Описание лабораторной установки

В комплект лабораторной установки входят следующие модули: «Тиристорный преобразователь» (ТП), «Нагрузка», «Модуль питания», «Измеритель мощности», «Модуль измерительный», «Мультиметры» и двухканальный осциллограф.

Передняя панель модуля «Тиристорный преобразователь» (ТП) представлена на рис. 3.13. На ней изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы. На мнемосхеме изображены трансформатор TV и реверсивный тиристорный преобразователь (ТП), состоящий из комплекта «Вперед» (UZ1) и комплекта «Назад» (UZ2). С помощью тумблера ЅА1 (рис.3.13) устанавливаются заданные параметры трансформатора (фактически подключаются дополнительные реакторы). Параметры трансформатора в зависимости от положения тумблера ЅАІ приведены в табл. 3.10.

Таблица 3.10. Параметры трансформатора в зависимости от положения тумблера ЅАІ

Положение тумблера	Первичное напряжение U1, В	Вторичное напряжение U2, В	Индуктивное сопротивление рассеяния, проведенное к вторичной стороне xф, Ом	Активное сопротивление, приведенное к вторичной стороне rф, Ом
L1	220 В	46	4,3	1,65
L2	220 В	46	0,3	1,5

Выбор исследуемой схемы выпрямителя (трехфазная с нулевым выводом или трехфазная мостовая) осуществляется с помощью тумблера ЅА3, который имеет два положения: М - мостовая схема, Н – схема с нулевым выводом. Тумблер ЅА2 подключает встречный мост (комплект «Назад››), давая возможность исследовать реверсивную схему «Р» при выполнении лабораторной работы «Исследование двухкомплектного реверсивного преобразователя».

Для исключения возможности переключения силовой схемы ТП тумблерами ЅА2 и ЅА3 во время работы, в схему внесены элементы блокировки, поэтому переключение ЅА2 и ЅА3 возможно только при выключенном автомате QF2 модуля питания.

Потенциометр RP1 служит для регулирования напряжения на входе системы управления (СУ) с целью установки требуемого угла управления α. Измерительный прибор Р1 служит для измерения величины угла управления.

Для обеспечения безопасности при осциллографировании первичного тока применен трансформатор тока ТА, на вторичной стороне которого включен шунт RЅ1. Коэффициент передачи трансформатора тока вместе с шунтом К_тт = 0,1 мВ/мА.

Шунт RЅ2 (1 Ом) предназначен для осциллографирования тока вентиля, а шунт RЅ3 (1 Ом) для осциллографирования выпрямленного тока. При этом масштаб по току

На передней панели находятся гнезда для осуществления внешних соединений (Х1-Х16).

Нагрузкой для модуля «Тиристорный преобразователь» является модуль «Нагрузка» (рис. 3.14.). Он обеспечивает работу исследуемого преобразователя на активную, активно-индуктивную нагрузку и на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (ПЭДС). На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. В нагрузке регулируются только активные сопротивления нагрузки, а индуктивности остаются неизменными. Регулирование производится переключателем ЅА1. Значения резисторов, соответствующие положениям переключателя SA1 приведены в табл. 3.11.

Таблица 3.11.Значения сопротивления нагрузки в зависимости от положения переключателя SA1

Положение переключателя	1	2	3	4	5	6
Сопротивление (Ом)	100	200	400	600	1000	1600

В данной работе используется одна фаза модуля «Нагрузка». Сглаживающий реактор L_d (L1) индуктивностью 80 мГн вместе с резистором RP1 (RP2, RP3) играют роль регулируемой активно-индуктивной нагрузки. Для уменьшения нагрева резисторов нагрузки рекомендуется 2 или 3 фазы активных сопротивлений нагрузки включить в параллель. Работа на ПЭДС имитируется подключением параллельно активной нагрузке конденсаторов С всех трех фаз. Емкость каждого конденсатора 10 мкФ.

