Лаба 2 / Моделирование_в_ЭТ_Лабораторная работа №2_Токарев_0421

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РАПС

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Моделирование в электротехнике»

ТЕМА: «Исследование трехфазного мостового двухполупериодного выпрямителя»

Студент гр. 0421		Токарев А.А.
Преподаватель		Армашев А.А.

Санкт-Петербург

2024

Цель работы: Исследование трехфазного двухполупериодного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку, шунтированную обратным диодом. Исследование внешней и энергетических характеристик с учетом и без учета коммутации.

Основные теоретические сведения

Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схема Ларионова) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема установки

Схема требует для своего построения шесть диодов и инвариантна к способу соединения первичных и вторичных обмоток трансформатора (ток всегда протекает под действием линейного напряжения).

При работе на R нагрузку данное выпрямительное устройство характеризуется следующими соотношениями:

• Средние значения напряжения на нагрузке

• Максимальное обратное напряжение на каждом диоде

• Среднее, действующее и максимальное значение прямого тока диодов

• Коэффициент использования трансформатора по мощности

• Действующее значение тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора

• Минимальная требуемая мощность вторичной обмотки трансформатора

• Частота и коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя

Соберем схему установки в Simulink. Схема установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема установки в MATLAB Simulink

Параметры блоков Three-Phase Source, Universal Bridge, Diode, Series RLC Branch, Fourier I1, Fourier I0, Fourier V0, Fourier D0 представлены на рисунках 3-10.

Рисунок 3 – Параметры блока Three-Phase Source

Рисунок 4 – Параметры блока Universal Bridge

Рисунок 5 – Параметры блока Diode

Рисунок 6 – Параметры блока Series RLC Branch

Рисунок 7 – Параметры блока Fourier I1

Рисунок 8 – Параметры блока Fourier I0

Рисунок 9 – Параметры блока Fourier V0

Рисунок 10 – Параметры блока Fourier D0

Изменяя сопротивление нагрузки от 10 Ом до 100 Ом с шагом 10 Ом и индуктивность нагрузки так, чтобы постоянная времени T_н = L_н/R_н оставалась постоянной, измерим и рассчитать основные характеристики выпрямителя. Результаты моделирования занесем в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты моделирования

Данные		Измерения
Lн	Rн	Iн	U­н	I1(1)max	φ1	IDср	UDmax	IDmax
Гн	Ом	А	В	А	Град	А	В	А
0,5	10	49,94	500,50	55,04	-0,009	16,63	5,79	49,94
1	20	25,24	506,00	27,82	-0,007	8,41	3,32	25,24
1,5	30	16,88	507,80	18,61	-0,005	5,62	2,49	16,88
2	40	12,69	508,70	13,99	-0,003	4,23	2,07	12,69
2,5	50	10,16	509,30	11,20	-0,001	3,38	1,82	10,16
3	60	8,47	509,60	9,34	0,0007	2,82	1,65	8,47
3,5	70	7,27	509,90	8,01	0,003	2,42	1,53	7,27
4	80	6,36	510,10	7,01	0,005	2,12	1,44	6,36
4,5	90	5,66	510,30	6,24	0,006	1,88	1,37	5,66
5	100	5,09	510,40	5,62	0,008	1,70	1,31	5,09

Полная мощность, потребляемая выпрямителем от источника питания по первой гармонике:

Активная мощность, потребляемая выпрямителем от источника питания по первой гармонике:

Мощность в нагрузке:

Рассчитаем полную и активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике, а также мощность в нагрузке, согласно формулам (1) – (3). В качестве примера расчета приведем первое измерение.

Рассчитаем полную и активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике, а также мощность в нагрузке для остальных измерений. Полученные результаты занесем в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты вычислений

Вычисления
S1(1)	P1(1)	Pн
ВА	Вт	Вт
44995,20	44995,20	24994,97
22742,85	22742,85	12771,44
15213,68	15213,67	8571,66
11436,83	11436,82	6455,40
9156,00	9156,00	5174,49
7635,45	7635,45	4316,31
6548,18	6548,17	3706,97
5730,68	5730,67	3244,24
5101,20	5101,20	2888,30
4594,35	4594,35	2597,94

Теперь исследуем трехфазный мостовой выпрямитель с учетом коммутации. В окне параметров источника в поле Source Inductance зададим величину индуктивности в 0,05 Гн. Изменяя сопротивление нагрузки от 10 Ом до 100 Ом с шагом 10 Ом и индуктивность нагрузки так, чтобы постоянная времени T_н = L_н/R_н оставалась постоянной, измерим и рассчитать основные характеристики выпрямителя. Результаты моделирования занесем в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты моделирования

