4.3.Снятие регулировочной характеристики трехфазного мостового управляемого выпрямителя в целом

Измерять напряжение задания угла регулирования U­_уa и напряжение на выходе управляемого выпрямителя при активно-индуктивном характере нагрузки. Данные измерений свести в табл.5.3.

Таблица 5.3. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя в целом U_d = f(U­_уa).

U­уa , В
a, град
Ud, В

По данным табл. 5.3 на графике №4 построить регулировочную характеристику выпрямителя в целом U_d = f(U­_уa). Дать оценку линейности регулировочной характеристики управляемого выпрямителя в целом. Определить коэффициент передачи управляемого выпрямителя в целом.

Исследование электромагнитных процессов

Выполнить осциллографирование временных диаграмм токов и напряжений при трех видах нагрузки и двух углах регулирования:

- напряжения переменного тока питающей сети;

- напряжения нагрузки;

- напряжения на тиристоре;

- тока нагрузки

Контрольные вопросы

1.Поясните принцип работы трехфазной однотактной схемы выпрямления.

2.Укажите основные отличия в работе трансформатора трехфазной однотактной схемы и мостовой схемы выпрямления.

3.Во сколько раз максимальное напряжение на вентиле в трехфазной однотактной схеме выпрямления больше среднего значения напряжения нагрузки?

4. Как рассчитать КПД выпрямителя?

5. Как рассчитать коэффициент мощности выпрямителя?

Требования к оформлению отчета:

1.Отчет оформляется на листах формата А4.

2.Отчет должен содержать следующие разделы:

- цель работы;

- наименование опыта и схемы, необходимые для его проведения;

- таблицы опытных и расчетных данных (с примерами расчетов параметров);

- графики зависимостей, построенных по результатам опытов;

- осциллограммы электромагнитных процессов исследуемой схемы;

- оценка полученных результатов

6.Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОГО ИНВЕРТОРА

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы зависимого инвертора (или инвертора ведомого сетью).

2. Изучить внешние характеристики преобразователя в выпрямительном и в инверторном режимах.

3. Экспериментально исследовать работу инвертора ведомого сетью на универсальном лабораторном стенде "Основы электропривода и преобразовательной техники".

Краткие теоретические сведения [2].

Любой управляемый выпрямитель является обратимым преобразователем и может быть переведен в режим инвертирования и стать зависимым инвертором. Зависимый инвертор (ЗИ) – это полупроводниковый уп­равляемый преобразователь с естественной коммутацией вентилей, преобразующий электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. В качестве источника электрической энергии постоянного тока для зависимого инвертора, как правило, применяют электрическую машину постоянного тока, работающую в генераторном режиме. Выходная цепь зависимого инвертора подключается к сети переменного тока. Поэтому величина и частота выходного напряжения ЗИ определяется этой сетью переменного тока, что и определило название «зависимый инвертор».

Рассмот­рим перевод управляемого выпрямителя в инверторный режим на примере трехфаз­ного мостового тиристорного преобразователя, нагруженного на машину постоянного тока, схема которого представлена на рис.6.1.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме ток в машине протекает навстречу её противо -ЭДС E_я под действием выпрямленного напряжения U_d.

Прин­ципиально изменение направления потока энергии может быть достигнуто путем изменения направления тока или ЭДС машины. Однако вследствие односторонней проводимости тиристоров переход к инверторному режиму путем изменения направления тока в данной схеме не может быть осущест­влен. Поэтому для перехода к инверторному режиму необходимо изменить величину и полярность ЭДС машины E_я и напряжения преобразо­вателя U_d так, чтобы E_я > U_d, а ток цепи постоянного тока сохранил бы свое неизменное на­правление. Электрическая машина должна быть переведена в генераторный режим. Для этого необходимо к валу этой машины подвести механическую энергию от внешнего источника механической энергии (постороннего двигателя). Полупроводниковый преобразователь переходит в режим приемника электрической энергии постоянного тока.

Рис.6.1. Трехфазная мостовая схема зависимого инвертора

Изменение полярности ЭДС на зажимах машины постоянного тока мо­жет быть осуществлено путем изменения направления тока в обмотке воз­буждения или изменением направления вращения якоря машины постоянного тока. Изменение по­лярности напряжения преобразователя осуществляется установкой таких углов управления α>π/2, при которых вентили естественно коммутируют и проводят ток при отрицательном напряжении питающих фаз.

В результа­те для перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования необ­ходимо:

- установить угол регулирования α>π/2;

- изменить полярность ЭДС машины постоянного тока;

- приложить к валу машины постоянного тока вращающий момент, обеспечивающий ее ра­боту в генераторном режиме;

- увеличить ЭДС машины так, чтобы E_я > U_d при допустимой вели­чине тока в цепи обмотки якоря.

