ЭЛЕКТРО / Методичка Управляемый выпрямитель

Исследование управляемого однофазного выпрямителя

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу “Силовые преобразователи электрической энергии”

для студентов специальностей 100400, 180500

Цель работы: изучить принцип работы и провести эксперименталь­ное исследование управляемого однофазного выпрямителя с нулевым от­водом от вторичной обмотки трансформатора при активно-индуктивной нагрузке.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Исследования проводятся на примере однофазного выпрямителя с отводом от нулевой точки вторичной обмотки трансформатора и с индук­тивным фильтром. Схема выпрямителя приведена на рис.1. Индуктивность фильтра включена последовательно с нагрузкой, что обеспечивает прохо­ждение в нагрузку практически без ослабления постоянной составляющей выпрямленного напряжения и существенное ослабление гармонических. составляющих этого напряжения. Это объясняется тем, что величина ин­дуктивного сопротивления на постоянном токе равна нулю и уве­личивается с увеличением частоты.

Поскольку фильтр, по существу, входит в состав нагрузки выпрями­теля, то наличие ключа К в схеме рис.1 позволяет исследовать работу вы­прямителя как на активную, так и активно-индуктивную нагрузку. Кроме того, необходимо иметь в виду, что. при угле управления а=0 напряжение на выходе управляемого и неуправляемого выпрямителей одинаково.

Работа неуправляемого выпрямителя на активно-индуктивную на­грузку иллюстрируется временными диаграммами напряжений и токов, приведенными на рис.2. На рис.2,а представлено напряжение u₁, подавае­мое на вход трансформатора. Как и в случае активной нагрузки, вентили схемы в открытом и закрытом состояниях находятся попеременно. При этом время пребывания каждого вентиля в одном из этих состояний равно половине периода. В результате на входе фильтра действует напряжение u_d, представленное пунктирной кривой на рис.2,б, которое определяет протекание тока i_н через индуктивность L_ф и нагрузку R_н. Временную за­висимость этого тока можно описать, исходя из следующих представле­ний.

На рис.3 изображено графическое разложение напряжения u_d, при котором учитывается лишь первая гармоника. Ее амплитуда U_dlm имеет наибольшую величину, а частота определяется периодом выпрямленного напряжения. Эта гармоника ослабляется в наименьшей степени при про­хождении через фильтр.

При таком представлении ток i_н в нагрузке согласно принципу суперпозиции является суммой двух компонент. Первая, постоянная составляющая тока, обусловлена постоянной составляющей выпрямленного напряжения Ud (см. рис.2,6)

(1)

где U2 - действующее значение напряжения, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора. Вторая компонента тока, переменная составляющая, обусловленная переменной составляющей напряжения u_d, отстает по фазе от этого напряжения, а ее амплитуда вследствие падения напряже­ния на индуктивности фильтра будет небольшой. Результат суммирования компонент тока на рис.2,в выделен штриховкой. Напряжение в нагрузке u_н определяется законом Ома

u_н=i_нR_н

и на рис.2,6 также отмечено штриховкой. Если предположить, что в дрос­селе фильтра отсутствуют активные потери, то средние значения напряже­ния и тока на выходе выпрямителя с индуктивным фильтром и без него будут совпадать с соответствующими значениями.

Рис.2г,д дают представления относительно токов, протекающих через открытые вентили. Поскольку вентили с нагрузкой включены после­довательно, то сумма токов, протекающих в вентилях, дает ток i_H в нагруз­ке. Значение среднего тока в каждом вентиле

I_ср.в=0.5I_н, (2)

т.е. такое же, как в отсутствии фильтра.

