Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра Промышленной электроники.

Курс “Силовые полупроводниковые приборы”.

Лабораторная работа 3.

Методические указания

к лабораторной работе.

Составил: Р.Я. Заболев.

Новосибирск 2012

Лабораторная работа 3 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”

Тема: исследование условий работы полупроводниковых приборов в прерывателе переменного тока, работающего на мостовую схему выпрямления однофазного тока в режиме стабилизации среднего значения тока нагрузки.

Цели:

1) – продолжение знакомства с многообразием условий работы силовых полупроводниковых приборов в схемах силовой электроники;

2) – исследование влияния параметров нагрузки на форму анодного тока и интегральные параметры токовой загрузки приборов в исследуемой схеме;

3) – исследование влияния параметров нагрузки на мощность основных потерь и тепловую загрузку приборов в исследуемой схеме.

Метод исследования:

численный эксперимент с использованием программного обеспечения PSIM, предназначенного для моделирования электромагнитных процессов в электромеханических системах.

3.1. Принцип действия схемы

Схема силовых цепей, диаграммы токов и напряжений.

Эквивалентная схема замещения силовых цепей исследуемого в лабораторной работе преобразователя переменного тока в постоянны приведена на рис. 3.1.

Мостовой выпрямитель однофазного тока с вентильным комплектом на диодах D₁ … D₄ работает на активную нагрузку R_d. Выпрямленное напряжение u_d на выходе вентильного комплекта регулируется со стороны питающей сети e₂ прерывателем переменного тока из двух соединенных встречно-параллельно тиристоров Т₁ и Т₂. Включение тиристоров осуществляется импульсами, формируемыми системой импульсно-фазового управления СИФУ.

Временные диаграммы токов и напряжений в предположении идеальной питающей сети, приведены на рис. 3.2.

На интервале времени     , когда ЭДС e₂ питающей сети имеет положительные значения (рис. 3.2,б), тиристор Т₁ находится под прямым напряжением (рис. 3.2,г), однако он пока еще выключен. В момент времени    на управляющий электрод Т₁ поступает отпирающий импульс F_y1 (рис. 3.2,а) и тогда он включается.

От источника питающей е₂ по контуру, образованному тиристором Т₁, диодами D₁ и D₂ и сопротивлением нагрузки R_d, начинает протекать ток i_d (рис. 3.2,б и рис. 3.2,д):

(3.1)

В момент времени    анодный ток тиристора Т₁ спадает до нуля и он выключается, разрывая контур протекания тока и отключая нагрузку от питающей сети.

Рис. 3.1. Эквивалентная схема силовых цепей преобразователя

На интервале времени    2 когда синусоида питающей ЭДС е₂ отрицательная (рис. 3.2,б) во включенном состоянии может находиться тиристор Т₂. Он вступает в работу в момент времени   , когда на его управляющий электрод поступает отпирающий импульс F_y2 (рис. 3.2,а).

От источника питающей е₂ снова начинает протекать ток, но теперь уже через тиристор Т₂, диоды D₃ и D₄ и далее через сопротивление нагрузки R_d. При этом направление протекания тока в нагрузке не изменяется (рис. 3.2,д). В то же время ток в питающей сети начинает протекать в противоположном направлении (рис. 3.2,б). Выключается тиристор Т₂ в момент времени  = , когда его анодный ток спадает до нуля.

На последующих полупериодах ЭДС питающей сети е₂ рассмотренные выше процессы поочередного включения тиристоров Т₁ и Т₂ просто повторяются.

Основные расчетные соотношения.

Среднее значение напряжения на нагрузке:

(3.2)

Среднее значение тока в нагрузке:

(3.3)

Среднее значение анодных токов тиристоров:

(3.4)

Действующее значение анодных токов тиристоров:

(3.5)

Рис. 3.2. Временные диаграммы токов и напряжений в схеме

Коэффициент формы анодных токов тиристоров:

(3.6)

Характер влияния величины угла регулирования на коэффициент формы анодных токов тиристоров иллюстрирует графическая зависимость, приведенная на рис. 3.3..

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента формы анодного тока тиристора от величины угла регулирования

Алгоритм функционирования СИФУ.

Временные диаграммы, поясняющие алгоритм функционирования системы импульсно-фазового управления, приведенные на рис. 3.4, полностью соответствуют аналогичным диаграммам в СИФУ управляемого выпрямителя (рис. 2.4 в методических указаниях к лабораторной работе 2). По этой причине здесь мы их детально анализировать не будем.

Рис. 3.4. Временные диаграммы сигналов СИФУ

Алгоритм формирования сигнала управления.

Вопрос об алгоритме формирования сигнала управления в данном случае представляется наиболее важным.

Не будем забывать о том, что по условиям функционирования рассматриваемой системе сопротивление нагрузки R_d может изменяться в широких пределах. При этом, однако, среднее значение тока в нагрузке I_d должно поддерживаться неизменным на заданном уровне. Отсюда следует, что СИФУ должна быть способной корректировать величину сигнала управления U_y в соответствии с величиной сопротивления нагрузки.

В реальных условиях подобные задачи решают, замыкая контур отрицательной обратной связи по току нагрузки.

Мы, однако, используем несколько иной подход (заметим, вовсе не самый оптимальный), превратив нашу систему управления в своеобразный “микрокалькулятор” с тем, чтобы можно было решить стоящую задачу аналитическими методами.

1. Для начала учтем, в первом приближении, влияние падения напряжения на силовых элементах схемы на среднее значение напряжения на выходных зажимах вентильного комплекта:

(3.2а)

где U_(TO) – пороговое напряжение тиристоров (по условиям эксперимента пороговое напряжение диодов принимается таким же).

2. Среднее значение тока в нагрузке по аналогии с (3.3):

(3.3а)

3. Поскольку по условиям функционирования системы варьируемым параметром является сопротивление нагрузки R_d, а стабилизируемым на заданном уровне (и, следовательно, известным) параметром – среднее значение тока нагрузки I_d, развернем формулу (3.3а) относительно R_d:

(3.7)

Выражение (3.7) позволит нам в дальнейшем по заданному диапазону значений угла регулирования α определить допустимые граничные значения сопротивления нагрузки R_d.

4. Еще раз развернем формулу (3.3а), но уже относительно cos(α):

(3.8)

5. Теперь учтем, что при “косинусоидальных” опорных сигналах на рис. 3.4,б связь между величиной сигнала управления U_y и углом регулирования  определяется соотношением

(3.9)

6. Из (3.9) с учетом (3.8) получаем окончательное выражение, устанавливающее связь между текущим значением сопротивления нагрузки R_d и требуемой величиной сигнала управления:

(3.10)