3.2. Лабораторная работа №2. Исследование однофазных однотактных (однополупериодных) управляемых выпрямителей

Цель работы. Исследование электромагнитных процессов, регулировочных и энергетических характеристик управляемых выпрямителей, выполненных по однофазной однотактной (однополупериодной) схеме выпрямления на обычных (незапираемых) и запираемых тиристорах, при работе на активную и активно-индуктивную нагрузку.

Устройство, принцип работы однофазного однотактного управляемого выпрямителя

На рис. 3.6 приведена схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу однофазного однотактного управляемого выпрямителя. Рассмотрим работу управляемого однофазного однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Для открытия тиристора необходимо выполнить два условия:

- первое условие такое же, как и у диода – потенциал его анода должен быть выше потенциала катода;

- второе условие - наличие импульса управления на его управляющем электроде.

Фазовый сдвиг импульса управления по отношению к точке естественного зажигания называется углом управления (или регулирования) α. В рассматриваемой схеме точкой естественного зажигания является точка пересечения синусоиды напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂ с осью времени ω₁t. Из рис. 3.6, б видно, что регулируя угол α от нуля до 180⁰, можно регулировать напряжение нагрузки в пределах от U_d0=0,45U₂ до 0.

Рис. 3.6. Схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу однофазного однотактного управляемого выпрямителя

Выведем выражение регулировочной характеристики однофазного однотактного управляемого выпрямителя при активной нагрузке.

(3.24)

Так же, как и у неуправляемого выпрямителя, среднее значение тока нагрузки равно среднему значению тока вентиля:

.

На интервале закрытого состояния вентиля к нему прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора в обратном, т.е. запирающем направлении. Максимальная величина этого напряжения равна амплитудному значению напряжения u₂, т.е. .

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используются следующие модули: «Тиристоры», «Вольтметры», «Измеритель мощности», а также двухканальный осциллограф.

Лицевая панель модуля тиристоров представлена на рис. 3.7.

На лицевой панели приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: тиристор VD1, симметричный тиристор VD2 (в данной работе не используется), запираемый тиристор VD3, активное и индуктивное сопротивления нагрузки однополупериодного выпрямителя (R_н=150 Ом и L_н=L_d=70 мГн). Потенциометр RP1 служит для изменения напряжения управления. Система управления (СУ) формирует управляющие импульсы, сдвигаемые по фазе, при изменении входного управляющего напряжения U_упр= 0...10 В. Шунт RЅ1 = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через тиристор, а RЅ2 = 10 Ом для осциллографирования тока управления. Усилитель DА1 позволяет усилить сигнал тока, снимаемый с шунта RЅ1. Также на передней панели размещены гнезда для осуществления внешних соединений Х1 – Х21, ручка потенциометра RP1, переключатель вида нагрузки ЅА1 (активной - положение вверх или активно–индуктивной – положение вниз) и переключатель каналов подачи управляющих импульсов на соответствующие тиристоры ЅА3.

Рис.3.7. Лицевая панель модуля «Тиристоры»

Переключатель ЅА2 в данной работе подает на схему переменное напряжение (~12 В). На мнемосхеме не показан понижающий трансформатор, от которого переменное напряжение U₂ подается на схему.

Подача питания выполняется при включении сетевого выключателя, установленного на модуле.

Перед выполнением лабораторной работы необходимо:

- изучить устройство, принцип работы, характеристики однофазного однотактного управляемого выпрямителя [1];

- изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы.

Исследование однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя на незапираемом тиристоре

Программа лабораторной работы

Собрать схему однополупериодного управляемого выпрямителя на незапираемом тиристоре в соответствии с рис. 3.8. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией. В табл. 3.2 приведены измерительные приборы, используемые в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на схеме (см. рис.3.7).

Переключить тумблер ЅА2 (см. рис. 3.7) в верхнее положение, соответствующее активной нагрузке, а ЅА3 - в нижнее положение, подключив цепь «нагрузка - тиристора VS1» к источнику переменного напряжения (~12 В). Переключатель ЅА4 установить в верхнее положение, соответствующее управлению тиристором VS1. Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл. 3.2.

Таблица 3.2. Параметры измерительных приборов схемы

Измеряемые величины	Обозначение прибора	Предел измерения	Местоположение прибора (название модуля)
Действующие значения тока I2, напряжения U2, активная мощность Р2, полная мощность S2, коэффициент сдвига cosφ	W	U2~30 В I2~0,2 А	Измеритель мощности
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud	V2	=20 В	Мультиметры
Напряжение управления Uупр	V1	=20 В	Мультиметры

Рис. 3.8. Схема для исследования однополупериодного управляемого выпрямителя на незапираемом тиристоре

А. Снять регулировочную характеристику системы импульсно - фазового управления

Регулировочная характеристика системы импульсно – фазового управления (СИФУ) представляет собой зависимость угла управления α от напряжения управления U_упр, α = f (U_упр).

