multisim / ЛабРаб-2011 doc / лр4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 (ЛР 4)

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование двух-полупериодных регулируемых вы­прямителей и регулятора напряжения переменного тока на управляемых полупроводниковых приборах, работающих на активную и активно-инду­ктивную- нагрузку.

В работе исследуются следующие тиристорные схемы:

Двухполупериодный регулируемый выпрямитель со средней, точкой (рис.4.1);

двухполупериодный мостовой регулируемый выпрямитель (рис.4.2);

регулятор напряжения переменного тока (рис.4.8).

Пределы регулирования угла включения тиристоров 0...150 град: максимальный ток нагрузки выпрямителя 0,15 А.

Лабораторная работа выполняется на съемной панели ПЗ "РЕГУЛЯ­ТОРЫ И ПРЕОРА30ВАТЕЛИ".

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Регулируемыми выпрямителями называются преобразовательные устройства, совмещающие функцию выпрямления напряжения переменного тока с регулированием (или стабилизацией) напряжения постоянного тока на нагрузке. Простейшие схемы регулируемых выпрямителей обра­зуются из соответствующих схем нерегулируемых выпрямителей при полной иди частичной замене полупроводниковых выпрямительных дио­дов тиристорами. Тиристор - полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (ти­ристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Для отпирания тиристора на управляющий электрод подается положи­тельный относительно катода импульс напряжения. Закрывание произ­водится по цепи анода изменением полярности анод-катод: когда ток внешней цепи станет меньше удерживающего тока, тиристор возвраща­ется в запертое состояние, соответствующее низкой проводимости. На рис.4.1 и 4.2 приведены схемы однофазных регулируемых выпрямителей, которые получили наиболее широкое применение в устройствах вторич­ного электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

На рис.4.4,а приведены временные диаграммы напряжений и токов нагрузки в схеме двухполупериодного регулируемого выпрямителя при активной нагрузке:

(рис 4.3,а); ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Пусть в начальный момент времени к началу первичной обмотки трансформатора Т (рис.4.1) приложен положитель­ный потенциал, а к ее концу - отрицательный. Несмотря на наличие положительного потенциала на аноде тиристор vs1 не проводит ток, так как на его управляющий электрод сигнал будет подан спустя не­которое время t = а/w после смены полярности напряжения питания.

При открывании тиристора vs1 (wt1 = a) через него начинает протекать ток нагрузки. После смены полярности напряжения питания (wt2 = π) тиристор vs1 закрывается. В течение следующего интервала времени нагрузка отключена от сети. При wt₃ = π+а на управляющий электрод тиристора vs2 подается сигнал, и тиристор, начинает прове­дать ток нагрузки до очередной смены полярности напряжения питания. В дальнейшем процессы в схеме регулируемого выпрямителя (рис.4,1) повторяются. Интервал протекания тока через тиристоры равен где - интервал проводимости тиристора, а - угол включения тирис­тора .

Изменяя во времени угол включения тиристоров vs1 и vs2 отно­сительно момента прохождения питающего напряжения через свое нуле­вое значение, можно регулировать по заданному закону среднее (эф­фективное) значение напряжения на нагрузке.

Процессы, происходящие в схеме на рис 4.2 полностью идентич­ны рассмотренным выше (рис.4,1), за исключением того, что одновре­менно с открыванием тиристора vs1 включается диод vd2, а при от­крывании тиристора vs2 включается диод vdi.

Для всех однофазных выпрямителей регулировочная характеристи­ка (иначе характеристика "вход-выход"), показывающая зависимость среднего значения выпрямленного напряжения в функций угла включе­ния тиристоров а при о < а < π, имеет вид

где - среднее значение напряжения на выходе выпрямителя (на входе фильтра); - максимальное значение напряжения на вто­ричной обмотке трансформатора.

Рассмотрим работу регулируемого выпрямителя при активно-инду­ктивной нагрузке (Z_H - по рис.4.3,б), используя временные диаграм­мы (рис.4.5,а). В положительный полупериод выпрямляемого напряжения при wt1 = a подается сигнал управления, тиристор vs1 (рис.4.1.) от­крывается и напряжение на нагрузке становится равным эдс источника питания. Ток, протекающий через нагрузку и тиристор, плавно нара­стает, что соответствует запасанию энергии в индуктивности. При спадании тока эта энергия отдается обратно в результате чего ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения пи­тания через нуль. Длительность интервала проводимости тиристора vs1 возрастает; он остается в открытом состоянии в течение некото­рого интервала времени после изменения полярности напряжения пита­ния. Поэтому в кривой напряжения на нагрузке появляются участки напряжения отрицательной полярности. Величина среднего значения выпрямленного напряжения при этом уменьшается.

