составляющая выпрямленного тока и напряжения в нагрузке соответственно;

I_вд,I₁,I₂ - действующие значения токов, протекающих через вентиль, вторичную и первичную обмотки трансформатора соответственно;

I_2m,U_2m - амплитудные значения тока и напряжения во вторичных обмотках трансформатора

- среднее значение тока в вентиле и фазе вторичной обмотки;

m=3- число фаз выпрямленного тока.

Так как напряжение на нагрузке достигает максимальной величины 3 раза за период сетевого напряжения, то частота основной гармоники

f₁=3f_c=150Гц

Содержание переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения определяется коэффициентом пульсаций по первой гармонике

f₁=3f_c=150Гц

Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им в нагрузку, определяется следующим выражением:

P₀= U_0* I₀

Мощность, на которую должны быть рассчитаны трансформатор и вентиль, определяется не только постоянной, но и переменной составляющей тока и напряжения. Эта мощность, называемая габаритной, больше полезной и определяется действующими значениями напряжения и тока

S₂=m₂ ·I₂·U₂ S₁=m₁ ·I₁·U S_тр=0.5 ·(S₁+S₂₎

ГдеS_т, S_1, S₂ – габаритные мощности соответственно вторичной обмотки и трансформатора в вольтметрах.

В однотактных схемах выпрямлена я габаритная мощность вторичных обмоток больше, чем первичных (S_2> S₁ ) вследствие наличия постоянной составляющей в кривой тока вторичной обмотки.

Степень использования трансформатора по мощности оценивается коэффициентом использования трансформатора, который равен

K_uгр=P_o/S_гр

Для каждой схемы выпрямления можно вычислить коэффициент выпрямления схемы

q=U_o/U₂

Т.е. отношение среднего значения выпрямленного напряжения (измеренного магнитоэлектрическим прибором) к действующему значению того вторичного напряжения трансформатора, которое определяет собой выпрямленное напряжения (т.е к фазному U_2ф или линейному U_2л измеряемому электромагнитным прибором).

Более эффективной по использованию трансформатора, коэффициенту пульсаций, величине обратного напряжения и частоте пульсаций является предложенная в 1923 г. А.Н. Ларионовым двухтактная трехфазная схема выпрямителя (рисунок 3). Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут соединяться как в звезду, так и в треугольник. Вентили соединены в две группы: катодную, в которой катоды VD1,3,5 соединены вместе, и анодную, в которой соединены вместе аноды VD2, VD4, VD6.

Выпрямитель работает следующим образом.

В каждый момент времени работают два вентиля и две фазы между которыми напряжения наибольшее положительное по сравнению с другими фазами (рисунок 4а-л). Выпрямленное напряжения (рисунок 4е) определяется линейным напряжением вторичных обмоток трансформатора. Как видно из рисунок 4, каждая фаза работает 2/3 части периода, причем ток в фазе 1/3 часть периода сетевого напряжения протекает в одном направлении, а следующую 1/3 часть периода в другом направлении. Так как в каждой фазе ток за каждый полупериод протекает в течение времени, меньшего , то такую схему в отличие от однофазной двухполупериодной схемы Греца лучше называть двухтактной. Протекание тока в фазе вторичной обмотки в разные моменты времени в противоположном направлении исключает подмагничивание сердечника трансформатора. Ток нагрузки равен сумме токов пар вентилей. Напряжение на нагрузке пульсирует с частотой в шесть раз большей, чем частота питающей сети

f₁=6·f_c=300Гц

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю в закрытом состоянии также как и в схеме Миткевича равно максимальному линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора.

Рисунок 3 Схема трехфазного двухтактного выпрямителя

Рисунок 4 Графики напряжений и токов в двухтактном выпрямителе работающем на активную нагрузку

Действующие значения токов I_вд,I₁,I₂ в трехфазной мостовой схеме определяются по формулам:

Где q_г = 4 - число импульсов тока в обмотке трансформатора за период;

q_в = 2 - число импульсов тока в вентиле за период.

Основные расчетные соотношения параметров схем выпрямления трехфазного тока при работе на активную нагрузку представлены в таблице 1.

Таблица 1.