Для осуществления естественной коммутации, при которой ток переходит от вентиля с меньшим потенциалом анода к вентилю с более высоким потенциалом анода, необходимо, чтобы открытие очередного вен­тиля происходило с некоторым опережением относительно точек предель­ной коммутации. Это опережение, определяемое как угол β, должно учитывать как угол коммутации γ, так и угол выключения вентиля δ, предоставляемый для вос­становления запирающих свойств, т.е. β≥ γ + δ. После вступле­ния в работу очередного вентиля потенциал анода предшествующего вен­тиля начинает увеличиваться, принимая положительные значения. Изло­женное иллюстрируется построенной на рис.6.2 (утолщенный контур) кривой мгновенного напряжения u_v1 на вентиле VSI. Построение дан­ной кривой осуществляется так же, как для выпрямительного режима, форма ее характерна тем, что на большей части пе­риода напряжение на запертом вентиле положительное, и только в течение угла δ оно отрицательное. При положительном напряжении u_v1 за точкой m₂ вентиль VSI может вновь открыться, если к этому времени в нем не будет восстановлена управляемость (блокирующая способность).

Рис.6.2. Временные диаграммы, поясняющие работу зависимого инвертора

При таком повторном открытии вентиль будет пропускать ток в течение поло­жительного полупериода линейных напряжений, в результате чего инвер­тор опрокидывается - образуется аварийное короткое замыкание сети и машины при согласном направлении их ЭДС. Для надежной коммутации оче­редной вентиль должен открываться с опережением относительно точек предельной коммутации на угол

β=γ+ k_зt_q, (6.1)

где k_з - коэффициент запаса устойчивости коммутации, принимаемый практически k_з =1,5-3,0;

t_q - время выключения вентиля, указывае­мое в паспортных данных и равное, например, для тиристоров типа ТЛ, t_q=(20,…,50)мкс.

С учетом условий перевода выпрямителя в режим зависимого инвертирования, изложенных выше, в выражении внешней характеристики выпрямителя (1.17) при переводе выпрямителя в режим инвертирования должны измениться знаки перед напряжением U_d (напряжением источника постоянного тока) и перед напряжением «подпора» вентильного блока, U_d0cosα, поскольку угол α>90⁰, и cosα имеет отрицательный знак. Нетрудно видеть, что в инверторном режиме все члены формулы (1.17) имеют отрицательный знак.

Угол опережения является сопряженным углом угла регулирования α, т.е.

β=180⁰- α. Умножив правую и левую части уравнения (1.17) на (-1), получим выражение внешней характеристики зависимого инвертора (6.2):

. (6.2)

Здесь ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в - те же падения напряжения, что и в формуле (1.17).

После подстановки значений ∆U_х , ∆U_Rф , ∆U_Lф, ∆U_в в формулу (6.2), получим:

(6.3)

где

U_d=E_я - напряжение источника постоянного тока;

I_d - ток, потребляемый инвертором от источника постоянного тока.

(6.4)

Нетрудно видеть, что для увеличения тока I_d, а значит и для увеличения инвертируемой мощности, необходимо:

- увеличивать напряжение источника постоянного тока (U_d=E_я) (при постоянном угле β);

- или уменьшать угол β (при постоянном напряжение источник постоянного тока U_d).

Внешняя характеристика зависимого инвертора U_d=f(I_d) при постоянных значениях угла β приведены на рис.6.3.

Важным параметром, определяющим устойчивость работы зависимого инвертора является угол δ_з. На интервале, определяемым углом δ_з к выключаемому тиристору приложению отрицательное напряжение (см. рис.6.3).

Для устойчивой работы инвертора необходимо, чтобы угол δ_з превышал угол восстановления запирающих свойств тиристора, который при частоте 50 Гц находится в пределах

где

τ_восст.- время, необходимое для восстановления управляющих свойств тиристора.

Как видно из рис.6.3, δ_з= β-γ.

С увеличением тока I_d при неизменном угле опережения β угол коммутации γ возрастает и, следовательно, угол δ_з уменьшается и может достигнуть при определённом токе минимально допустимого значения.

Это и определяет допустимый ток инвертора I_d. Угол δ_з уменьшается также при уменьшении β и соответствующем увеличении противо - ЭДС инвертора при постоянном I_d. Следовательно, чем больше противо - ЭДС, тем меньше допустимый инвертируемый ток.

Зависимость противо - ЭДС инвертора U_d от допустимого инвертируемого тока I_d при δ_з=const называют ограничительной характеристикой, выражение которой

(6.5)

Ограничительная характеристика зависимого инвертора приведена на рис. 6.3.