Запирание тиристора vs1 происходит в отрицательный полупериод выпрямляемого напряжения при wt2=β , когда ток, протекающий через тиристор, уменьшается до величины тока выключения. Напряжение на нагрузке становится равным нулю. Интервал проводимости тиристора к увеличивается. Запертое состояние тиристора vs1 сохраняет­ся до момента подачи сигнала управления в следующем положительном полупериоде.

Аналогичные процессы происходят в отрицательный полупериод напряжения питания для тиристора VS2.

Когда в цепи нагрузки включено больше индуктивное сопротив­ление l_H, кривая тока будет непрерывной, так как энергии, запасен­ной в индуктивности в проводящую часть периода, будет достаточно для поддержания тока в непроводящую часть периода до момента вклю­чения следующего тиристора (рис,4.5,б).

Если параллельно активно-индуктивной нагрузка включить обрат­ный диод (рис.4.3,в), который "отсекает" отрицательную полуволну напряжения питания (всегда β= 180°), то интервал проводимости ти­ристоров vs1 и VS2 сокращается, до , кривые напряжения на нагрузке соответствуют случаю чисто активной нагрузки (рис.4.4,а).

Кривые напряжения между анодом и катодом тиристора U_ВK при активной нагрузке приведены на рис.4.4,б, при активно-индуктивной - на рис.4.5,в.г. Прямое напряжение на первом тиристоре и обрат­ное, когда второй тиристор заперт, равно фазовому напряжению е21. Если второй тиристор проводит ток, катод первого тиристора через работающий второй присоединяется к концу вторичной обмотки транс­форматора, напряжение на первом тиристоре становится равным двой­ному фазовому 2е_2.

Управление моментом включения тиристоров регулируемых выпря­мителей осуществляется от специального устройства. Блок УПРАВЛЕНИЕ панели ПЗ выполняет эту функцию в режиме ВЫПРЯМИТЕЛЬ, когда тумб­лер блока установлен в верхнее положение ВЫПР, перемычка соединяет стабилитрон VD3 и резистор R20. Рассмотрим формирование импульсов управления тиристорами блоком УПРАВЛЕНИЕ (рис.4.6), используя вре­менные диаграммы (рис,4,7),

Опорные импульсы частотой 50 Гц с выхода компаратора d1 пода­ются на вход дифференцирующего звена С2, R10, а также на инвертор (vt1, R12, R13), с выхода которого инвертированные опорные импуль­сы поступают на дифференцирующую цепочку C3, R11. Таким образом, на выходах дифференцирующих цепочек формируются короткие импульсы, совпадающие с фронтом и спадом опорных сигналов. Эти импульсы после нормирования по длительности (D3) используются для блокировки ком­паратора D5 и для установки начального условия интегрирования.

Интегратор состоит из следующих элементов: операционного уси­лителя d4, vt3, vd3, vd4, с4, r18, r20...r23. В момент поступления импульса установки начальных условий (с Вых_и D3) открывается тран­зистор vt3 и конденсатор c4 заряжается. По окончании импульса ус­тановки начальных условий транзистор VT3 закрывается и на выходе интегратора формируется линейно падающее напряжение. Это напряже­ние чtрез R25 подается на неинвертирующий вход компаратора D5 и сравнивается с сигналом, поступающим на инвертирующий вход компа­ратора d5 с потенциометра r15. До момента равенства напряжений на входах компаратора на его выходе формируется сигнал высокого уров­ня. Он проходит через, формирователь импульсов управления тиристо­рами D10o и поступает на входы элементов D11, D12 (2и~НЕ).На вторые входы этих элементов поступают противофазные опорные сигналы. Им­пульсы с выходов d11, D12 через элементы D13, d14 поступают на входы усилителей согласователей U3 и U4 для усиления по мощности и формирования сигнала с необходимой крутизной фронта. На выходах этих усилителей 5(7) и 6(8) получаем импульсы для управления тиристорами регулируемых выпрямителей. Оптоэлектронные пары, содержа­щиеся в усилителях-согласователях, обеспечивают гальваническую развязку цепей отдельных тиристоров и системы управления.

Регулятор напряжения переменного тока - преобразовательное устройство, которое при питании от сети переменного тока обеспечи­вает управление действующий значением переменного напряжения на нагрузке. На рис.4.8 приведена схема тиристорного регулятора напря­жения, в которой тиристоры vs1 и VS2 соединены встречно-параллель­но и включены последовательно с нагрузкой в цепь источника пере­менного тока. Для управления тиристорами используется электронная схема, включающая фазосдвигающее устройство С1, С2, r5; пороговые устройства с фиксированным порогом включения vdi, vd2; резисторы в цепях управления тиристорами ri, R2, R3, r4. Управляющий сигнал, формируемый фазосдвигающим устройством, открывает тиристоры vs1 и VS2 со сдвигом во времени друг относительно друга на половину пе­риода питающего напряжения. Момент открывания каждого из тиристо­ров относительно начала соответствующего полупериода Uc определя­ется параметрами фазосдвигающего устройства. Изменяя величину со­противления R5, можно регулировать напряжение на нагрузка вследст­вие изменения длительности открытого состояния каждого из тиристоров регулятора.