№	Название параметра	Соотношения
		Схема Миткевича	Схема Ларионова
1	Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.	U2=0.855Uo	U2=0.43Uo
2	Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора	I2=0.58Io	I2=0.82Io
3	Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора	I1=0.48· Io/n	I1=0.82· Io/n
4	Габаритная мощность трансформатора	Sг=1.35Po	Sг=1.05Po
5	Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора	Есть	Нет
6	Максимальное значение обратного напряжения на вентиле	Uобр=2.09Uo	Uобр=1.05Uo
7	Среднее значение тока вентиля	Iврс=0.33Io	Iврс=0.33Io
8	Максимальное значение тока вентиля	Iвм=1.31Io	Iвм=1.05Io
9	Частота основной гармоники	f1=150Гц	f1=300Гц
10	Коэффициент пульсаций	Кп=0.25	Кп=0.057

Основные соотношения для трехфазных выпрямителей

В отличие от рассмотренного режима работы в реальных схемах на работу выпрямителя существенное влияние оказывают активные сопротивления вентилей, обмоток трансформатора и индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, изменяя как величину, так и форму кривой выпрямленного напряжения и тока вентиля. Сопротивление выпрямителя r_обр= r_пр+ r_тр , работающего на нагрузку индуктивного характера (рис 5) так же как и при любом характере нагрузки, снижает выпрямленное напряжение за счет падения напряжения в этом сопротивлении. Индуктивности рассеяния L_s обмоток трансформатора в многофазных выпрямителях препятствуют изменениям тока в фазах вторичной обмотки, так как при любом изменении тока в них возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этим изменениям. Из-за влияния активных и реактивных сопротивлений фаз выпрямителя при m>2 возникает перекрытие фаз, т. е их одновременная работа в течение некоторой части периода, соответствующей углу перекрытия γ.

За время перекрытия фаз в каждой фазе действует ЭДС вторичной обмотки трансформатора и ЭДС рассеяния l_s, которая в фазе a, прекращающей работу, направлена согласно с током, а в фазе в, вступающей в работу, встречно току. Напряжение на выходе выпрямителя при перекрытии фаз равно алгебраической сумме ЭДС фазы вторичной обмотки и ЭДС рассеяния т.е.

Uo= Uа+ l_sa

При бесконечно большой индуктивности дросселя на выходе выпрямителя L→ ∞ ток в нагрузке неизменен во времени и при одновременной работа фаз сумма токов их постоянна

i_a+ i_в=I₀=const

Напряжение и ток в нагрузке связаны с величиной угла следующим соотношением (без учета влияния активных сопротивлений):

1- cos γ = I₀·(m·x_тр/π ·U_o)

Рисунок 5 Схема многофазного выпрямителя, работающего на нагрузку индуктивного характера

Рисунок 6. Графики напряжений и токов в многофазном выпрямителе, работающем на нагрузку индуктивного характера

Выпрямленное напряжение при наличии перекрытия фаз за счет активных сопротивлений равно

U_o= U_oхх- I_огр(1- m γ/8 π)

Где U_oхх – выпрямленное напряжение при холостом ходе.

Угол перекрытия γ можно определить из следующего выражения:

Таки образом, угол перекрытия γ будет тем больше, чем больше ток нагрузки, индуктивные и активные сопротивления фаз выпрямителя и число фаз выпрямителя.

Перекрытие фаз уменьшает выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсации и время работы каждой фазы, которое становится равным (2 π/m)+ γ вместо 2 π/m в выпрямителе без потерь.

Выпрямленное напряжение на нагрузке с учетом внутренних активных и реактивных сопротивлений.

U_o= U_oхх- I_огр(r_ф- mх_тр /2 π)

Как видно из этого выражения, напряжение на выходе реального выпрямителя падает с ростом тока нагрузки. Зависимость напряжения на выходных зажимах выпрямителя от тока нагрузки при постоянстве входного напряжения U1=const называется внешней или нагрузочной характеристикой Uo = f(I₀)

Соотношения между основными параметрами идеальных выпрямителей, работающих на индуктивную нагрузку, приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2.

Схема выпрямления
Схема Миткевича	0,855	2,1	0,33	1	0,58	0,58	1,46	1,2	1,3	0,25
Схема Ларионова	0,43	1,05	0,33	1	0,58	0,82	1,05	1,05	1,05	0,057

Работа трехфазного выпрямителя на нагрузку, шунтированную емкостью, (рисунок 7) отличается значительным изменением режима работы вентилей.

