Лаба 3 / Моделирование_в_ЭТ_Лабораторная_работа_№3_Токарев_0421

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра РАПС

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Моделирование в электротехнике»

ТЕМА: «Исследование однофазного мостового управляемого выпрямителя»

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

Санкт-Петербург

2024

Цель работы: Исследование однофазного мостового управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-эдс и с обратным диодом. Исследование внешней, регулировочной и энергетических характеристик. Определение гармонического состава тока потребления однофазного управляемого выпрямителя.

Основные теоретические сведения

В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу управления выпрямленного напряжения на нагрузке U­_н. Среди однофазных схем наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема установки

Рассмотрим процессы, протекающие при активной нагрузке. Так как нагрузка резистивная, кривая тока повторяет кривую напряжения. В момент времени ωt = 180° ток уменьшается до нуля, и соответствующая пара тиристоров закрывается. Этот процесс повторяется каждый полупериод. Управление тиристорами желательно осуществлять импульсами возможно меньшей длительности (так как ее увеличение ведет к росту мощности системы управления), но несколько превышающей время включения тиристора. Необходимо также обеспечить достаточно крутой фронт управляющего импульса, что уменьшает потери мощности в тиристоре при включении, а, следовательно, его нагрев.

Рассмотренный фазовый способ управления может быть основан на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу α, при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы α управляющего импульса достигается U_упр изменением уровня напряжения сигнала управления.

Функциональная схема управления представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема управления

Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь

импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на усилители мощности (У), и на управляющий электрод тиристора.

На рисунке 3 изображена функция выходного напряжения на нагрузке.

Рисунок 3 – Функция выходного напряжения на нагрузке

Процессы в выпрямителе усложняются, если нагрузка имеет активно-индуктивный характер. На рисунке 4 показаны процессы, протекающие в подобных цепях.

Рисунок 4 – Процессы в управляемом однофазном мостовом выпрямителе, работающем на активно-индуктивную нагрузку

Нарастание тока тиристора теперь осуществляется не скачком, а плавно за счет индуктивности нагрузки L_н. Причем, когда напряжение фазы, питающей тиристор проходит через 0, ток не прекращается, а под действием э.д.с. самоиндукции, создаваемой L_н, продолжает протекать еще некоторое время, преодолевая отрицательное напряжение питающей фазы. Для улучшения энергетических характеристик выпрямителя устанавливают обратный диод (при этом в момент запирания пары тиристоров ток нагрузки, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности, будет протекать через обратный диод). Вследствие этого ток нагрузки, после перехода вторичного напряжения через 0, переводится в цепь диода VD0. Из-за шунтирования диодом выходной цепи в кривой выходного напряжения создаются нулевые паузы.

В результате, как и при чисто активной нагрузке, на участке β – (α +180°) происходит разрыв тока в цепи. По мере уменьшения угла α угол β увеличивается, и интервал проводимости одной диагонали (VS1, VS4) может перекрыть момент отпирания другой диагонали. Наступает режим непрерывного тока, при котором β = α +180°. Среднее значение напряжения на нагрузке в режиме непрерывного тока равно U_ср = 0,9·U₂·cosα. Режим непрерывного тока сохраняется при изменении α в приделах 0 < α < α_гр , где α_гр

является функцией τ = (ω·L_н)/R_н. При τ→∞ α_гр → 90°.

Соберем схему установки в Simulink. Схема установки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема установки в MATLAB Simulink

Параметры блоков AC Voltage Source, Linear Transformer, Universal Bridge, Diode, Series RLC Branch, Fourier I1, Fourier I0, Fourier V0, Fourier T1, RMS T представлены на рисунках 6-15.