Закрывание тиристоров происходит под действием приложенного к ним напряжения обратной полярности в момент, когда ток, протекаю­щий через открытый тиристор, станет меньше удерживающего тока.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора на ак­тивную нагрузку, приведены на рис 4.9. Среднее значение выходного напряжения U_Н ср тиристорного регулятора напряжения переменного тока при работе на активную нагрузку определяется по формуле

где U_Ст - амплитуда напряжения питания: a - длительность закрытого состояния тиристоров,

При работе рассматриваемого регулятора на активно-индуктивную нагрузку (рис.4,3,б) характер процессов в нем отличается от случая работы на чисто активную нагрузку. После открывания каждого из ти­ристоров регулятора ток нагрузки нарастает медленнее и спадает до своего нулевого значения спустя некоторое время после прохождения через нулевое значение питающего напряжения. В результате этого закрывание тиристоров vs1 и vs2 не совпадает с концом соответству­ющего полупериода питающего напряжения и форма напряжения на на­грузке Uhrl значительно отличается от случая активной нагрузки U_HR.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ ПАНЕЛИ ПЗ

"РЕГУЛЯТОРУ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ”

На лицевой стороне панели ПЗ (рис.4.10) расположены измери­тельные приборы, потенциометры и нанесены графические изображения элементов, размещенных на печатных платах панели, которые состав­ляют следующие функциональные блоки: РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ПРЕОБ­РАЗОВАТЕЛЬ, ВЬНРЯМИТЕЛЬ, НАГРУЗКА, УПРАВЛЕНИЕ.

Вольтметры VI и v2 используются для измерения входных сигна­лов и сигналов с выходов исследуемых схем соответственно.

Блок РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ содержит:

регулирующие тиристоры vdi, vd2;

резисторы в цепях управления регулирующих тиристоров R1...R4; пороговые устройства с фиксированным порогом включения VD3, VD4;

Фазосдвигающее устройство c1, с2,R5 (изменение сопротивления резистора R5 производится дискретно с помощью кнопочного переклю­чателя "R5”).

Блок ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ содержит:

силовые регулирующие транзисторы vt1,..vT4;

резисторы в базовых цепях транзисторов R1...R4:

возвратные диоды VD1...VD4.

Блок ВЫПРЯМИТЕЛЬ содержит:

схему двухполупериодного мостового регулируемого выпрямителя

vd1...vd4, R1, R2;

схему двухполупериодного регулируемого выпрямителя со средней

точкой VD5, vd6, r3, r4.

Блок НАГРУЗКА содержит различные типы нагрузок, подключаемых к выходам исследуемых устройств: активная r1, активно-индуктивная R2, L, которая может быть шунтирована диодом vdi.

Блок УПРАВЛЕНИЕ содержит:

схему формирования опорных импульсов для регулируемых выпря­мителей - компаратор d1, трансформатор tv1, R1...R3;

генератор опорных импульсов для преобразователя - компаратор D2, C1,R4...R8;

схему формирования импульсов сброса – D3, vd1, vd2, С2, C3, r10, r11;

интегратор - d4, Vтз, vd3, vd4, r18...r23;

КОМПАРАТОР - d5, vt2, r17, r24...r27;

устройство задания входного напряжения - r14...r16;

формирователь импульсов управления для регулируемых выпрями­телей d10, D28;

Логику, позволяющею производить управление усилителями согласователями в двух режимах работы узла УПРАВЛЕНИЕ (ВЫПР-ПРЕОБР) -

d6 ,D9, D11. . .D14;

усилители-согласователи DA1,..DA4, vt4...vt7, vd5...VD8,

r29...r40, Ul...U4.

Блок УПРАВЛЕНИЕ может работать в двух режимах: ВЫПРЯМИТЕЛЬ и ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ.

Для перевода блока УПРАВЛЕНИЕ в режим ВЫПРЯМИТЕЛЬ необходимо установить тумблер блока в верхнее положение ВЫПР и соединить пе­ремычкой стабилитрон vds и резистор r20.

Для перевода блока УПРАВЛЕНИЕ в режим ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ необхо­димо установить тумблер блока в нижнее положение ПРЕОБ? и соеди­нить перемычкой стабилитрон vd2 и резистор R19.

