2041

4.Задание к работе

1.Изучить схемы выпрямителей, сглаживающих фильтров и конструкцию лабораторного стенда.

2.Испытать однофазную однополупериодную схему выпрямления:

а) без фильтра; б) с ёмкостным фильтром.

3.Испытать однофазную мостовую схему выпрямления: а) без фильтра; б) с резистивно-емкостным фильтром;

в) с индуктивно-емкостным фильтром.

4.Испытать трехфазную мостовую выпрямительную схему: а) без фильтра; б) с индуктивным фильтром.

5.Произвести сравнительную оценку испытанных выпрямителей и сглаживающих фильтров, вычислив коэффициент пульсаций по формуле

где U~ – переменная составляющая выпрямленного напряжения, измеренная электронным вольтметром.

5.Порядок выполнения работы

1.Собрать однофазную однополупериодную схему выпрямителя.

2.С разрешения преподавателя или учебного мастера включить стенд.

3.Испытать схему без фильтра и с емкостным фильтром, изменяя пе-

реключателем стенда ток нагрузки I0 от 0 до максимального значения. Результаты измерений и вычислений Kп занести в табл. 13. Занести в отчет осциллограммы выпрямленного напряжения при холостом ходе и максимальном токе нагрузки.

Таблица 13

Однополупериодный выпрямитель

51

4.Выключить стенд.

5.Собрать однофазную мостовую схему выпрямления.

6.С разрешения преподавателя или учебного мастера включить стенд.

7.Изменяя переключателем стенда ток нагрузки I0 от 0 до максимального значения, провести испытания собранной схемы:

а) без фильтра;

б) с П-образным RС-фильтром; в) с П-образным LC-фильтром.

Занести в отчет осциллограммы выпрямленного напряжения при холостом ходе и при максимальном токе нагрузки. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 14.

Таблица 14

Однофазный мостовой выпрямитель

8.Вычислить согласно (69) коэффициенты сглаживания пульсаций использованных RC и LC-фильтров при максимальном токе нагрузки I0.

9.Выключить стенд.

10.Собрать трехфазную мостовую схему выпрямления.

11.С разрешения преподавателя или учебного мастера включить стенд.

12.Изменяя ток нагрузки I0 от 0 до максимального значения, провести испытания собранной схемы:

а) без сглаживающего фильтра; б) с индуктивным фильтром.

Занести в отчет осциллограммы выпрямленного напряжения при холо-

стом ходе и максимальном токе нагрузки I0. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 15.

13.Вычислить согласно (69) коэффициент сглаживания пульсаций индуктивного фильтра при максимальном токе нагрузки I0.

14.По данным табл. 13, 14, 15 построить внешние характеристики выпрямителей U0=f(I0) и зависимости коэффициента пульсации от тока на-

грузки Kп=f(I0).

52

15. Сформулировать выводы об эффективности испытанных выпрямительных схем и сглаживающих фильтров.

6.Содержание отчета

1.Название и цель работы.

2.Результаты испытаний схем выпрямления и сглаживающих фильтров: схемы выпрямителей, таблицы с результатами измерений и вычислений, расчетные формулы, осциллограммы, графики зависимостей U0=f(I0) и

Kп=f(I0).

3. Краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Назовите недостатки однополупериодных выпрямительных схем. В каких случаях целесообразно использовать эти схемы?

2.Чему равно обратное напряжение на вентиле однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром?

3.Каково обратное напряжение на непроводящем вентиле мостового выпрямителя?

4.Каковы последствия пробоя одного из вентилей в однофазном мостовом выпрямителе?

5.Объясните принцип действия емкостного фильтра. При каком токе нагрузки эффективен такой фильтр?

6.На чем основано сглаживающее действие дросселя?

7.Объясните вид характеристик U0=(I0) и Кп=(I0) для испытанных выпрямителей.

8.В чем заключаются преимущества многофазных выпрямителей?

53

Лабораторная работа № 8

ТИРИСТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И СИМИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: изучение характеристик управляемых выпрямителей на тиристорах и регуляторов переменного тока на симисторах.

1. Общие сведения

Для получения источника постоянного тока с регулируемым выходом наиболее целесообразно использовать так называемые управляемые выпрямители, в которых в качестве вентилей применяются приборы, позволяющие изменять момент их перехода в открытое состояние. Самыми совершенными из таких приборов в настоящее время являются управляемые полупроводниковые диоды – тиристоры.