Рисунок 7. Схема трехфазного выпрямителя с емкостной реакцией нагрузки (а) и графики напряжений и токов в нем (в)

Ток в фазе в, следовательно, и через вентиль начинает протекать в момент равенства напряжения фазы U_в и напряжения на конденсаторе U_с= U_o. Если пренебречь индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора L_s, то ток через вентиль протекает в интервале 2θ, когда напряжение фазы превышает напряжение на конденсаторе. Таким образом, в этом случае время работы вентилей сокращается, уменьшается использование трансформатора по мощности, возрастает максимальное значение тока через вентиль.

При уменьшении нагрузки (увеличение R_н ) угол отсечки θ уменьшается.

Основные параметры выпрямителя связаны с величиной угла отсечки следующими соотношениями:

Где ρ - количество импульсов тока на выходе вентильного блока за период сетевого напряжения;

A,B,D,F,H- расчетные коэффициенты, графические зависимости между которыми представлены на рисунок 8.

Как видно из представленных выражений, выполнять расчет выпрямителя на основе аналитических зависимостей без применения средств вычислительной техники затруднительно. При проверке экспериментальных данных следует обращаться к программам, описанным в методической разработке по проектированию вторичных источников питания (3).

Рисунок 8 - Графики расчетных коэффициентов выпрямителя, работающего на нагрузку емкостного характера.

4. Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка состоит из стенда для исследования многофазных выпрямителей, принципиальная схема которого приведена на рисунок 9, двулучевого осциллографа и вольтметра постоянного тока.

Стрелочные приборы РА1 и РА2 предназначены для измерения действующего значения переменного тока в первичной и вторичной фазной обмотке силового трансформатора, соответственно.

Прибор РАЗ служит для измерения постоянной составляющей тока нагрузки. Для измерения постоянной составляющей напряжения на нагрузочном сопротивлении R_н применяется выносной вольтметр. Вольтметр переменного тока PV1 служит для измерения действующего значения напряжения на фазных обмотках трансформатора. Подключение его к нужной обмотке производится выключателем S3. Переключатель S2 позволяет получить выпрямитель по схеме Миткевича или по схеме Ларионова. Тумблеры S4 и S5 предназначены для подключения на выход выпрямителя реактивных элементов L1,C1. Переключатель S6 предназначен для подключения входов двулучевого осциллографа к различным цепям выпрямителя. В первом положении этого переключателя снимаются осциллограммы тока и напряжения в фазе первичной обмотки трансформатора, во втором положении тоже для вторичной обмотки. В третьем положении снимаются осциллограммы напряжения и тока на выходе вентильного блока. Для снятия осциллограмм напряжения и тока на сопротивлении нагрузки R_Н служат гнезда X1 и X2. Гнезда X3-X5 предназначены для подключения двулучевого осциллографа. При подключении осциллографа необходимо следить за тем, чтобы через общий корпус не закоротить участок схемы.

Для защиты сети от перегрузки и предотвращения возгорания подводящих кабелей служат фазные предохранители F1-F3 , которые однако не предохраняют от выхода из строя лабораторного стенда при внутренних замыканиях.

5. Порядок выполнения работы

5.1. Изучить работу трехфазного выпрямителя по схеме Миткевича и Ларионова посредством снятия осциллограмм напряжения и тока в обмотках трансформатора и на выходе вентильного блока при чисто активной нагрузке. При снятии осциллограмм на разных участках схемы подбирать необходимый коэффициент усиления на входе каждого канала осциллографа.

При максимальном токе нагрузки (R_Н= R_Нмин) вычислить коэффициенты K_U1, K_U2, K_Uгр использования трансформатора по мощности по формулам:

K_U1=I₀U₀/ I₁U₁

K_U2=I₀U₀

K_Uгр=2I₀U₀/ I₁U₁₊ I₂U₂

Для чего необходимо измерить параметры U₁; U₂; I₁; I₂; I₀; U₀

Для определения коэффициента пульсаций напряжения на сопротивлении нагрузки R_н оценить с помощью осциллографа интенсивность переменной составляющей U~, измеряя полуразмах U_пр колебаний напряжения на выходе выпрямителя относительно напряжения U₀.

