Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭЛЕКТРО / Методичка Управляемый выпрямитель

.doc
Скачиваний:
45
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
1.24 Mб
Скачать

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 ud, представленное пунктирной кривой на рис.2,б, которое определяет протекание тока iн через индуктивность Lф и нагрузку Rн. Временную за­висимость этого тока можно описать, исходя из следующих представле­ний.

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

При таком представлении ток iн 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 ud, 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 uн определяется законом Ома

uн=iнRн

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 iH в нагруз­ке. Значение среднего тока в каждом вентиле

Iср.в=0.5Iн, (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 qBX и на его выходе qBbIX

Если учитывать только первые гармоники напряжения, то

где Ud1m и Uн1m – амплитуды первых гармоник напряжения на входе и выходе фильтра, Ud и Uн – 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 ω1Lф >> Rн соотношение (3) упрощается

(4)

Следовательно, сглаживающие способности индуктивного фильтра повышаются с увеличением индуктивности Lф и уменьшением сопротив­ления нагрузки Rн. 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 (Lф→∞) пульсации устраняются полно­стью, а токи в вентилях будут представлять собой ряд прямоугольных им­пульсов с амплитудой, равной среднему значению тока в нагрузке Iн.

Реальный индуктивный фильтр обладает активными потерями. Эти потери добавляются к внутренним потерям выпрямителя, увеличивая значение его внутреннего сопротивления Rвн. 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 Ud и Udo приведены на рис.5,в.

Из соотношения (5) следует, что при α≠0 напряжение Ud<Udo 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 Ud=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 iн=id и определяется зависимостью напряжения Ud(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 iн, 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 iН не протекает. Ширина этого интервала зависит от значения постоянной составляющей переход­ного процесса τ=Lф/Rн 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 UH, 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 RH, 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.

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

  2. 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 Rh. 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 Um 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 Um - амплитуда переменной составляющей напряжения в нагрузке,

Uср - среднее напряжение;

б) сопротивление нагрузки по формуле

где Iср - ток в нагрузке;

в) коэффициент сглаживания (экспериментальное значение) по формуле

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.