Для оценки сглаживающей способности фильтра вводится параметр, называемый коэффициентом сглаживания. Он равен отношению коэффи­циентов пульсации напряжения на входе фильтра q_BX и на его выходе q_BbIX

Если учитывать только первые гармоники напряжения, то

где U_d1m и U_н1m – амплитуды первых гармоник напряжения на входе и выходе фильтра, U_d и U_н – постоянные составляющие напряжения на входе и выходе фильтра, т.е. на выходе выпрямителя и в нагрузке. В предположении, что активное сопротивление фильтра равно нулю,

Индуктивный фильтр с нагрузкой, как показано на рис.4, представ­ляет собой делительную цепочку. Напряжение на ее входе соответствует напряжению на входе фильтра, а напряжение на выходе цепочки соответ­ствует напряжению на выходе фильтра.

Это позволяет записать следующее выражение:

(3)

где ω₁ - круговая частота первой гармоники выпрямленного напряже­ния. При ω₁L_ф >> R_н соотношение (3) упрощается

(4)

Следовательно, сглаживающие способности индуктивного фильтра повышаются с увеличением индуктивности L_ф и уменьшением сопротив­ления нагрузки R_н. Как правило, малые величины сопротивления нагрузки наблюдаются при высоких уровнях мощности. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяются в выпрямителях средней и большой мощ­ности.

При идеальном фильтре (L_ф→∞) пульсации устраняются полно­стью, а токи в вентилях будут представлять собой ряд прямоугольных им­пульсов с амплитудой, равной среднему значению тока в нагрузке I_н.

Реальный индуктивный фильтр обладает активными потерями. Эти потери добавляются к внутренним потерям выпрямителя, увеличивая значение его внутреннего сопротивления R_вн. Поэтому внешняя характе­ристика выпрямителя с индуктивным фильтром аналогична характеристи­ке выпрямителя без фильтра, но проходит с несколько большим наклоном к оси токов.

Управляемым называется выпрямитель, обеспечивающий регулиро­вание среднего значения выпрямленного напряжения при постоянной ве­личине питающего напряжения, подаваемого на вход выпрямителя. Ши­рокое распространение получил фазовый способ регулирования, основан­ный на управлении изменением времени открытия вентилей выпрямителя. Этот способ предусматривает использование в выпрямителе управляемых вентилей - тиристоров. Кроме замены диодов тиристорами, схема управ­ляемого выпрямителя отличается от аналогичной схемы неуправляемого выпрямителя введением системы управления (СУ), как показано на рис.1. Функциями системы управления являются подача на управляющие элек­троды тиристоров импульсов положительной полярности и регулировка временем этой подачи.

Временная диаграмма напряжений и токов управляемого выпрями­теля, работающего на активную нагрузку, приведена на рис.5. На рис.5,а представлена временная зависимость питающего напряжения и отмечены значения фаз этого напряжения, в которых на управляющие электроды ти­ристоров поступают импульсы с СУ. Эти импульсы показаны на рис.5,6. Фронты импульсов с СУ, поступающих на первый тиристор, соответству­ют фазам α+2kπ, а на второй тиристор - фазам α+(2k+1)π, где k - целое число (k=0, 1,2...). Фазовый угол α получил наименование угла управле­ния.

На рис.5,в пунктиром представлено напряжение на выходе неуправ­ляемого выпрямителя. В отличие от диода тиристор переводится в откры­тое состояние не только при подаче на его анод положительного напряже­ния, но и при положительном напряжении на управляющем электроде.

Поэтому первый тиристор будет находиться в открытом состоянии в ин­тервалах фаз

α+2kπ/(2k+l)π,

а второй тиристор в интервалах фаз

α+(2k+1)π/2(k+l)π.

Только в этих интервалах фаз напряжение положительной полярности со вторичной обмотки трансформатора практически без потерь поступает в нагрузку. В интервалах фаз

(2k+1)π/2(k+l)π

к аноду первого тиристора приложено отрицательное напряжение, и он в течение этих интервалов фаз закрыт и подготавливается к очередному от­крытию. В аналогичном состоянии находится второй тиристор в течение

следующих полупериодов. Таким образом, в интервалах фаз kπ / kπ + α напряжение в нагрузке равно нулю, а при остальных значениях фазы на­пряжение в нагрузке управляемого и неуправляемого выпрямителей оди­наковы. Это отражено на рис. 5,в.