Рисунок 6 – Параметры блока AC Voltage Source

Рисунок 7 – Параметры блока Linear Transformer

Рисунок 8 – Параметры блока Universal Bridge

Рисунок 9 – Параметры блока Diode

Рисунок 10 – Параметры блока Series RLC Branch

Рисунок 11 – Параметры блока Fourier I1

Рисунок 12 – Параметры блока Fourier I0

Рисунок 13 – Параметры блока Fourier V0

Рисунок 14 – Параметры блока Fourier T1

Рисунок 15 – Параметры блока RMS T

Система управления тиристорным выпрямителем выполнена в блоке Control System. Его схема представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 – Блок Control System

Параметры блоков Hit Crossing, Integrator, Relay, Switch, Switch1 представлены на рисунках 17 – 21.

Рисунок 17 – Параметры блока Hit Crossing

Рисунок 18 – Параметры блока Integrator

Рисунок 19 – Параметры блока Relay

Рисунок 20 – Параметры блока Switch

Рисунок 21 – Параметры блока Switch1

Блок To Workspace обеспечивает вывод переменной (в нашем случае тока источника) в рабочее пространство MATLAB. Параметры блока To Workspace представлены на рисунке 22.

Рисунок 22 – Параметры блока To Workspace

Изменяя противо-эдс нагрузки от -100 В до 0 В с шагом 20 В, измерим и рассчитаем основные характеристики выпрямителя. Внешние характеристики снимем при трех значениях угла управления (α = 0°, 40°, 60°). Результаты моделирования занесем в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты моделирования

Данные		Измерения
α	E		Iн	U­н	I1(1)max	φ1	IT0	IT	UDmax	IDmax
Град	В		А	В	А	Град	А	А	В	А
0	-100		0,09	100,9	0,16	-39,54	0,08	0,087	1,22	0,22
	-80		0,52	85,21	0,40	-25,45	0,35	0,37	1,70	0,70
	-60		1,92	79,18	1,20	-19,82	1,24	1,31	3,11	2,10
	-40		3,34	73,38	2,01	-21,70	2,13	2,25	4,53	3,53
	-20		4,78	67,78	2,83	-24,01	3,02	3,18	5,97	4,97
	0		6,23	62,35	3,64	-26,22	3,91	4,09	7,43	6,43
40	-100		0,09	100,9	0,16	-39,54	0,08	0,087	5,42	0,22
	-80		0,22	82,18	0,25	-41,88	0,18	0,18	32,72	0,42
	-60		1,29	72,85	0,83	-30,84	0,82	0,84	46,24	1,49
	-40		2,79	67,96	1,67	-29,88	1,74	1,79	47,00	2,99
	-20		4,31	63,16	2,51	-30,53	2,67	2,75	47,77	4,52
	0		5,84	58,47	3,35	-31,55	3,60	3,71	48,55	6,04
60	-100		0,09	100,9	0,16	-39,72	0,08	0,085	10,92	0,22
	-80		0,17	81,74	0,22	-43,50	0,15	0,15	34,42	0,37
	-60		0,40	64,01	0,33	-44,08	0,27	0,28	61,48	0,62
	-40		1,93	59,27	1,13	-38,61	1,14	1,17	62,23	2,14
	-20		3,46	54,63	1,92	-39,06	2,03	2,08	63,01	3,67
	0		5,01	50,09	2,74	-39,97	2,92	2,98	63,80	5,21

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

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

Мощность в нагрузке:

Потери в тиристоре:

Рассчитаем полную и активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике, а также мощность в нагрузке и потери в тиристоре, согласно формулам (1) – (4). 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 и потери в тиристоре для остальных измерений. Полученные результаты занесем в таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты вычислений

Данные			Вычисления
α	E	S1(1)		P1(1)	Pн	PТ
Град	В	ВА		Вт	Вт	Вт
0	-100	24,80		19,13	9,08	0,09
	-80	62,00		55,98	44,31	0,49
	-60	186,00		174,98	152,03	2,96
	-40	311,55		289,47	245,09	7,19
	-20	438,65		400,70	323,99	13,13
	0	564,20		506,15	388,44	20,64
40	-100	24,80		19,13	9,08	0,09
	-80	38,75		28,85	18,08	0,21
	-60	128,65		110,46	93,98	1,53
	-40	258,85		224,44	189,61	4,94
	-20	389,05		335,11	272,22	10,23
	0	519,25		442,50	341,46	17,36
60	-100	24,80		19,08	9,08	0,09
	-80	34,10		24,74	13,90	0,17
	-60	51,15		36,74	25,60	0,35
	-40	175,15		136,86	114,39	2,51
	-20	297,60		231,08	189,02	6,36
	0	424,70		325,48	250,95	11,80