Коэффициент пульсаций рассчитать по формулеK_п=U_пр/U₀ . Данные измерений и результаты расчетов занести в табл 5.1.

Таблица 5.1

Параметры трехфазных выпрямителей при работе на разные виды нагрузки

Тип выпрямителя

Вид нагрузки

U1

U2

I1

I2

I0

U0

Uпр

KU1

KU2

Kuт

Kп

Схема Миткевича

R

CR

LR

Схема Ларионова

R

CR

LR

5.2 Выполнить указанные в пункте 4.1 исследования при емкостном характере нагрузки т.е. при наличии на выходе вентильного блока конденсатора, включенного параллельно нагрузке. Измерения произвести при максимальном токе нагрузки (R_Н= R_Нмах) . По осциллограмме тока в фазе вторичной обмотки определить угол отсечки θ, для чего откалибровать ось горизонтальной развертки осциллографа в град/мм. Рассчитать амплитуду выпрямляемого напряжения в двух исследуемых схемах по формуле U_m=U₀/cosθ. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 5.1.

С помощью ЭВМ, пользуясь данными табл. 5.1, определить внутреннее сопротивление выпрямителей, емкость конденсатора C1 , рабочее напряжение конденсатора и параметры режима работы вентилей для минимального тока нагрузки и для тока нагрузки, в два раза превышающего экспериментально снятую величину.

5.3. Выполнить указанные в пункте 5.1. исследования при индуктивном характере нагрузки, т.е. при включенном последовательно с сопротивлением нагрузки R_Н дросселе L₁ и отключенном конденсаторе С₁. Ток нагрузки установить на максимум(R_Н= R_Нмin) . Результаты измерений и расчетов внести в табл. 5.1.

С помощью ЭВМ, пользуясь данными табл 5.1, определить внутреннее сопротивление выпрямителей, индуктивность дросселя L1 и параметры режима работы вентилей для максимального тока нагрузки и для тока нагрузки в два раза меньше экспериментально снятой величины.

5.4. Снять внешние характеристикиU₀(I₀) выпрямителей по схеме Миткевича и Ларионова, изменяя сопротивление нагрузки при работе на емкостную и индуктивную нагрузки. Результаты измерений занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2.

Зависимость выходного напряжения от величины нагрузки

Схема Миткевича	CR	I0
		U0
	LR	I0
		U0
Схема Ларионова	CR	I0
		U0
	LR	I0
		U0

Построить графики снятых зависимостей и определить по ним внутренне сопротивление выпрямителя

Где I₀₁ и I₀₂ – произвольно выбранные значения тока в линейной средней части характеристики;

U₀₁,U₀₂- соответствующие им значения напряжения

7. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

6.1. Цель работы

6.2. Принципиальную схему лабораторной установки

6.3. Таблицы оценочных экспериментально расчетных параметров.

6.4. Нагрузочные характеристики

6.5. Осциллограммы токов и напряжений на различных участках схемы при исследованных режимах работы выпрямителей.

6.6 Выводы по работа

7. Контрольные вопросы

7.1. Принцип работы и сравнительна характеристик трехфазных выпрямителей по схемам Миткевича и Ларионова.

7.2. Основные соотношения, характеризующие работу трехфазных выпрямителей.

7.3. Особенности работы выпрямителей на активную, емкостную и индуктивную нагрузки.

7.4. Понятие о внешней характеристике и внутреннем сопротивлении выпрямителя.

7.5. Влияние величины нагрузки на форму тока и напряжения в выпрямителе при работе на нагрузку с активным, емкостным и индуктивным характером реакции.

7.6. Влияние на коэффициент использования трансформатора характера нагрузки.

7.7. Особенности расчета на ЭВМ выпрямителей, работающих на нагрузку индуктивного и емкостного характера.

7.8. Определение фазного и линейного напряжения в трехфазной системе.

7.9. Устройство лабораторной установки.

7.10. Достоинства и недостатки многофазных выпрямителей.

Лабораторная работе № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА С НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

1.Цель работы.

1.1. Изучить устройство и принцип действия параметрических и компенсационных стабилизаторов напряжения и тока с непрерывным регулированием. Усвоить методы измерения их основных характеристик.

1.2. Исследовать экспериментально характеристики и режимы работы стабилизаторов напряжения и тока.