Порядок выполнения опыта

1. Подключить вход СН2 осциллографа к гнезду Х4, а корпус ( ) - к гнезду Х14 (напряжение на тиристоре u_a). Включить питание модуля «Тиристоры›› и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».

2. Регулировать угол управления α, изменяя напряжение управления U_упр.

3. Снять регулировочную характеристику α=f(U_упр) при чисто активной нагрузки.

Изменять:

-напряжение управления ……. U _упр.

Измерять:

- угол управления α.

Данные измерений занести в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Регулировочная характеристика СИФУ

U упр, В	0
α, град.

Величину угла управления α в этой лабораторной работе следует определять при помощи осциллографа по кривой напряжения на тиристоре.

В дальнейшем, пользуясь этой характеристикой, можно определять угол управления α, не пользуясь осциллографом.

Б. Снять регулировочную и энергетические характеристики силовой схемы управляемого выпрямителя при активной нагрузки (L_нг=0).

Регулировочная характеристика силовой схемы управляемого выпрямителя – это зависимость напряжения на выходе выпрямителя U_d от угла управления α.

Энергетические характеристики управляемого выпрямителя – это зависимости

Р ₂= f (α), Ѕ ₂= f (α), = f (α), η =f (α) и cosφ=f (α).

Порядок выполнения опыта

Переключить тумблер ЅА1 (рис.3.8) в верхнее положение, соответствующее активной нагрузке.

Изменять:

- напряжение управления (ручкой потенциометра RP1)…… U_упр.

Измерять:

- напряжение сети переменного тока….. U₂;

- ток, потребляемый из сети переменного тока… I₂;

- активную мощность, потребляемую из сети переменного тока… Р₂;

- полную мощность, потребляемую из сети переменного тока……… S₂;

- коэффициент сдвига ……. cosφ;

- среднее значение выпрямленного напряжения ….. U_d.

Вычислить:

- мощность, потребляемую нагрузкой ……… P_d;

- коэффициент мощности на входе выпрямителя ……. χ;

- коэффициент полезного действия выпрямителя …. η.

Расчетные соотношения:

χ= Р₂/ S₂; η= P_d/ Р₂.

Результаты измерений и расчетов занести в табл.3.4.

Таблица 3.4. Регулировочная характеристика силовой схемы выпрямителя при активной нагрузки (L_н=0)

Измерено	Uу, В
	α, град	0	30	60	90	120	150	180
	U2, В
	I2, А
	Р2, Вт
	S2, ВА
	cosφ
	φ
	Ud, В
Вычи-слено	Pd, Вт
	χ
	η

В. Снять регулировочную и энергетические характеристики управляемого выпрямителя в целом при активно – индуктивной нагрузки (L_н≠0)

U_d=f(α), Р ₂= f (α), Ѕ ₂= f (α), = f (α), η =f (α) и cosφ= f (α).

Повторить опыт регулировочной характеристики, изменив характер нагрузки. Переключить тумблер ЅА1 (рис.3.8) в нижнее положение, разомкнув индуктивность нагрузки L_н. Результаты измерений и расчетов занести в табл.3.5.

Таблица 3.5. Регулировочная характеристика при активно - индуктивной нагрузки (L_н≠0)

Измерено	Uу, В
	α, град	0	30	60	90	120	150	180
	U2, В
	I2, А
	Р2, Вт
	S2, ВА
	cosφ
	φ
	Ud, В
Вычи-слено	Pd, Вт
	χ
	η

Расчетные соотношения:

χ= Р₂/ S₂; η= P_d/ Р₂.

По данным табл.3.4 построить на графике №1 характеристики U_d = f (α), = f(α), η =f (α) и cosφ= f (α) при активной нагрузки.

По данным табл.3.5 построить на графике №2 характеристики U_d = f (α), = f (α), η =f (α) и cosφ= f (α) при активно - индуктивной нагрузки.

По формуле (3.24) выполнить расчет регулировочной характеристики при активном характере нагрузки. Результаты расчета свести в табл. 3.6. По данным табл. 3.6 построить на графике №1 теоретически рассчитанную регулировочную характеристику U_d = f (α).

Таблица 3.6. Теоретически рассчитанная регулировочная характеристика

U_d = f (α).

α, град.	0
U d, В

При активной нагрузке и заданном угле управления α снять осциллограммы напряжения на тиристоре u_a, (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х4, а корпус ( ) - к гнезду Х14) и анодного тока і_a, (снимается с шунта RЅ1 - вход СН1 осциллографа к гнезду Х13). Затем снять отдельно осциллограмму выпрямленного напряжения u_d (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду X2, а корпус ( ) – к гнезду Х4, временно отключив вольтметр V2 от измеряемой цепи).

