Нагрузка

u₀

^U01

U₂

U₁

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики» Кафедра экологии, безопасности жизнедеятельности и электропитания.

Лабораторная работа №1 ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Москва 2017

План УМД 2017/2018 уч. г.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФАЗНЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Составители: С.Л. Яблочников, профессор

К.Ф. Шакиров, ассистент

Издание утверждено на заседании кафедры протокол № 4 от 12.10 .2017 г.

Рецензент: Е.В. Косюк, доцент

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципом действия, режимами работы и параметрами многофазных схем выпрямления. Экспериментальное исследование работы трех многофазных схем вы- прямления на нагрузку индуктивного характера и определение их основных параметров.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Снять внешние характеристики U_н=f(I_н) при U_c = const трехфазной, шестифазной и мостовой схем выпрямления.

2. Определить внутренние сопротивления выпрямителей r.

3. Определить коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения K_n.

4. Определить КПД (η) и коэффициент мощности (χ) исследуемых схем выпрямления.

5. Для каждой из схем выпрямления определить габаритную мощность первичной (S₁) и вторичной (S₂) обмотки, а также габаритную мощность трансформатора (S_тр).

6. Зарисовать для каждой из схем выпрямления форму напряжения на выходе (до сглаживающего фильтра) и форму тока одной из фаз вторичной обмотки трансформатора.

3. Общие сведения

1. Выпрямители.

Статический преобразователь электрической энергии переменного тока в энергию по- стоянного тока является выпрямительным устройством (ВУ).

Традиционно выпрямитель состоит из трех основных элементов (рис. 1).

Тр ВБ СФ

U₁ U₂

t

^U01

t

u₀

^U

U_н

mk

t t

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя, выполненного по традиционной схеме.

Тр – низкочастотный трансформатор (f = 50 Гц) в традиционной схеме выпрямления предназначен для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя.

ВБ – вентильный блок, состоит из одного или нескольких вентилей, соединенных по оп- ределенной схеме.

СФ – сглаживающий фильт служит для ослабления пульсации, т.е. для уменьшения пере- менных составляющих, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения. Состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединенных по определнной схеме.

2. Параметры выпрямителя.

ВУ характеризуется:

• выходными параметрами;

• параметрами, характеризующими работу вентилей;

• параметрами трансформатора.

1. Выходные параметры ву:

   • номинальное среднее значение выпрямленного напряжения, В; – номинальное среднее значение выпрямленного тока, А;

   • частота основной гармоники выпрямленного напряжения; К_П – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации – это отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей . Мо- жет измеряться коэффициент пульсации может измерятся в процентах по отношению к напряжениею . Коэффициент пульсации большой, если он больше чем 10^-2, средний, если он находится в пределах 10^-3-10^-2, и малый, если он меньше 10^-3.

Внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения выпрямителя от то- ка нагрузки при неизменном напряжении на выходе выпрямителя. По этой характери- стики можно определить номинальное значение выходного напряжения выпрямителя и

его внутреннее споротивление .

2. Параметры характеризующие работу вентилей:

- средний выпрямленный ток;

– действующее значение тока;

– амплитуда тока;

–амплитудное значение обратного напряжения;

– средняя мощность.

Вентили подразделяютя на управляемые и неуправляемые. В качестве неуправляемых используются тиристоры. Основным элементом в неуправляемых выпрямителях является диод – нелинейный прибор с односторонней проводимостью. Условное обозначение дио- да приведено на рис.2, а его вольтамперная характеристика (ВАХ) представлена на рис. 3.

V

катод

-

+

анод

D

Рис. 2. Условное обозначение диода.

t

U₀

^Uпр

U_n

^Iобр max

^Uпр

^Uобр max

^Uобр

Реальная характеристика

^Iпр max

Идеальная характеристика

t=20°C

^Iпр

=50°C

Рис. 3. Идеальная и реальная вольт-амперная характеристика.