Питание установки производится от трехфазной сети переменного напряжения (U_п = 380 В) через автоматический выключатель QF2, установленный в «Модуле питания». Постоянное напряжение для системы управления подводится сзади модуля.

Рис.3.13. Модуль «ТП» Рис.3.14. Модуль «Нагрузка»

Максимальный выпрямленный ток установки I_{d max} = 1 А. Недопустимо превышение тока нагрузки выпрямителя величины, равной 1А.

Модуль «Тиристорный преобразователь» снабжен защитой от перегрузки, срабатывающей при токе I_d, более 2 А и отключающей модуль от сети.

Первичный ток, напряжение, мощности и cosφ в одной фазе первичной обмотки трансформатора измеряются с помощью подключаемого модуля «Измеритель мощности».

В табл. 3.12 приведены измерительные приборы, используемые в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис. 3.15).

Таблица 3.12. Параметры измерительных приборов схемы

Измеряемые величины	Обозначение прибора	Предел измерения	Месторасположение прибора (название модуля)
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud	PV1	=220 В	Мультиметры
Среднее значение выпрямленного тока Id	PA1	= 2 А	Модуль измерительный
Действующее значение фазного напряжения U1ф , первичного тока трансформатора I1, активная P1ф, реактивная Q1ф, полная S1ф мощность одной фазы и cosφ, угол сдвига φ	PW1	~300 В ~0,2 А	Измеритель мощности
Действующее значение вторичного напряжения трансформатора	PV2	~200 В	Мультиметры

Порядок включения установки

1. Собрать силовую схему эксперимента для выполнения лабораторной работы. Внимание! Для большей безопасности, сетевое напряжение от «Модуля питания» следует подавать через защищённые провода. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией (см. рис. 3.15).

2. Проверить соответствие положений тумблеров и перемычек заданной преподавателем схеме управляемого выпрямителя.

3. В модуле «Тиристорный преобразователь» переключить тумблер ЅА1 в положение, соответствующее заданным параметрам трансформатора. Проверить наличие перемычки между гнездами Х11 – Х12.

4. Установить переключатель ЅА1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение).

5. Включить автомат QF2 «Модуля питания», включить выключатель модуля «Измеритель мощности».

6. Установить угол управления потенциометром RP1 на модуле «Тиристорный преобразователь».

7. Установить необходимое сопротивление на модуле «Нагрузка».

При включенном модуле питания запрещается переключать тумблеры ЅА1, ЅА2, ЅА3 и производить другие пересоединения.

Изменение места включения измерительных приборов недопустимо.

Порядок выключения установки

1. Снизить ток нагрузки І_d до минимума .

2. Выключить автомат QF2 «Модуля питания».

При срабатывании защиты по току необходимо отключить автомат QF2 «Модуля питания», проверить схему, позвать преподавателя, выяснить и устранить причину отключения. После этого включить автомат «Модуля питания».

Перед выполнением лабораторной работы необходимо:

- изучить устройство, принцип работы, характеристики трехфазного однотактного и трехфазного мостового управляемого выпрямителя [1];

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

Программа лабораторной работы

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо для заданной преподавателем схемы управляемого выпрямителя, заданных параметров цепи нагрузки (L_d и С_н) и трансформатора (х_ф и r_ф) снять:

- внешние характеристики;

- регулировочные характеристики;

- электромагнитные процессы, характеризующие работу выпрямителя.

- выполнить расчеты параметров и характеристик схемы выпрямления.

Порядок выполнения работы

1.Собрать схему заданной преподавателем схемы управляемого выпрямителя (см. рис.3.15 или рис.3.16).

2.Установить переключатель ЅА3 в положение М (мостовая схема) или Н (нулевая схема) (в зависимости от заданной преподавателем схемы выпрямителя).

3.Установить с помощью переключателя ЅА1 модуля «Тиристорный преобразователь» заданные параметры трансформатора.

4.Установить перемычку между гнездами Х11, Х12 модуля «Тиристорный преобразователь».

