Лабораторная работа изучение и исследование однофазного тиристорного регулятора напряжения для электропривода с универсальным коллекторным двигателем
1. Цель работы:
1. Ознакомиться с устройством и принципом работы однофазного тиристорного регулятора напряжения.
2. Исследовать основные характеристики однофазного тиристорного регулятора напряжения.
2. Основные сведения.
Регулирование скорости является одной из основных проблем привода металлорежущих станков и других производственных механизмов. Долгое время эта проблема решалась чисто механическим путем за счет применения коробок скоростей. Трудоемкость изготовления, ограниченное число ступеней переключения, невозможность автоматизировать процесс регулирования скорости являются главными недостатками такого метода.
Регулирование скорости в станкостроении и робототехнике осуществляется главным образом электрическими методами.
В регуляторах скорости двигателей постоянного тока широкое распространение получили силовые вентильные преобразователи. Вентильный преобразователь осуществляет преобразование электрической энергии - энергии переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямляет переменный ток) или, напротив, энергии постоянного тока в энергию переменного (инвертирует постоянный ток).
Для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока используются управляемые вентильные преобразователи в цепи якоря регулируемого привода или в цепи возбуждения.
В станкостроении применяются электроприводы с управляемыми тиристорными выпрямителями или транзисторными широкоимпульсными преобразователями.
В данной работе будет рассматриваться один из вариантов тиристорного регулятора напряжения.
В основе построения тиристорных преобразователей используется свойство тиристора находиться в двух устойчивых состояниях. При включении в цепь переменного тока тиристор может быть открыт в положительный полупериод при подаче импульса напряжения на управляющий электрод. После исчезновения управляющего напряжения тиристор останется в проводящем состоянии до тех пор, пока анодное напряжение не станет равно нулю.
Вольтамперная характеристика тиристора представлена на рис.1.а.
Если на тиристор подать напряжение обратной полярности (Uобр.), т.е. на анод А -минус, а на катод К - плюс, то через него будет протекать небольшой ток Iоб (участок 1). Он увеличивается незначительно при увеличении обратного напряжения до определенного значения, которое называется напряжением пробоя Uпроб. При напряжениях больших Uпроб, обратный ток быстро возрастает и происходит пробой p-n перехода. Если нет напряжения на управляющем электроде (т.е. при отсутствии управляющего тока), то подача прямого напряжения на тиристор (плюс - на анод, минус - на катод) вызывает протекание небольшого тока в прямом направлении. Если напряжение Uпр меньше определенного значения, соответствующего напряжению переключения (Uпер), то тиристор ведет себя так же, как при обратном напряжении. Этот участок 2 вольтамперной характеристики тиристора называется
участком низкой проводимости.
При достижении напряжением значения Uпер тиристор откроется и перейдет на участок высокой проводимости 3, а ток через него будет определяться нагрузкой внешней цепи. Падение напряжения на тиристоре на участке высокой проводимости примерно 0.5 - 1В.
При наличии тока управления (плюс напряжения управления) подается на управляющий электрод, а минус на катод, напряжение перехода тиристора в открытом состоянии будет снижено. На рис.1.а показано несколько значений Uпер, при которых происходит открытие тиристора. При достаточно больших токах управления участок низкой проводимости практически отсутствует. Тиристор открывается за очень короткое время 5-10 мкс поэтому, как правило, для открытия используются короткие импульсы управления.
Применение тиристора в однополупериодной схеме выпрямителя (рис.1.б) дает возможность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке Zн. Если подать управляющие импульсы в тиристор в моменты времени 0, T, 2T и т.д., то работа схемы с тиристором будет аналогична схеме работы с диодом. При этом говорят, что управляющие импульсы подаются в точках естественного открытия.
Если подавать управляющие импульсы с некоторым отставанием по времени относительно точки естественного открытия, то управляемый вентиль будет открываться позже и проводить неполную часть периода. На рис.1.в приведены временные диаграммы, на которых изображены кривая ЭДС e (1), управляющие импульсы Uу, подаваемые на тиристоры (2) и графики выпрямленной ЭДС ed (3,4), соответствующие фазному сдвигу открывающих импульсов относительно точки естественного открытия.