3. Параметры, характеризующие работу трансформатора в схемах выпрямления:

– действующие значения напряжения и тока вторичных обмоток трансформато-

ра;

- действующее значение напряжения и тока первичной обмотки трансформатора; – полная мощность вторичной обмотки;

• полная мощность первичной обмотки;

• полная мощность вторичной обмотки;

– полная или габаритная мощность трансформатора;

• коэффициент использования трансформатора ( - выходная мощность выпрямителя).

Кривая выпрямленного напряжения представляет собой периодическую несинусои-

дальную функцию, которая содержит постоянную и переменную составляющие. Разло- жение кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье дает следующее выражение:

,

где - постоянная составляющая выпрямленного напряжения;

- амплитуда -й гармоники;

- фазовый сдвиг -й гармоники;

• номер гармоники;

– круговая частота напряжения сети;

• число фаз выпрямления.

По тому, сколько раз за период работает каждая фаза вторичной обмотки трансформато- ра, выпрямительные устройства различаются на однотактные и двухтактные.

В однотактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки трансформатора в течение периода работает только один раз и ток в каждой фазе имеет постоянную составляющую.

В двухтактных ВУ каждая фаза вторичной обмотки работает за период два раза. При этом токи, протекающие через обомотку за период, имеют равные величины, но противо- положное направление. Поэтому в каждой фазе трансформатора двухтактного ВУ нет по- стоянной составляющей.

3. Многофазные выпрямители.

Многофазные выпрямители питаются от трехфазной сети переменного тока. С их помо- щью получают напряжения постоянного тока, предназначенные для питания аппаратуры связи, электротехнической и радиотехнической аппаратуры. Многофазные выпрямители имеют весьма широкий диапазон использования по величине выходного напряжения (от единиц вольт до нескольких десятков киловольт) и тока нагрузки (от нескольких десятков миллиампер до нескольких тысяч ампер). Многофазные выпрямители, как правило, ис- пользуют при работе на нагрузку индуктивного характера. Однако в некоторых случаях (при низких выходных напряжениях и малой выходной мощности) многофазные схемы выпрямления могут применяться при работе на нагрузку емкостного характера (ток на- грузки при этом составляет десятки миллиампер). Преимуществом применения многофаз- ных схем выпрямления по сравнению с однофазными являются: 1 – равномерная загрузка трех фаз питающей сети переменного тока, 2 – меньшая величина коэффициента пульса- ции, 3 – большая частота первой гармоники пульсации.

Фронтальный вид стенда для исследования трехфазной однотактной, трехфазной мосто- вой и шестифазной однотактной схем выпрямления показан на рис.1.

Рис.4. Фронтальный вид стенда для проведения исследования многофазных схем выпрям- ления.

Стенд содержит:

• измерительные приборы;

• принципиальные схемы выпрямления с указанием способов подключения к ним измерительных приборов, токовых шунтов и гнезд для определения с помощью ос- циллографа форм кривых тока и напряжения в различных точках схем, а также среднеквадратического значения переменного напряжения с помощью милли- вольтметра В3-38;

• коммутационные приборы для подключения стенда к трехфазной сети общего пользования – автоматический выключатель QF1, пакетный переключатель для подачи питания и подключения нагрузки к одной из схем выпрямления – SA1, тумблер для подключения переменного сопротивления нагрузки – SA2;

• принципиальная схема нагрузки с указанием измерительных приборов и гнезд для подключения осциллографа и милливольтметра В3-38.

Принципиальные схемы исследуемых выпрямителей и схема нагрузки, подключаемая в зависимости от положения пакетного переключателя SA1 к одной из схем выпрямления, приведены на рис.5.

Как видно из рис.5 первичная обмотка трехфазного трансформатора с подключенными приборами (A₁, V₁, W) и автоматическим выключателем QF1 является общей для любой из трех схем выпрямления. Причем с целью обеспечения электробезопасности токовый шунт-резистор R1 и точки Г1, Г2 недоступны для подключения измерительных прибо- ров.

4. Трехфазная однотактная схема выпрямления.

Форма ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора e_2i, тока в фазе вторичной обмотки трансформатора i₂₂ и выпрямленного напряжения e₀ при работе идеального выпрямителя на нагрузку индуктивного характера для случая бесконечно большой индуктивности L дросселя выходного сглаживающего фильтра показаны сплошными линиями на рис. 6, а, б, в соответственно.