В блоке УПРАВЛЕНИЕ использованы следующие микросхемы: компа­ратор К554САЗА, операционный усилитель КР544УД2А и К561ЛА7 –четыре логических элемента 2И-НЕ.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с описанием лабораторной работы, краткими сведениями из теории и элементным составом панели.

2. Получите у преподавателя номер варианта задания.

3. Включите блок УПРАВЛЕНИЕ в режим работы ВЫПРЯМИТЕЛЬ, для этого тумблер блока переключите в верхнее Положение ВЫПР, стабили­трон vd3 и резистор R20 соедините перемычкой. Один вход вольтметра v1подключите к обшей точке схемы, а другой - к потенциометру r15 (рис.4.6).

4. Исследуйте работу блока УПРАВЛЕНИЕ при заданном значении Uвх (Табл.4.1). Величина Uвх устанавливается по вольтметру v1 с помощью потенциометра r15. Зарисуйте форму напряжений в контроль­ных точках блока УПРАВЛЕНИЕ (рис.4.7) при заданном значении Uвх.

Таблица 4.1

Номер вариан­та задания	I	2	3	4	5	6	7
Номер рис.ис­следуем, схемы	4.1	4.2	4.1	4.2	4.1	4.2	4.1
Uвх ,В	2	4	5	3	1,5	2,5	3,5

5. Исследование схем двухполупериодных регулируемых выпрями­телей.

ВНИМАНИЕ: перед началом сборки схем регулируемых выпрямителей выключите напряжение питания лабораторной панели тумблером ПАНЕЛИ и включите его только после про­верки схемы преподавателем.

5.1. Соберите схему регулируемого выпрямителя в соответствии с номером варианта задания (табл.4.1) в следующей последовательно­сти:

на вход двухполупериодного регулируемого выпрямителя (рис.4.1 или 4.2) подайте напряжение от вторичной обмотки трансформатора tv1 (1:1) блока ВЫПРЯМИТЕЛЬ;

подключите выходные гнезда блока УПРАВЛЕНИЕ 5(7) и 6(8) (рис.4.6) к управляющим электродам тиристоров; общую шину схемы управления соедините с точкой 1 выпрямителя (рис..4.1, 4.2);

подключите к гнездам r_h выпрямителя соответствующую нагрузку из блока НАГРУЗКА (активную, активно-индуктивную или активно-инду­ктивную, шунтированную диодом - рис.4.3);

параллельно нагрузке подключите вольтметр v2 и осциллограф. Если схема не работает, то измените на 180° фазу напряжения питания.

5.2. Снимите и постройте зависимость угла включения тиристо­ров а от значения напряжения на входе компаратора D5, регулируемо­го потенциометром R15;

5.3. Снимите и постройте регулировочную характеристику двухполупериодного выпрямителя U_н = f(а) при а) активной, б) активно-индуктивной нагрузке, в) активно-индуктивной нагрузке, шунтиро­ванной диодом.

5.4 Зарисуйте и объясните осциллограммы напряжения на нагруз­ке U_H и напряжения между анодом и катодом Uак одного из тиристоров

а) при активной нагрузка и углах включения а = 0° и а = 90°;.

б) при активно-индуктивной нагрузке и углах включения а= 0°и а = 90°;

в) при активно-индуктивной нагрузке нагрузке, шунтированной диодом, и углах включения а = 0° и а = 90°.

6. Исследование схемы регулятора напряжения переменного тока.

6.1. Соберите схему регулятора напряжения (рис.4.8): подайте напряжение питания 36 В, 50 Гц со вторичной обмотки трансформатора tv1 (1:1) блока ВЫПРЯМИТЕЛЬ;

подключите к гнездам R_H нагрузку от блока НАГРУЗКА (активную, активно-индуктивную); параллельно нагрузке r_н включите осциллограф.

6.2. Определите величину угла включения тиристоров а при раз­личных значениях сопротивления r5 по осциллограмме напряжения на активной нагрузке. Постройте зависимость а= f (r5).

6.3. Зарисуйте и объясните форму напряжения U_н на активной и активно-индуктивной нагрузке при различных значениях r5,

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Принципиальные электрические схемы регулируемого выпрями­теля и регулятора напряжения переменного тока.

2. Экспериментальные зависимости по пл.5.2, 5.3, 6.2.

3. Графики зависимостей а= f (U_вх), U_h =f(a), а= f (r5) по пл.5,2. 5.3, 6.2.

4. Осциллограммы, снятые по пл.5.4, 6.3 с необходимыми объяс­нениями.

5. Временные диаграммы по п.4.

6. Выводы.

Схема 1. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой трансформатора

Схема 2. Регулятор напряжение переменного тока