Вуправляемых выпрямителях используют триодные тиристоры (тринисторы), имеющие, кроме анода и катода, третий вывод – управляющий электрод от n- или p-базы.

На рис. 27 показана схема и временная диаграмма работы простейшего

однофазного однополупериодного тиристорного выпрямителя. В интервале 0 <ωt <α тиристор закрыт, поэтому ток и напряжение на нагрузке равны нулю.

Вмомент времени, соответствующий фазовому углу ωt =α , от устройства фазоимпульсного управления (ФИУ) на управляющий электрод

тиристора поступает короткий положительный импульс Uу, под действием которого тиристор скачком переходит в открытое состояние. После этого

практически все напряжение U2 прикладывается к нагрузке. Тиристор остается открытым до момента, соответствующего углу ωt =π , когда на-

пряжение U2 и соответственно ток уменьшаются до нуля. В следующий полупериод питающее напряжение U2 отрицательно, и тиристор будет закрыт обратным напряжением. В следующем положительном полупериоде отпирание тиристора произойдет при фазовом угле 2π +α и т.д.

Угол α, при котором происходит отпирание тиристора, называется уг-

лом отпирания или углом управления. Интервал π–α называется интерва-

лом проводимости тиристора. Нетрудно заметить, что средняя величина выпрямленного напряжения будет тем больше, чем больше угол проводимости или чем меньше угол управления. Если пренебречь падением напряжения на открытом тиристоре, то зависимость постоянного напряжения на нагрузке от угла управления выражается формулой

54

Таким образом, изменяя угол α от π до 0, можно регулировать напряжение на нагрузке от 0 до максимальной величины, составляющей 0,45U2, где U2 – действующее значение переменного напряжения.

Рис. 27. Схема (а) и временная диаграмма (б) однополупериодного тиристорного выпрямителя

На практике чаще всего используются двухполупериодные схемы, обеспечивающие меньший уровень пульсаций. На рис. 28 приведен один из вариантов схемы мостового выпрямителя, в котором используются два тиристора (V1, V3) и два неуправляемых диода (V2, V4). Прямое падение напряжения на открытом тиристоре составляет около 1 В.

Система ФИУ такого выпрямителя обеспечивает подачу на управляющие электроды отпирающих импульсов, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 180º. При правильной фазировке отпирающих импульсов с

оставаясь открытым в интервале α <ωt <π . При этом ток, протекая через тиристор V1, диод V2 и сопротивление Rн, создает падение напряжения на

нагрузке. В следующем полупериоде в момент времени t = π ω+α откроет-

55

ся тиристор V3. Он остается открытым в интервале π +α <ωt < 2π . При этом ток протекает через тиристор V3, диод V4 и сопротивление Rн. Таким образом, на нагрузке выделяются части обеих полуволн синусоиды питающего напряжения. Вентили выпрямителя работают поочередно, поэтому их средний ток равен половине тока нагрузки. Среднее значение выпрямленного напряжения при одинаковом угле отпирания здесь вдвое больше, чем в однополупериодном выпрямителе:

а коэффициент пульсаций соответственно меньше.

При активной нагрузке выпрямителя ток нагрузки является прерывистым, поскольку в интервалах 0 <ωt <α ; 0 <ωt <π +α и т.д. все вентили закрыты, и ток становится равным нулю.

Рис. 28. Схема (а) и временная диаграмма (б) двухполупериодного мостового управляемого выпрямителя

При активно-индуктивной нагрузке выпрямителя (обмотка электрической машины, индуктивный фильтр) для обеспечения непрерывности тока iн параллельно нагрузке необходимо включить диод V5 (см. рис. 28). При чисто активной (резистивной) нагрузке этот диод не нужен.

Тиристорные выпрямители нашли широкое применение для питания

56

двигателей постоянного тока, гальванических ванн, для зарядки аккумуляторов, при электросварке и т.д. Потери в тиристорах немногим выше потерь в неуправляемых диодах, поэтому КПД неуправляемых выпрямителей довольно высок.

Мощные выпрямители обычно выполняются по многофазным схемам, при этом обеспечивается равномерная загрузка фаз сети и небольшие пульсации выпрямленного напряжения.