Угол управления а, как следует из анализа, определяет ширину ин­тервала фаз (с началом интервала в фазах kπ), в котором напряжение не проходит в нагрузку. Из-за этого уменьшается величина среднего напря­жения Ud. Действительно,

(5)

где - среднее напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя или управляемого выпрямителя при α=0. Прямые, соответ­ствующие величинам U_d и U_do приведены на рис.5,в.

Из соотношения (5) следует, что при α≠0 напряжение U_d<U_do и за­висит от угла управления α . Эта зависимость приведена на рис.6. Характер этой зависимости можно прогнозировать, исходя из общих представлений. Например, при α=π/2 в нагрузку проходит половина полупериода вы­прямленного напряжения, а поэтому среднее значение напряжения в на­грузке составляет половину напряжения при α=0. При α=π U_d⁼0, т.к. все напряжение, подводимое к тиристорам, не проходит в нагрузку.

Зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла управле­ния получила наименование регулировочной характеристики управляемо­го выпрямителя.

При работе на активную нагрузку временная зависимость тока в на­грузке i_н⁼i_d и определяется зависимостью напряжения U_d(t) (см.рис.5,г)

(6)

Величина среднего тока в нагрузке

(7)

Поскольку тиристоры схемы выпрямителя в открытом состоянии находятся попеременно, то из зависимости на рис.5г нетрудно сделать за­ключение о характере протекающего тока через каждый вентиль. Соответ­ствующие зависимости приведены на рис.5д,е.

На рис.5,ж представлена форма напряжения на тиристоре Т₁ Тири­стор находится в закрытом состоянии не только в течение отрицательного полупериода напряжения со вторичной обмотки трансформатора, но и в части положительного полупериода. Поэтому вентиль должен выдержи­вать напряжение не только отрицательной полярности, но и положитель­ной. При этом в тех интервалах фаз, когда оба тиристора закрыты, падение напряжения определяется величиной u₂, снимаемой с одной половины вторичной обмотки трансформатора. Когда в закрытом состоянии нахо­дится один вентиль, к нему приложено удвоенное напряжение 2u₂.

Введение индуктивного фильтра изменяет характер временной зави­симости тока i_н, протекающего через нагрузку, по сравнению с приведен­ной на рис.5. Наличие индуктивности в цепи нагрузки приводит к плавно­му нарастанию тока после открытия тиристора, поскольку происходит за­пасание энергии в реактивном элементе. При уменьшении тока запасенная энергия отдается обратно, вследствие чего ток продолжает протекать через нагрузку, а следовательно, через тиристор после окончания действия по­ложительного напряжения на его аноде, т.е. после значения фазы kπ.

Таким образом, время пребывания тиристоров в открытом состоя­нии увеличивается по сравнению с этим временем при отсутствии фильт­ра.

На первом этапе анализа особенности работы управляемого выпря­мителя с индуктивным фильтром целесообразно допустить, что индуктив­ность фильтра мала, так что время пребывания тиристора в открытом со­стоянии меньше половины периода питающего напряжения. Этот случай иллюстрируется временными диаграммами на рис.7. Из рис.7,б видно, что имеется интервал времени, где через нагрузку ток i_Н не протекает. Ширина этого интервала зависит от значения постоянной составляющей переход­ного процесса τ=Lф/R_н и увеличивается при уменьшении значения τ.

На рис.7,а приведена временная зависимость напряжения на входе фильтра. Поскольку тиристоры находятся в открытом состоянии после из­менения полярности питающего напряжения, появляются участки напря­жения Ud с отрицательной полярностью. Это приводит к тому, что среднее значение напряжения в нагрузке уменьшается по. сравнению с аналогичным напряжением в отсутствии фильтра (при одинаковых значениях угла управления α).

