3. Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Цель работы:

1. Изучить устройство и принцип работы однофазных управляемых выпрямителей.

2. Изучить внешние и регулировочные характеристики однофазного мостового управляемого выпрямителя.

3. Экспериментально исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активную, активно-индуктивную и двигательную нагрузку на универсальном лабораторном стенде "Основы электропривода и

преобразовательной техники».

Краткие теоретические сведения [2].

Рассмотрим принцип работы и характеристики однофазной двухполупериодной схемы, именуемой мостовой двухтактной (рис. 3.1, а).

Рис. 3.1 - Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы (б, в, г)

Тиристоры управляемого выпрямителя соединены так, что тиристоры

VS1 и VS3 имеют общий анод, а тиристоры VS2 и VS4 – общий катод, образовывая мостовую схему.

На вход выпрямителя подается переменное синусоидальное напряжение:

u₁=U_1msinωt= √2 U₁sinωt,

где U₁ – действующее значение напряжения питающей сети,

ω – угловая частота напряжения питающей сети.

Рассмотрим работу однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку (рис.3.1, а ключ S замкнут).

При чисто активной нагрузке ток повторяет по форме напряжение (рис.3.1). В первом полупериоде ток нагрузки i_d протекает через вентили VS1 и VS2, а во втором полупериоде - через вентили VS3 и VS4.

При угле управления тиристорами α = 0 на резисторе нагрузки будет пульсирующее напряжение u_d и только одной полярности, или, иначе говоря, выпрямленное напряжение (см. рис.3.1, б).

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения или его среднее

значение U_d равняется интегралу функции изменения этого напряжения во времени в течение интервала времени равном π, деленному на этот интервал времени. Для данной схемы выпрямления (см. рис. 3.1, б) U_d равно:

(3.1)

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе

схемы при угле управления α = 0.

Для открытия тиристоров управляемого выпрямителя необходимо выполнение двух условий – потенциал анода тиристора должен быть выше потенциала катода и наличие на управляющих электродах импульса управления. Регулирование выходного напряжения в управляемом выпрямителе осуществляется путем введения фазового сдвига импульса управления по отношению к точке естественного зажигания вентиля, который принято называть углом регулирования α. На рис.3.1, г приведены графики выходного напряжения и тока нагрузки при чисто активной нагрузке управляемого выпрямителя и угле управления α >0.

Выведем выражение для среднего значения выпрямленного напряжения однофазного управляемого выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку.

(3.2)

Нетрудно установить, что предельный угол регулирования, при котором напряжение на нагрузки становится равным нулю, α _зап=180⁰. Формула (3.2) по сути является регулировочной характеристикой однофазного управляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, при работе на чисто активную нагрузку.

На рис.3.2, а приведена регулировочная характеристика однофазного

двухполупериодного (мостового) выпрямителя при его работе на активную нагрузку.

Максимальное значение обратного напряжения на тиристорах, как и в случае работы схемы на неуправляемых вентилях, равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. Максимальное значение прямого напряжения на тиристоре зависит от угла регулирования

(3.3)

Отметим, что при активной нагрузке на интервале времени 0<ωt<α не открыт ни один тиристор силовой схемы выпрямителя и напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к двум последовательно соединенным тиристорам. Таким образом, к каждому из тиристоров прикладывается только половина напряжения вторичной обмотки трансформатора, что и учтено в формуле (3.3). Величина действующего значения тока первичной обмотки трансформатора определяется по той же формуле, что и для случая работы неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку:

(3.4)

Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

При работе управляемого выпрямителя на активно - индуктивную нагрузку необходимо разомкнуть ключ S (см. рис.3.1, а ). Временные диаграммы. поясняющие работу выпрямителя при активно - индуктивной нагрузке приведены на рис.3.1, в. Из рис. 3.1, в следует, что при активно-индуктивном характере нагрузки каждая пара вентилей проводит ток на интервале времени длительностью λ_т=π независимо от величины угла регулирования α.

Напомним, что при чисто активном характере нагрузки длительность ведения тока каждой парой вентилей однофазного мостового выпрямителя зависит от величины угла регулирования α и изменяется от λ_т=π (при α =0⁰) до λ_т=0 (при α =180⁰). Включение дросселя с индуктивностью L_d вносит существенные изменения в работу выпрямителя, выполненного по любой схеме. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения вторичной обмотки u₂ тиристоры не закрываются (как это происходит при чисто активной нагрузке), а проводят ток в течение некоторого времени при отрицательном напряжении u₂ на интервале времени ωt>π, смотри рис.3.1, в). При достаточно большой величине индуктивности дросселя L_d длительность ведения тока вентилями достигает λ_т=π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt>π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции e_L=-Ldi/dt, противоположная по знаку напряжению u₂. Под воздействием этой ЭДС и происходит протекание тока нагрузки. Этот процесс происходит до тех пор, пока накопленная в индуктивности L_d энергия W_L=L_dI²/2 расходуется частично в активном сопротивлении R_d и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени e_L>u₂ и к анодам тиристоров VS1 и VS2 прикладывается положительный потенциал u_в=(e_L-u₂)>0.

Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя W_L=LI²/2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и ЭДС самоиндукции e_L=0, то к вентилям VS1 и VS2 прикладывается отрицательное напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂. Тиристоры VS1 и VS2 закрываются.

Величина среднего значения выпрямленного напряжения при активно-индуктивном характере нагрузки может быть определена по формуле (3.5).

(3.5)

Рис.3.2. Регулировочные характеристика однофазного мостового выпрямителя при активной (а) и активно-индуктивной (б) нагрузке

Максимальное обратное напряжение на закрытом тиристоре определяется по формуле (3.3), а максимальное прямое напряжение на тиристоре зависит от угла регулирования α:

(3.6)

Кривые первичного и вторичного токов при активно–индуктивной нагрузке имеют прямоугольную форму, симметричную относительно оси абсцисс. Действующее значение вторичного тока равно: (3.7)

А действующее значение первичного тока отличается от действующего значения вторичного тока в коэффициент трансформации раз:

(3.8)

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме двукратна по отношению к частоте напряжения питающей сети, т.е. f_п=2f_c.

При одинаковых углах управления тиристорами α среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током нагрузки будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению площади отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, так как в этом случае отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения вообще нет.

Поэтому в режимах с прерывистым током нагрузки регулировочные характеристики управляемого выпрямителя будут находиться между регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для чисто активной нагрузки – 1 и регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для активно-индуктивной нагрузки для режима непрерывного тока – 2 (рис. 3.2).

Однофазные мостовые схемы из–за больших пульсаций выпрямленного напряжения и малой их частоте применяют в основном в электроустановках малой мощности, например, во вторичных источниках питания.

Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления

двигателем по цепи якоря. Однако двигательная нагрузка отличается от активно-индуктивной нагрузки, рассмотренной ранее. Двигательная нагрузка помимо активного сопротивления и индуктивности содержит источник ЭДС.

Рассмотрим работу однофазного мостового управляемого выпрямителя для случая, когда приемник энергии имеет противо-ЭДС – Е (рис.3.3).

Рис. 3.3 - Работа управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС

При конечном значении L и R моменты включения вентилей зависят от

противо-ЭДС. При заданном угле управления тиристорами α включение вентилей произойдет лишь в тот момент, когда потенциал на анодах тиристоров станет больше потенциала катодов, т.е. включение тиристоров возможно при (U₁≥Е ). Если (Е ≥ U₁) вентили не включаются, ток i_d = 0, а продолжительность прохождения тока через вентиль λ_т = 0. С уменьшением величины противо-ЭДС Е угол λ_т возрастает, и в пределе, при (Е = 0) имеем λ_т = 180 эл.град. (при угле управления α = 0 эл.град.). В зависимости от угла λ_т имеем несколько режимов работы схемы.

В режиме I угол (0 < λ_т < 180^о) и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В режиме II угол (λ_т=180^о) и выпрямленный ток имеет непрерывный характер.

Из-за наличия в нагрузке источника противо - ЭДС процессы коммутации

вентилей усложняются. Изменяются и регулировочные характеристики

управляемого выпрямителя.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения об однофазных управляемых

выпрямителях.

2. Теоретически рассчитать и построить регулировочные характеристики

для однофазного управляемого выпрямителя для заданного типа нагрузки:

- для активной нагрузки;

- для активно-индуктивной нагрузки.

3. Теоретически рассчитать и построить внешние характеристики для однофазного управляемого выпрямителя для заданного типа нагрузки.

4. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку.

5. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

6. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на двигательную нагрузку.

7. Сравнить экспериментально снятые регулировочные и внешние характеристики по п. 3, 4, 5 с теоретически построенными по п.2 и п.3 и сделать выводы.

8. Оформить отчет по лабораторной работе и сделать заключение по результатам работы.

Описание универсального лабораторного стенда [1]

Для проведения необходимых экспериментальных исследований универсальный лабораторный стенд в своем составе имеет трехфазный управляемый выпрямитель с возможностью переключения на однофазную мостовую схему. Управляемый выпрямитель собран на тиристорах, ток которых составляет 25 А. В однофазном режиме работы управляемый выпрямитель подключается на линейное напряжение сети U_АС, которое является синхронизирующим напряжением (см. лабораторную работу № 1). В однофазном режиме для управления тиристорами используется аналоговая система импульсно-фазового управления (см. лабораторную работу № 1). В однофазном режиме работы тиристоры VS1 и VS5 имеют общий катод, реализуя положительный выход мостового выпрямителя, а тиристоры VS4 и VS2 – общий анод, реализуя отрицательный выход мостового выпрямителя (см. рис. 3.1).

Универсальный стенд позволяет исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активную, активно-индуктивную и двигательную (активно-индуктивную с противо-ЭДС) нагрузку.

Для проведения необходимых измерений в состав универсального стенда

входят измерительные приборы, позволяющие измерять действующие и

средние значения постоянного и переменного тока и напряжения.

Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и

передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.

Для более детального исследования работы однофазного управляемого

выпрямителя необходим осциллограф (желательно с памятью).

Порядок проведения опытных исследований