Рис.6.3. Внешние характеристики в режиме выпрямления (0<α<90^о) и в режиме инвертирования (90^о< α<180^о)

Коэффициент мощности зависимого инвертора

В зависимых инверторах, в отличие от выпрямителей, активная мощность передается из цепи постоянного тока в сеть переменного тока, и эту мощность следует считать отрицательной. Соответственно, поскольку в интервалах α>π/2 и угол φ₍₁₎> π/2, коэффициент сдвига cosφ₍₁₎ также является отрицательным. Однако коэффициент мощности всегда считается положительной величиной и поэтому в выражение коэффициент мощности зависимого инвертора

следует подставлять абсолютные значения P₁₍₁₎ и cosφ₍₁₎. С учетом α=π-β для зависимого инвертора

(6.6)

Коэффициент искажения формы тока при мгновенной коммутации (когда форма тока прямоугольна) для трехфазной мостовой схемы преобразователя равен 3/π =0,955. С увеличением угла коммутации коэффициент искажения повышается, так при γ=40° величина коэффициента искажения формы тока увеличивается до 0,966.

Из выражения (6.6) видно, что коэффициент мощности зависимого инвертора повышается при уменьшении угла β. Однако, как было показано выше, уменьшение β приводит к уменьшению угла δ_з= β-γ и, соответственно, к увеличению вероятности опрокидываний инвертора.

Коэффициент полезного действия зависимого инвертора

(6.7)

где

P_d=U_dI_d -мощность, потребляемая инвертором от источника электрической энергии постоянного тока;

P₁=m₁U₁I₁χ - активная мощность, отдаваемая инвертором в сеть переменного тока;

ΣP_п - сумма потерь мощности инвертора.

Составляющие ΣP_п определяются по тем же расчетным соотношениям, что и для выпрямительного режима.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о инверторах ведомых сетью.

2. Теоретически рассчитать и построить внешние характеристики

преобразователя в режимах:

- выпрямления;

- инвертирования,

при углах регулирования по заданию преподавателя.

3. Исследовать работу преобразователя в режиме выпрямления.

4. Исследовать работу преобразователя в режиме инвертирования.

7. Сравнить экспериментально снятые внешние характеристики по

п.п. 3 и 4 с теоретически построенными по п.2 и сделать выводы.

8. Оформить отчет по лабораторной работе.

9. Сформулировать выводы по результатам выполненных исследований.

Описание универсального лабораторного стенда [1].

Для проведения необходимых экспериментальных исследований универсальный лабораторный стенд в своем составе имеет трехфазный управляемый выпрямитель. Управляемый выпрямитель собран на тиристорах, номинальное значение среднего тока которых составляет 25 А.

В трехфазном режиме работы тиристоры VS1, VS3, VS5 образуют катодную группу, реализуя положительный выход мостового выпрямителя, а тиристоры VS4, VS6, VS2 – анодную группу, реализуя отрицательный выход мостового выпрямителя (см. рис.6.1).

Работа тиристоров управляемого выпрямителя в трехфазном режиме

контролируется с помощью микроконтроллера, основной задачей которого

является выдача сигналов на тиристоры.

Универсальный стенд позволяет исследовать работу трехфазного управляемого выпрямителя как в выпрямительном, так и в инверторном режимах.

При работе преобразователя в выпрямительном режиме угол регулирования устанавливается в пределах 0<α<90^о. В качестве двигательной нагрузки преобразователя при его работе в выпрямительном режиме используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, якорь которого включается на выход трехфазного управляемого выпрямителя, а обмотка возбуждения получает питание от двухтактного широтно-импульсного преобразователя (ШИП).

В качестве механической нагрузки ДПТ используется асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД КЗ), обмотка статора которого подключена к выходу инвертора напряжения (ИН). Величина выходного напряжения ИН регулируется с резистором R32 , а частота – резистором R31 (см. рис.6.12).

При работе преобразователя в режиме инвертирования угол регулирования устанавливается в пределах 90^о<α<180^о. В качестве источника электрической энергии постоянного тока используется электрическая машина постоянного тока, работающая в генераторном режиме. К валу машины постоянного тока механическая энергия подводится от асинхронного двигателя. Асинхронный двигатель получает электрическую энергию от инвертора напряжения. Скорость вращения АД КЗ регулируется путем изменения частоты выходного напряжения ИН (резистором R31).

Для проведения необходимых измерений в состав универсального стенда входят измерительные приборы, позволяющие измерять действующие и средние значения постоянного и переменного тока и напряжения. Для измерения параметров цепи переменного тока, питающей УВ, дополнительно включен измерительный комплект К – 50.

Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и

передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.

Для более детального исследования работы электромагнитных процессов трехфазного управляемого выпрямителя используется осциллограф.

Порядок проведения опытных исследований