Рис.5. Принципиальные схемы выпрямления и схема подключения нагрузки.

В промежутке времени от 0 до 2π/3 открыт вентиль VД2, так как имеет наибольшее по- ложительное напряжение на аноде по сравнению с вентилями VД1, VД3; в этом интервале времени VД1 и VД3 закрыты и к ним приложено обратное напряжение. В интервале 2π/3 до 4π/3 открыт вентиль VД3, а от 4π/3 до 2π – вентиль VД1. Таким образом, за период ка- ждый вентиль открыт один раз и продолжительность протекания через него тока состав- ляет 2π/3. Ток каждой из фаз вторичной обмотки трансформатора также имеет форму прямоугольника с длительностью 2π/3 – (рис. 6, б). Выпрямленное напряжение e₀ пред- ставляется в виде огибающей всех фаз напряжения вторичной обмотки трансформатора (рис. 6, в). Среднее значение этого напряжения для идеального выпрямителя равно сред- нему значению напряжения на нагрузке U_H. В реальном выпрямителе элементы схем вы- прямления обладают как активным, так и индуктивными сопротивлениями ( прежде всего это относится к обмоткам трансформатора), имеет место так называемое перекрытие фаз, т.е. одновременная работа двух фаз при переходе нагрузки с одной фазы на другую. Уве- личение длительности перекрытия фаз приводит к увеличению длительности фронта и длительности среза импульса тока фазы, уменьшению среднего значения выходного на- пряжения и увеличению переменной составляющей выходного напряжения. На рис.6 б пунктиром показан примерный вид импульса тока фазы реального выпрямителя при ко- нечном значении индуктивности дросселя.

Следует отметить, что трехфазная однотактная схема выпрямления не находит широкого применения вследствие:

• сравнительно большого значения коэффициента пульсации по первой гармонике частоты f_П1 = 3f_c, K_п1 = 25% на входе LC-фильтра;

• наличия вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора.

5. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная трехфазного мостового выпрямителя приведена на рис. 5.

Форма ЭДС вторичных обмотках трансформатора e_2i, тока в фазе вторичной обмотке трансформатора i₂₂ при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и вы- прямленного напряжения e₀ приведены на рис. 6 а, г и д соответственно. В промежутке времени от 0 до 2π/3 напряжение на аноде вентиля VД3 наибольшее и положительное, по сравнению с напряжением на аноде VД1, VД5. Поэтому вентиль VД3 открыт, а вентили VД1, VД5 закрыты. Ток i₂₂ протекает через вентиль VД3, далее через нагрузку (рис. 5 б), подключенную к выходным клеммам А, Б выпрямителя.

Из нижней группы вентилей VД2, VД4, VД6 открыт будет тот вентиль, на катоде кото- рого будет наибольшее отрицательное напряжение. В интервале от 0 до π/3 таким венти- лем будет VД6, а от π/3 до 2π/3 вентиль VД2 (см. рис. 6а). Та же фаза e₂₂ будет проводить ток в интервале от π до 5π/3, но теперь этот ток будет протекать через вентиль VД4, на- пряжение на катоде которого наибольшее и отрицательное в этом интервале. Через верх- нюю группу вентилей в этом промежутке времени ток будет протекать от π до 4π/3 через вентиль VД5, в промежутке от 4π/3 до 5π/3 через вентиль VД1 (см. рис. 6а). Причем, если в первом случае ток данной фазы i₂₂ протекал в направлении от обмотки к диодной груп- пе, то во втором – от диодной группы к обмотке. В трехфазной мостовой схеме выпрями- теля ток i_2i каждой фазы протекает через нагрузку и два последовательно включенных вентиля (см. рис. 6г).

Трехфазная мостовая схема применяется для получения выпрямленных напряжений U_н от нескольких десятков вольт до десятков киловольт при токах нагрузки от единиц до не- скольких тысяч ампер. При низких выходных напряжениях (единицы вольт) КПД этой схемы оказывается меньше, чем шестифазной однотактной схемы выпрямления (рис. 5 в). Коэффициент пульсации по первой гармоники на входе фильтра в трехфазной мостовой схеме равен K_п1 = 5,7%, а частота первой гармоники пульсации равна 6f_c.