5. Установить ручку потенциометра RP1 модуля «Тиристорный преобразователь» в среднее положение.

6. Включить автомат на модуле питания и выключатель модуля «Измеритель мощности», при этом должны осветиться табло на модуле «Измеритель мощности».

7. Регулятором RP1 установить заданное значение угла α.

Для исследования работы выпрямителя на активную нагрузку необходимо исключить из схемы нагрузки сглаживающий реактор L1, соединив перемычкой гнезда Х1 и Х4-Х5 модуля «Нагрузка».

Для исследования работы выпрямителя на активно – индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (ПЭДС) необходимо параллельно активному сопротивлению нагрузки подключить конденсатор так, как это показано на рис.3.16.

Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл. 3.11.

Рис. 3.15. Схема для исследования трехфазных управляемых выпрямителей при работе на активно – индуктивную нагрузку

Рис.3.16. Схема для исследования трехфазных управляемых выпрямителей при работе на активно – индуктивную нагрузку с противо-ЭДС

А. Снять внешние характеристики

Внешние характеристики управляемого выпрямителя следует снять для трех значений угла управления α₁, α₂, α₃, для случая активно- индуктивного характера нагрузки (L_d ≠0) и активно-индуктивной с противо-ЭДС при двух значениях параметров трансформатора (см. табл.3.10).

Значения углов управления задаются преподавателем.

Поддерживать постоянным:

- заданный угол регулирования…………………… α.

Изменять:

- ток нагрузки …. I_d.

При активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки следует изменять путем регулирования величины сопротивления нагрузки R_d от R_d = ∞ до значения, при котором ток нагрузки I_d = I_dN=1А).

Измерять:

- действующее значение фазного напряжения питающей сети …U_1ф;

- действующее значение фазного тока питающей сети .. I_1ф;

- активную мощность, потребляемую одной фазой

первичной обмоткой трансформатора … P_1ф;

- полную мощность, потребляемую одной фазой

первичной обмоткой трансформатора … S_1ф;

- коэффициент сдвига cosφ;

- угол сдвига первой гармоники тока первичной

обмотки и напряжения фазы ….. φ_э;

- действующее значение фазного напряжения

вторичной обмотки трансформатора U_2ф;

- среднее значение выпрямленного напряжения…. U_d;

- среднее значение выпрямленного тока…………… I_d;

- угол коммутации γ_э.

- граничное значение тока нагрузки I_{гр. э}.

Рассчитать:

- мощность, потребляемую нагрузкой Р_d;

- активную мощность, потребляемую выпрямителем

из питающей сети Р₁;

- полную мощность, потребляемую выпрямителем из питающей сети S₁;

- угол коммутации (теоретический) …… γ_т

- угол сдвига первой гармоники тока первичной

обмотки и напряжения фазы (теоретический)………………….. φ_т;

- коэффициент мощности χ;

- коэффициент полезного действия η;

- граничное значение тока нагрузки I_{гр. т}.

Расчетные соотношения для обработки экспериментальных данных

Р_d= U_d I_d; Р₁=3 Р_1ф; S₁=3 S_1ф; χ= Р₁/ S₁; η= Р_d/ Р₁;

Расчетные соотношения (теоретические):

φ_т= α+ γ_т/2

Результаты измерений и расчетов занести в табл.3.13.