Снять те же осциллограммы при заданном угле управления α и активно-индуктивной нагрузке, сравнить осциллограммы.

Сравнить снятые регулировочные характеристики и, пользуясь осциллограммами, объяснить причины их отличий.

Выключить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».

Исследование однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре

Порядок выполнения опыта

Собрать схему в соответствии с рис. 3.8, а вместо тиристора VS1 включить запираемый тиристор VЅ3. Для этого подать на управляющий электрод VS3 импульсы от системы управления (СУ), переключив переключатель ЅА4 в крайне нижнее положение и соединив перемычкой гнезда Х9 - Х16. Переключить тумблер ЅА1 (рис.3.8) в верхнее положение, замкнув индуктивность нагрузки L_н.

А. Снять регулировочную и энергетические характеристики управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре при активной нагрузки (L_нг=0)

U_d = f (α), Р ₂= f (α), Ѕ ₂= f (α), = f (α), η =f (α) и cosφ= f (α)

Порядок выполнения опыта

Переключить тумблер ЅА1 (рис.3.8) в верхнее положение, соответствующее активной нагрузке.

Изменять:

- напряжение управления (ручкой потенциометра RP1)…….. U_упр.

Измерять:

- напряжение управления…… U_упр;

- угол управления …… α;

- напряжение переменного тока на входе выпрямителя …. U₂;

- ток на входе выпрямителя …… I₂;

- активную мощность на входе выпрямителя ….. Р₂;

- полную мощность на входе выпрямителя ….. S₂;

- коэффициент сдвига ……. сosφ;

- угол фазового сдвига первой гармоники тока и напряжения на входе выпрямителя ……………………. φ;

- среднее значение напряжения нагрузки … U_d.

Вычислить:

- мощность, потребляемую нагрузкой, P_d;

- коэффициент мощности на входе выпрямителя, χ;

- коэффициент полезного действия выпрямителя, η.

Продолжительность работы запираемого тиристора установлен равным λ=60^о.

Угол выключения β для запираемого тиристора принять равным β = α +60^о.

Измерение угла выключения β производится с помощью осциллографа.

Расчетные соотношения:

χ= Р₂/ S₂;

η = P_d/ Р₂.

Результаты измерений и расчетов занести в табл.3.7.

Таблица 3.7. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре при активной нагрузки (L_н=0)

Измерено	Uу, В
	α, град	0	30	60	90	120	150	180
	U2, В
	I2, А
	Р2, Вт
	S2, ВА
	cosφ
	φ
	Ud, В
Вычи-слено	Pd, Вт
	χ
	η

Расчетные соотношения:

χ= Р₂/ S₂; η = P_d/ Р₂.

Для случая активной нагрузки найти угол управления α, при котором коэффициент мощности и коэффициент сдвига cosφ преобразователя максимальны.

Б. Снять регулировочную и энергетические характеристику при активно – индуктивной нагрузки (L_н≠0).

Р ₂= f (α), Ѕ ₂= f (α), = f (α),

η =f (α) и cosφ= f (α)

Результаты измерений и расчетов занести в табл.3.8.

Таблица 3.8. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре при активно - индуктивной нагрузки (L_н≠0).

Измерено	Uу, В
	α, град	0	30	60	90	120	150	180
	U2, В
	I2, А
	Р2, Вт
	S2, ВА
	cosφ
	φ
	Ud, В
Вычи-слено	Pd, Вт
	χ
	η

Расчетные соотношения:

χ= Р₂/ S₂; η = P_d/ Р₂.

По данным табл.3.7 построить на графике №3 характеристики U_d = f (α), = f(α), η =f (α) и cosφ= f (α) при активной нагрузки.

По данным табл.3.8 построить на графике №4 характеристики U_d = f (α), = f (α), η =f (α) и cosφ= f (α) при активно - индуктивной нагрузки.

При активной нагрузке и заданном угле управления α снять осциллограммы:

- напряжения на тиристоре u_a, (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х4, а корпус ( ) - к гнезду Х14);

- анодного тока і_a, (снимается с шунта RЅ1 - вход СН1 осциллографа к гнезду Х13);

- выпрямленного напряжения u_d (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду X2, а корпус ( ) – к гнезду Х4, временно отключив вольтметр V2 от измеряемой цепи).

Снять те же осциллограммы при заданном угле управления α и активно-индуктивной нагрузке, сравнить осциллограммы.

Сравнить снятые регулировочные характеристики и, пользуясь осциллограммами, объяснить наличие перенапряжений в схеме с запираемым тиристором.

Выключить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».