Данные		Измерения
Lн	Rн	Iн	U­н	I1(1)max	φ1	IDср	UDmax	IDmax
Гн	Ом	А	В	А	Град	А	В	А
0,5	10	16,10	161,20	16,98	-70,26	5,37	2,43	16,27
1	20	13,40	267,60	14,17	-56,39	4,46	2,15	13,45
1,5	30	11,10	333,50	11,79	-47,06	3,70	1,91	11,13
2	40	9,19	371,10	9,79	-41,02	3,05	1,72	9,18
2,5	50	5,88	382,30	6,22	-46,94	1,96	1,39	5,93
3	60	5,26	396,70	5,56	-43,92	1,74	1,33	5,29
3,5	70	4,80	406,80	5,05	-41,48	1,57	1,28	4,82
4	80	4,30	416,90	4,56	-39,36	1,43	1,23	4,33
4,5	90	3,95	423,70	4,18	-37,61	1,31	1,20	3,97
5	100	3,62	300,3	3,87	-36,13	1,21	1,17	3,65

Рассчитаем полную и активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике, а также мощность в нагрузке, согласно формулам (1) – (3). В качестве примера расчета приведем первое измерение.

Рассчитаем полную и активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике, а также мощность в нагрузке для остальных измерений. Полученные результаты занесем в таблицу 4.

Таблица 4 – Результаты вычислений

Вычисления
S1(1)	P1(1)	Pн
ВА	Вт	Вт
13881,15	4688,39	2595,32
11583,98	6412,16	3585,84
9638,33	6565,94	3701,85
8003,33	6038,35	3410,41
5084,85	3471,75	2247,92
4545,30	3274,02	2086,64
4128,38	3092,92	1952,64
3727,80	2882,25	1792,67
3417,15	2707,01	1673,62
3163,73	2555,28	1087,09

По данным таблиц 1-4 построим внешнюю (нагрузочную характеристику) характеристику выпрямителя U_н = f(I_н), а также энергетические характеристики выпрямителя S₁(1) = f(P_н), P₁(1) = f(P_н), I₁(1)_max = f(I_н), I_Dmax = f(I_н) с учетом и без учета коммутации. Характеристики представлены на рисунках 2-6.

Рисунок 11 – Внешняя характеристика выпрямителя

Рисунок 12 – Энергетическая характеристика выпрямителя S₁(1) = f(P_н)

Рисунок 13 – Энергетическая характеристика выпрямителя P₁(1) = f(P_н)

Рисунок 14 – Энергетическая характеристика выпрямителя I₁(1)_max = f(I_н)

Рисунок 15 – Энергетическая характеристика выпрямителя I_Dmax = f(I_н)

Осциллограммы тока питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке при R_н = 10 Ом, представлены на рисунке 16. Графики без учета коммутации показаны сплошной линией, графики с учетом коммутации – штриховой.

Рисунок 16 – Осциллограммы тока питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке

Осциллограммы напряжения на диоде и тока через диод представлены на рисунке 17. Графики без учета коммутации показаны сплошной линией, графики с учетом коммутации – штриховой.

Рисунок 17 – Осциллограммы напряжения на диоде и тока через диод

Выводы

1. При работе трехфазного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку ток через нагрузку представляет собой апериодический процесс с некоторыми колебаниями. Если учитывать коммутацию в источнике, установившееся значение тока через нагрузку уменьшается приблизительно в 2,5 раза.

2. Напряжение на нагрузке имеет пульсирующую форму и частоту в 6 раз большую, чем частота источника напряжения. Амплитуда напряжения на нагрузке зависит от сопротивления нагрузки.

3. Внешняя характеристика трехфазного мостового выпрямителя без учета коммутации в источнике представляет собой фактически обратную линейную зависимость напряжения на нагрузке от тока через нагрузку. Такой вид внешней характеристики говорит о том, что наибольший КПД выпрямителя будет при минимальном токе, т.к. при таком токе будут наименьшие потери на диодах. Если учитывать коммутацию в источнике, внешняя характеристика становится нелинейной.

4. Энергетическая характеристика S₁(1) = f(P_н) без учета коммутации в источнике представляет собой прямую линейную зависимость. Такой вид этой энергетической характеристики говорит о том, что при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается потребляемая источником полная мощность. Если учитывать коммутацию в источнике, характеристика становится нелинейной.

5. Энергетические характеристики и P₁(1) = f(P_н), I₁(1)_max = f(I_н) и I_Dmax = f(I_н) без учета коммутации в источнике представляют собой прямую линейную зависимость. Такой вид этих энергетических характеристик говорит о том, что при увеличении сопротивления нагрузки уменьшается активная мощность, потребляемая источником, а также ток, потребляемый источником из сети, и максимальный ток через диоды. Если учитывать коммутацию в источнике, внешний вид характеристик не изменяется.