Для регулирования мощности в нагрузке переменного тока используются тиристорные регуляторы. Рассмотрим работу одного из них (рис. 29).

Рис. 29. Схема (а) и временная диаграмма (б) регулятора переменного тока на двух тиристорах

Регулятор содержит тиристоры V7, V8, включенные встречнопараллельно, и устройство ФИУ, управляющее их работой. В момент времени, соответствующий фазовому углу α =ωt , управляющий импульс поступает на тот из тиристоров, анод которого положителен по отношению к катоду, в нашем случае это V7. Тиристор V7 находится в открытом состоя-

нии в течение времени π ω−α . Протекающий при этом через V7 и Rн ток

57

создает падение напряжения на нагрузке. В следующий полупериод под действием управляющего импульса открывается тиристор V8, который про-

Таким образом, напряжение на нагрузке является переменным и имеет форму усеченных полуволн синусоиды. Его действующее значение зависит от угла отпирания

Для использования в регуляторах переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры (симисторы). Симистор представляет собой два тиристора с общим выводом управляющего электрода, выполненные в одном монокристалле кремния. Регулятор на симисторе (рис. 30) обладает такими же свойствами, что и регулятор с двумя тиристорами.

Обычно для управления симистором используют короткие импульсы различной полярности (см. рис. 30).

2.Вопросы для допуска к работе

1.Каковы недостатки неуправляемых выпрямителей?

2.Какие выпрямители называют управляемыми?

3.В чем сущность принципа фазоимпульсного управления?

58

4.Что такое угол отпирания и угол проводимости тиристора? Как они влияют на величину выпрямленного напряжения?

5.Каково различие между тиристором, симистором, выпрямителем и регулятором переменного тока? Назовите области их применения.

3. Описание лабораторного стенда

На лабораторном стенде смонтированы:

–силовые полупроводниковые приборы, из которых могут быть собраны управляемый мостовой выпрямитель и симисторный регулятор переменного тока;

–блок фазоимпульсного управления (ФИУ) с резистивно-емкостным фазовращателем;

–нагрузочный реостат;

–измерительные приборы.

Блок ФИУ (рис. 31) предназначен для формирования импульсов необходимой амплитуды и длительности, фазу которых по отношению к питающему переменному напряжению можно изменять. Он состоит из фазовращателя и формирователя импульсов (ФИ).

Вфазовращатель входят трансформатор Т1, вторичная обмотка которого имеет вывод от средней точки, переменный резистор R и конденсатор С. Выходной величиной фазовращателя является напряжение между точками

4-5 (U45), которое подается на вход формирователя импульсов. Он преобразует синусоидальное напряжение U45 в короткие импульсы, фаза которых совпадает с моментами перехода входного напряжения через нулевое значение. Эти импульсы снимаются со вторичных обмоток импульсного

трансформатора Т2 и через диоды V5 и V6 поступают на управляющие электроды тиристоров. Фаза импульсов (угол отпирания α) совпадает с фазой напряжения U45 фазовращателя.

Всоответствии с диаграммой (рис. 31, б) напряжение UC всегда отстает от напряжения UR на 90°, поэтому при изменении сопротивления R точка 4 описывает дугу полуокружности (так как угол 6-4-7 всегда прямой, то век-

тор U67 является диаметром). Треугольник 4-5-6 является всегда равнобедренным, так как его стороны 4-5 и 6-5 – радиусы одной полуокружности, поэтому его углы φ, прилегающие к основанию 4-6, равны. Исходя из того, что сумма внутренних углов треугольника равна 180° (α+2φ=π), имеем

Таким образом, изменяя R от 0 до ∞, можно регулировать угол отпирания от 0 до π.

59

Резистор R выполнен в виде магазина сопротивлений, позволяющего изменять угол отпирания ступенчато через 30°.

4.Задание к работе

1.Изучить работу схем тиристорного выпрямителя, регулятора и контактора переменного тока.

2.Изучить работу блока фазоимпульсного управления.

3.Снять регулировочные характеристики тиристорного выпрямителя и симисторного регулятора переменного тока при активной нагрузке. Сопоставить экспериментальные характеристики с теоретическими.

4.Продемонстрировать работу симисторного регулятора в режиме контактора переменного тока.

60