По данным таблиц 1и 2 построим внешние (нагрузочные характеристику) характеристики управляемого выпрямителя U_н = f(I_н), а также энергетические характеристики выпрямителя S₁(1) = f(P_н), P₁(1) = f(P_н), P_T = f(P_н), I₁(1)_max = f(I_н), I_T0 = f(I_н), I_T = f(I_н) при различных углах управления α. Характеристики представлены на рисунках 23-29.

Рисунок 23 – Внешние характеристики выпрямителя

Рисунок 24 – Энергетические характеристики выпрямителя S₁(1) = f(P_н)

Рисунок 25 – Энергетические характеристики выпрямителя P₁(1) = f(P_н)

Рисунок 26 – Энергетические характеристики выпрямителя P_Т = f(P_н)

Рисунок 27 – Энергетические характеристики выпрямителя I₁(1)_max = f(I_н)

Рисунок 28 – Энергетические характеристики выпрямителя I_Т0 = f(I_н)

Рисунок 29 – Энергетические характеристики выпрямителя I_Т = f(I_н)

Исследуем регулировочную характеристику однофазного управляемого выпрямителя при значении противо-эдс, равном -20 В и изменении угла управления от 0 до 180 градусов с шагом 20 градусов. Результаты измерений занесем в таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты моделирования регулировочной характеристики

Измерения
α (град)	Uн (В)
0	67,78
20	67,77
40	63,16
60	54,63
80	43,84
100	32,04
120	21,45
140	20,31
160	20,01
180	20

По данным таблицы 3 построим регулировочную характеристику выпрямителя U_н = f(α). Регулировочная характеристика представлена на рисунке 30.

Рисунок 30 – Регулировочная характеристика выпрямителя

Исследуем спектральный состав тока, потребляемого управляемым выпрямителем при угле управления α = 40° в пакете расширения Signal Processing Toolbox. Используя средства просмотра сигнала, записанного в рабочую область MATLAB под именем Lab_3, просмотрим исследуемый сигнал. Выбор искомого сигнала представлен на рисунке 31.

Рисунок 31 – Выбор сигнала Lab_3 в окне анализа сигнала

Спектр сигнала Lab_3 представлен на рисунке 32.

Рисунок 32 – Спектр тока источника

Исследуем гармонический состав тока, потребляемого управляемым выпрямителем при значении угла управления α = 0º. Измерим значения y­₁ – y₅ со спектра, а также значение I₁(1)_max с лабораторной установки. Полученные результаты занесем в таблицу 4.

Таблица 4 – Спектральный состав потребляемого тока

Измерения
α (град)	y1	y2	y3	y4	y5	I1(1)max (A)
0	0,63	0,02	0,001	0,0003	0,00005	2,83

Для определения абсолютных гармонических составляющих в амперах воспользуемся следующей формулой:

где ϑ – номер гармоники, I₁(ϑ)_max – амплитуда тока ϑ-той гармоники в амперах, y₁, y_ϑ – значения, определенные путем спектрального анализа, I₁(1)_max – ток, считанный с дисплея в амперах. Рассчитаем абсолютные гармонические составляющие тока, потребляемого выпрямителем, согласно формуле (5). В качестве примера приведем вторую гармонику:

Аналогичным образом рассчитаем значения всех остальных гармонических составляющих. Результаты занесем в таблицу 5.

Таблица 5 – Результаты расчетов абсолютных гармонических составляющих

Вычисления
I1(2)max (A)	I1(3)max (A)	I1(4)max (A)	I1(5)max (A)
0,18	0,01	0,005	0,001

Осциллограммы тока питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке при α = 60º, R_н = 10 Ом, E = -20 В представлены на рисунке 33.