При больших величинах индуктивности фильтра исчезает интервал значений фазы питающего напряжения, где мгновенное значение тока в нагрузке равно нулю. Дальнейшее увеличение индуктивности Lф будет сопровождаться уменьшением пульсации тока, и при Lф→∞ пульсации тока устраняются полностью. Для этого идеального случая на рис.8 приве­дены временные диаграммы напряжения и токов. В частности, из рис.8,в видно, что в нагрузке протекает постоянный ток величиной Ih.

Каждый из тиристоров находится в открытом состоянии в течение полупериода. Откуда следует, что ток в вентилях представляет собой ряд прямоугольных импульсов с амплитудой Ih, а средняя величина тока равна 0,5 Ih (см. рис.7г, д).

В течение интервалов значений фазы (kπ; kπ+α) напряжение Ud на входе фильтра становится отрицательным, что иллюстрируется рис.8,б. Эти данные позволяют определить величину постоянной составляющей напряжения Ud, которая равна постоянному напряжению в нагрузке U_H, если активные потери в фильтре отсутствуют. Действительно, напряжение Ud, усредненное в интервале значений фазы от α до π+α, где открыт пер­вый тиристор, при предположении нулевого сопротивления открытого вентиля определяется формулой

Эта формула определяет регулировочную характеристику управляе­мого выпрямителя с идеальным индуктивным фильтром. На рис.6 эта ха­рактеристика обозначена индексом Lф→∞. Нетрудно видеть, почему при α=π/2 Ud=0. Действительно, напряжение Ud в интервале значений фазы шириной π/2 имеет положительную величину (от π/2 до π), а в интервале значений фаз от π до 3/2 π, т.е. той же ширины, что это напряжение отри­цательно.

При оценке величины напряжения, которую должен выдерживать закрытый тиристор в составе рассматриваемой схемы управляемого вы­прямителя, необходимо учитывать тот факт, что другой тиристор в это же время находится в открытом состоянии. Поэтому величина приложенного к закрытому тиристору как отрицательной, так и положительной полярно­сти равна удвоенной величине напряжения U2, снимаемой с одной полови­ны вторичной обмотки трансформатора. Это иллюстрируется построения­ми на рис.8,е.

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде с на­кладной панелью, на которой изображена схема однофазного управляемо­го выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформато­ра (рис.9). Стенд позволяет выявить влияние индуктивного фильтра на выпрямленное напряжение, а также исследовать работу управляемого вы­прямителя как на активную, так и активно-индуктивную нагрузки. Под­ключение и отключение фильтра осуществляется с помощью ключа S1. Кнопка переключения ключа S1 расположена на панели управления (в верхней части стенда). На этой же панели имеется ряд кнопок, с помощью которых изменяется значение угла управления.

На накладной панели имеются гнезда (контрольные точки) для под­ключения штекера осциллографа (от гнезда У3 на панели управления) и измерительных приборов:

X1 - для наблюдения напряжения на выходе трансформатора;

X2 - для наблюдения и измерения напряжения на выходе выпрями­теля;

X4 - для наблюдения и измерения напряжения в нагрузке;

X5 - для измерения тока нагрузки.

Наблюдение за напряжением осуществляется с помощью осцилло­графа. Среднее значение напряжения измеряется вольтметром, один из штекеров которого подключается в гнездо Х2 или Х4, а другой - в гнездо нижнего ряда на боковой стенке стенда. Среднее значение тока нагрузки измеряется с помощью миллиамперметра, один из штекеров которого подключается в гнездо Х5, а другой - в гнездо нижнего ряда на боковой стен­ке стенда. Изменение тока нагрузки производится с помощью ручки R_H, расположенной справа от накладной панели.

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Включать стенд и осциллограф можно только с разрешения пре­подавателя. Первичное включение производится в присутствии препода­вателя.

2. Запрещается нажимать кнопки и вращать ручки, использование которых не предусмотрено в конкретной лабораторной работе.