Таблица 3.13. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя (k_т=1; m₂=3 или k_т=2; m₂=3) при (активно - индуктивной или активно -индуктивной с противо - ЭДС) нагрузки и значении угла регулирования:

α₁=0^о; α₂= ; α₃= ;

параметров цепи нагрузки: (L_d= мГн; С_н= мкФ) и параметров трансформатора: (x_ф=4,3 Ом; r_ф=1,65 Ом или x_ф=0,3 Ом; r_ф=1,5 Ом)

	RН, Ом	1600	1000	600	400	200	100
И з м е р е н о	U1ф, В
	I1ф, А
	Р1ф, Вт
	S1Ф, ВА
	cosφ
	φ э
	U2Ф, В
	Ud, В
	Id, А
	γ э
Вычислено	Рd, Вт
	Р1, Вт
	S1, ВА
	χ
	η
	γ т
	φт

По данным табл.3.13 построить:

- на графике №1 внешние характеристики U_d=f(I_d) для заданных значений α= α₁, α= α₂, α= α₃ при активно- индуктивной нагрузки (L_d ≠0), на графике №2 - при активно-индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №3 зависимости cosφ=f(I_d) и χ=f(I_d) для заданных значений α= α₁, α= α₂, α= α₃ при активно- индуктивной нагрузки (L_d ≠0), на графике №4 - при активно-индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №5 зависимости γ _э= f(I_d) и γ _т= f(I_d) для заданных значений α= α₁, α= α₂, α= α₃ при активно - индуктивной нагрузки (L_d ≠0), на графике №6 - при активно-индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №7 зависимости φ _э= f(I_d) и φ _т= f(I_d) для заданных значений α= α₁, α= α₂, α= α₃ при активно - индуктивной нагрузки (L_d ≠0), на графике №8 - при активно-индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №9 зависимости η= f(I_d) для заданных значений α= α₁, α= α₂, α= α₃ при активно - индуктивной нагрузки (L_d ≠0), на графике №10 - при активно-индуктивной с противо-ЭДС.

Б. Снять регулировочные характеристики

Опыт производится для трех видов нагрузки:

- активная (L_d=0);

- активно - индуктивная при индуктивности нагрузки L_d= L₁;

- активно - индуктивная с противо-ЭДС.

Поддерживать постоянным:

- активное сопротивление нагрузки………………………R_н.

Изменять:

- угол регулирования  от 0 до значения, при котором U_d = 0.

Измерять:

- действующее значение фазного напряжения питающей сети U_1ф;

- действующее значение фазного тока питающей сети I_1ф;

- активную мощность, потребляемую одной фазой

первичной обмоткой трансформатора … P_1ф;

- полную мощность, потребляемую одной фазой

первичной обмоткой трансформатора … S_1ф;

- коэффициент сдвига cosφ;

- угол сдвига первой гармоники тока первичной

обмотки и напряжения фазы φ_э;

- действующее значение фазного напряжения

вторичной обмотки трансформатора U_2ф;

- среднее значение выпрямленного напряжения…. U_d;

- среднее значение выпрямленного тока…………… I_d;

- угол коммутации γ_э.

Рассчитать:

- коэффициент мощности выпрямителя…………………… ;

- коэффициент полезного действия …. η;

- угол коммутации γ_т;

- фазовый сдвиг первой гармоники тока и напряжения

вторичной обмотки трансформатора φ_т.

Расчетные соотношения для обработки экспериментальных данных

Р_d= U_d I_d; Р₁=3 Р_1ф; S₁=3 S_1ф; χ= Р₁/ S₁; η= Р_d/ Р₁;

Расчетные соотношения (теоретические):

φ_т= α+ γ/2.

Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.14.

Таблица 3.14. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя (k_т=1; m₂=3 или k_т=2; m₂=3) при активной (активно - индуктивной или активно - индуктивной с противо - ЭДС) нагрузки и значении параметров цепи нагрузки:

R_н= Ом; L_d= мГн; С_н= мкФ)

и параметров трансформатора: (x_ф=4,3 Ом; r_ф=1,65 Ом или x_ф=0,3 Ом; r_ф=1,5 Ом).

	α, град.	0о	30о	60о	90о	120о	150о
И з м е р е н о	U1ф, В
	I1ф, А
	Р1ф, Вт
	S1Ф, ВА
	cosφ
	φэ
	U2Ф, В
	Ud, В
	Id, А
	γ э
Вычислено	Рd, Вт
	Р1, Вт
	S1, ВА
	χ
	η
	γ т
	φт

Расчетные соотношения см. в п. Б.