6. Шестифазная однотактная схема выпрямления.

Схема электрическая принципиальная шестифазного выпрямителя приведена на рис. 5.

На каждом стержне трехфазного трансформатора намотана обмотка с выводом средней точки так, что ЭДС e₂₁ и e’₂₁, e₂₂ и e’₂₂, e₂₃ и e’₂₃ равны по величине и сдвинуты по фазе относительно средней точки на π.

Формы ЭДС вторичных обмотках трансформатора e_2i и е ^/, тока в фазе вторичной об-

2i

мотки трансформатора i₂₂ при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера и выпрямленного напряжения e₀ показаны на рис. 7 а, б, в соответственно. Каждая из шести фаз за период работает один раз и продолжительность протекания через нее тока равна π/3.

Шестифазная схема при соединении первичной обмотки треугольником применяется для получения выпрямленных напряжений Uн до 10 В при токах нагрузки до нескольких сотен ампер.

Коэффициент пульсации и частота первой гармоники пульсации такие же, как в трех- фазной мостовой схеме.

. Рис.6. Временные диаграммы.

Рис.7. Временные диаграммы шестифазной схемы выпрямления.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Перед подключением стенда с помощью автомата 3 к сети переменного тока необходи- мо:

1. – ручку переменного резистора R_н вывести в крайнее левое положение, соответствую- щее максимальному значению сопротивления нагрузки. Тумблер SA2 установить в ра- зомкнутое состояние;

2. – переключатель SA1 “схема выпрямления” установить в положение “I”;

После выполнения указанных подготовительных операций подать на схемы напряжение сети с помощью автомата QF1.

1. Исследование трехфазного выпрямителя.

^{Снятие внешней характеристики U}_н = f ( I_н ) трехфазного выпрямителя осуществляется при U₁ = 220 В = const и изменении тока нагрузки I_н . Для снятия внешней характеристи- ки следует определить возможный диапазон изменения тока нагрузки. С этой целью сле- дует подключить тумблером SA2 нагрузочный резистор R_H и с помощью регулятора на- грузки определить возможный диапазон тока нагрузки, с тем, чтобы уточнить значения тока нагрузки при которых следует производить запись показаний приборов (следует про- изводить запись показаний приборов для 4-х –5-ти значений тока нагрузки в диапазоне ^0…IH МАКС⁾

Результаты измерений и расчета заносятся в табл. 1, 2.

Таблица 1

Опытные данные							Расчетные данные
Iн, А	Uн, В	U0~ В	U2, В	I1, А	I2, А	P`1, Вт	P1, Вт	Pн, Вт	η	χ

Расчетные данные

r, Ом	KП, %			S1, ВА	S2, ВА	Smp, ВА	K1	K2	Kтр	Fn1, Гц

Расчетные данные определяются по формулам:

Таблица 2

К_ТР= ^РН ;

^ U ₂ ^ _;

^ I₂ ^

; К_П= ^{U0 ~} 100 %.

U

^SТР

χ= ^P1 .

S

 

^{ H }(0)

 

I

U

 H ₍₁₎ H

где индексы 0 и 1 в скобках указывают соответственно нулевое значения тока нагрузки (режим холостого хода выпрямителя) и максимальное значение тока нагрузки, при кото- рых определяется какой либо параметр выпрямителя:

P`₁ – мощность, потребляемая одной фазой первичной обмотки трансформатора;

U_0~- переменная составляющая напряжения, определяемая вольтметром В3-38 (в гнездах Г6, Г8) ;

С помощью осциллографа, подключаемого к соответствующим гнездам на стенде, опре- делить и зарисовать при токе нагрузки I_н близком к максимальному значению форму тока фазы (гнезды Г4, Г5) и форму напряжения на выходе выпрямителя (гнезда Г6, Г8).

2. Исследование трехфазного мостового выпрямителя.