3. Нельзя оставлять без присмотра работающую лабораторную уста­новку. После окончания работы необходимо выключить стенд и осцилло­граф.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Исследование действия индуктивного фильтра проводится при ра­зомкнутом ключе S1 и угле управления α=3°.

1.1. Определение зависимости коэффициента пульсации напряжения на выходе фильтра от величины тока нагрузки.

С этой целью проводятся измерения:

а) среднего значения напряжения на нагрузке (с гнезда Х4);

б) среднего значения тока нагрузки,

в) амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряже­ния в нагрузке (с гнезда Х4).

Сначала снимается нагрузочная характеристика, для чего проводятся измерения среднего значения напряжения при пяти значениях тока на­грузки. Изменение тока осуществляется в пределах от минимального до максимального значения с помощью ручки R_h. Затем в гнездо Х4 помеща­ется штекер осциллографа, на экране которого определяется разность h между вертикальными координатами точек максимального и минимально­го значений напряжений, выраженная в малых делениях масштабной сет­ки. Амплитуда переменной составляющей рассчитывается по формуле

где К - положение указателя лимба масштаба вертикальной развертки осциллографа (Дел./Вольт). Измерения амплитуды U_m проводятся при тех же пяти значениях среднего тока, при которых измерялось среднее напря­жение. Результаты измерений заносятся в табл.1.

Таблица 1

Ток нагрузки, мА
Среднее значение напряжения в нагрузке, В
Амплитуда переменной состав­ляющей напряжения, В
Коэффициент пульсации
Сопротивление нагрузки, Ом
Экспериментальное значение коэффициента сглаживания, Sэксп
Расчетное значение коэффици­ента сглаживания, S

1.2. Определение периода выпрямленного напряжения. Оно прово­дится по осциллограмме напряжения на выходе выпрямителя. Штекер ос­циллографа при этом помещается в гнездо Х2. Результаты измерения за­носятся в протокол.

2. Исследование работы управляемого выпрямителя без фильтра (ключ S1 замкнут)

2.1. Снимается нагрузочная характеристика выпрямителя при угле управления α=60°. С этой целью проводится измерение среднего значения напряжения на нагрузке (с-гнезда Х4) при пяти значениях тока нагрузки. Измерение тока осуществляется в пределах от максимального до мини­мального значения с помощью ручки rh. Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2

Ток нагрузки, мА
Среднее значение напряжения в нагрузке, В

2.2. Снимается регулировочная характеристика выпрямителя.

С этой целью с помощью ручки Rh устанавливается максимальное значение тока в нагрузке и затем измеряются средние значения напряже­ния на нагрузке (с гнезда Х4) для ряда величин угла управления.

Результаты измерений заносятся в табл.3.

Таблица 3

Угол управления, град	3	30	60	90	120	150	170
Среднее значение напряжения в нагрузке, В	U
Экспериментальное значение отношения
Расчетное значение отношения

2.3. Фиксирование на кальке осциллограмм напряжения на нагрузке при следующих величинах угла управления: 3°, 60°, 120°, 170°.

3. Исследование работы управляемого выпрямителя с индуктивным фильтром (ключ S 1 разомкнут).

1. Снятие регулировочной характеристики выпрямителя по методике, изложенной в п.2.2. Результаты. измерений заносятся в табл.4, по­добную табл.3.

2. Фиксирование на кальке осциллограмм напряжения на выходе выпрямителя (с гнезда Х2) и на нагрузке (с гнезда Х4) при следующих ве­личинах угла управления 3°, 30°, 60°.

4. Обработка экспериментальных результатов.

4.1. По данным, полученным в п.1, рассчитываются следующие па­раметры:

а) коэффициент пульсации по формуле

где U_m - амплитуда переменной составляющей напряжения в нагрузке,

U_ср - среднее напряжение;

б) сопротивление нагрузки по формуле

где I_ср - ток в нагрузке;

в) коэффициент сглаживания (экспериментальное значение) по формуле