По данным табл.3.14 построить:

- на графике №11 регулировочные характеристики U_d=f() при активной (L_d=0), активно - индуктивной (L_d= L₁) и активно - индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №12 зависимости χ=f() и cosφ=f() при активной (L_d=0), активно - индуктивной (L_d= L₁) и активно - индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №13 зависимости η=f() при активной (L_d=0), активно - индуктивной (L_d= L₁) и активно - индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №14 зависимости γ_э=f() и γ _т=f() при активной (L_d=0), активно - индуктивной (L_d= L₁) и активно - индуктивной с противо-ЭДС;

- на графике №15 зависимости φ_э==f() и φ_т==f() при активной (L_d=0), активно - индуктивной (L_d= L₁) и активно - индуктивной с противо-ЭДС.

Б. Осциллографирование электромагнитных процессов:

1.При снятии внешней характеристики для каждого из заданных значений угла управления α необходимо с помощью осциллографа наблюдать кривую тока нагрузки i_d с шунта RS3. При достижении тока нагрузки граничного значения необходимо сфотографировать осциллограмму тока нагрузки и отметить в табл. 3.13 среднее значение тока I_{гр. э}, соответствующее этому режиму. Одновременно с током нагрузки целесообразно сфотографировать и напряжение нагрузки u_d. Для этого соединить корпус осциллографа с гнездом Х10, вход канала СН1 с гнездом Х9 и канала СН2 с гнездом Х7; сигнал подаваемый со входа СН2 нужно перевернуть (инвертировать), для чего нажать на кнопку СН2 INV.

2.Экспериментальное значение угла коммутации γ_э определяется по осциллограмме тока тиристора c шунта RS2. Одновременно с током тиристора целесообразно сфотографировать и анодное напряжение тиристора. Для этого подключить входы осциллографа для измерения напряжения на вентиле u_a и тока i_a, соединив корпус осциллографа с гнездом Х6, вход канала СН1 с гнездом Х5 и канала СН2 с гнездом Х4. Здесь и в дальнейшем рекомендуется использовать канал СН1 для осциллографирования тока, а канал СН2 - напряжения. На канал СН2 сигнал подается через делитель 1:10; проверить с помощью осциллографа соответствие угла α заданному; записать масштабы по напряжению, току и времени (углу); не забудьте учесть коэффициент деления выносного делителя осциллографа;

3. Сфотографировать осциллограмму тока первичной обмотки трансформатора і₁. Для этого подключить вход осциллографа для измерения первичного тока і₁, соединив корпус осциллографа с гнездом Х2, а вход канала СН1 с гнездом Х1; записать масштабы по току и времени (углу).

4. Снять осциллограмму напряжения нагрузки при активно-индуктивном характере нагрузки с ПЭДС. Убедиться в наличии ПЭДС при заданном угле α и токе нагрузки. Обратить внимание на величину пульсаций напряжения нагрузки.

Выключить автомат QF2.

После выполнения лабораторной работы осциллограммы обработать и выполнить сравнительную оценку влияния характера нагрузки, величины угла регулирования, величины индуктивного сопротивления фазы обмотки трансформатора, величины индуктивности цепи нагрузки на форму временных диаграмм осциллограмм.

Содержание отчета

- наименование и цель работы;

- принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов;

- результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;

- экспериментально снятые и построенные характеристики;

- обработанные осциллограммы.

- сравнить осциллограммы и построенные диаграммы; сравнить расчетное и экспериментальное значение угла γ; объяснить расхождения;

- сравнить соответствующие осциллограммы для разных схем и объяснить различие; указать и определить на осциллограммах u_a, угол α;

- сделать выводы о влияние на внешние характеристики угла коммутации, анодной индуктивности L_ф, угла управления α и схемы выпрямления;

- сравнить регулировочные характеристики для разных схем; указать различие и сходство;