Установить переключатели SA1 в положение – “2. Снятие внешней характеристики U_н = f ( I_н ) трехфазного мостового выпрямителя осуществляется при U₁ = 220 В = const и изме- нении тока нагрузки I_н от 0 до максимального значения. Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицы 3 и 4 аналогичные таблицам 1 и 2.

Расчетные данные для трехфазной мостовой схемы определяются по формулам, приве- денным выше в п. 1.

С помощью осциллографа определить для I_{Н МАКС} форму тока фазы вторичной обмотки трансформатора (Г4, Г5) и форму напряжения на выходе выпрямителя (Г6,Г8). Формы то- ка и напряжения должны быть представлены в отчете.

3. Исследование шестифазного выпрямителя.

Установить переключатели SA1 в положение “3”. Снятие внешней характеристики U_н = f( I_н ) осуществляется при U₁ = 220 В = const и изменении тока нагрузки от 0 до макси-

мального значения. Результаты измерений и расчета сводятся в таблицы 5 и 6, аналогич- ные таблицам 1 и 2.

Расчетные данные для шестифазной схемы определяются по формулам, приведенным выше в п.1. Габаритная мощность вторичной обмотки S₂ определяется как 6U₂I₂.

С помощью осциллографа определить и представить в отчете форму тока фазы вторич- ной обмотки трансформатора (Г4, Г5) форму напряжения на выходе выпрямителя (Г6,Г8) для максимального значениятока нагрузки.

Внешние характеристики U_н = f( I_н ) при U₁ = 220 В всех трех выпрямителей при работе на нагрузку индуктивного характера начертить на одном графике и представить в отчете.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните принцип работы трехфазного однотактного выпрямителя.

2. Объясните принцип работы трехфазного мостового выпрямителя.

3. Объясните принцип работы шестифазного выпрямителя.

4. Укажите области применения каждой из исследуемых схем многофазных выпря- мителей.

5. В чем отличие потребляемой мощности от габаритной мощности для трансформа- тора, работающего в схеме выпрямителя?

6. Объясните, почему отличаются выходные напряжения U_н различных многофазных выпрямителей при одних и тех же значениях U₂ и I_н?

7. Чему равны значения частот первой гармоники пульсации напряжения на нагрузке для различных схем выпрямления и способы их определения?

8. Чему равны значения коэффициентов пульсации по первой гармоники на входе сглаживающего фильтра для каждой из схем выпрямления (для идеальных выпрямите- лей) и способы определения их?

9. Что такое внутреннее сопротивление выпрямителя? Объясните, за счет чего полу- чается неодинаковый наклон внешних характеристик различных многофазных выпрями- телей?

Список литературы.

а) Базовый учебник:

1. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов. В.М Бушуев, В.А. Деминский и др. М; Горячая линия-Телеком, 2011/ЭБС МТУСИ

а) Основная литература:

2. Шпилевой А.А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций [Элек- тронный ресурс]: учебное пособие/Шпилевой А.А. – Электрон. Текстовые дан- ные. – Калининград: Балтийский федеральный университет ис. Им. Канта, 2010. – 131 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/23959.html - ЭБС

«IPRbooks»

3. Электропитание устройств связи: Учебное пособие для вузов. Л.Ф. Захаров, М.Ф. Колканов М.: «Учебно-методический центр по образованию на железно- дорожном транспорте» 2009 г.

б) Дополнительная литература:

4. Сажнев А.М. Источники бесперебойного электропитания переменного тока [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Сажнев А.М., Рогулина Л.Г. – Электрон. текстовые данные. – Новосибирск: Сибирский государственный

университет телекоммуникаций и информатики, 2015.-312 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/55478

5. Козляев Ю.Д.Сборник задач и упражнений по курсу «Электропитание уст- ройств и систем телекоммуникаций» [Электронный ресурс]: учебно- методическое пособие/ Козляев Ю.Д. - Электрон. текстовые данные. – Новоси- бирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информа- тики, 2015.-82 с. Режим доступа:http://www.iprbookshop.ru/45487. html

6. Сажнев А.М. Промышленные электропитающие устройства связи [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Сажнев А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. – Электрон. текстовые данные. – Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2009.-

192 с. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/54796. html