Рис. 1. Вольтамперная характеристика тиристора (а), схема (б) и временные
диаграммы (в) тиристорного однополупериодного выпрямителя.
Угол называется углом запаздывания или углом управления.
= c t , (1)
где c - круговая частота напряжения питания, определяется через частоту питания fс по выражению: c =2 fс .
Кривая 3 (рис.1.в) соответствует работе тиристорного выпрямителя на активную нагрузку, а кривая 4 – на реактивную. Здесь длительность протекания тока в нагрузке больше половины периода, т.к. ЭДС самоиндукции нагрузки способствует протеканию тока нагрузки на участке T/2 - t2. За счет этого средняя выпрямленная ЭДС Ed существенно меньше, чем при активной нагрузке (определяется по разности площадей фигур над осью и под осью времени).
При работе однополупериодной схемы с тиристором на индуктивную цепь обычно параллельно нагрузке включают разрядный диод VD (рис.1,б). При этом зависимость
ed = f ( ) такая же, как и для активной нагрузки.
Для подавления гармонических составляющих в тиристорные преобразователи часто последовательно с якорем двигателя включают дроссель (реактор), который обладает большим индуктивным (реактивным) сопротивлением и наряду с индуктивностью якорной обмотки играет роль индуктивного фильтра.
Открывающие импульсы в системах управления электроприводами подаются на тиристор от системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Назначение СИФУ в системах тиристорного электропривода заключается в преобразовании непрерывного сигнала в импульсный сигнал управления, фаза которого
изменяется пропорционально входному воздействию.
Среди большого разнообразия схем тиристорных приводов следует различать схему однополупериодного выпрямления, рассмотренную выше и двухполупериодного выпрямления (рис.2.а), а также схемы с питанием от одно- и трехфазной сети управления.
На рис.2,б (1) приведены временные диаграммы ЭДС двух фаз вторичной обмотки трансформатора e и e, управляющих импульсов (2 - 3) Uу и Uу, а также напряжения на нагрузке (4) Ud = ed , иллюстрирующих работу такой схемы на активную нагрузку при угле управления . По сравнению с однополупериодной схемой выпрямления здесь в два раза больше частота пульсаций выпрямленной ЭДС и в два раза больше среднее значени е (Eа).
Зависимость среднего значения выпрямленной ЭДС от угла регулирования для преобразователя, работающего в режиме непрерывного тока пропорционально cos :
Ed = Ed0 cos , ( 2 )
где Ed0 - среднее выпрямленное значение напряжения при = 0.
Наибольшее распространение получили трехфазные схемы с нулевым выводом питающего трансформатора и мостовые (рис.3, а, б).
В нулевых схемах (рис.3,а) нагрузка, например якорь двигателя, подключается к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Тиристоры включены в каждую фазу и могут быть объединены своими катодами или анодами. В первом случае говорят о катодной группе тиристоров, а во втором - об анодной. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока последовательно с нагрузкой включен реактор L. В нулевой схеме используется только одна полуволна переменного напряжения в каждой фазе. Мостовая схема может быть получена при последовательном соединении двух нулевых схем: анодной и катодной (рис.3,б). В мостовой схеме используются обе полуволны переменного напряжения, однако число тиристоров вдвое больше, чем в нулевой схеме.
В трехфазной нулевой схеме выпрямления (см. рис.3,а) вторичные ЭДС различных фаз трансформатора ea, eb, ec, сдвинуты на угол 1200. Рассмотрим работу управляемого преобразователя на активную нагрузку. На рис.3.в,г приведены временные диаграммы, показывающие, как изменяются во времени фазные ЭДС ea, eb, ec, управляющие импульсы Uуа,Uуb,Uус, подаваемые на тиристоры, и выпрямленная ЭДС ed при = 0 (рис.6,а) и
= 1200 (рис.3,б). Угол отсчитывается от точек естественного открытия (точка 1 - в фазе а, точка 2 - в фазе в, точка 3 - в фазе с ). В точке естественного открытия мгновенные значения ЭДС очередной фазы становятся больше, чем в любой из двух очередных фаз. При подаче открывающих импульсов с углом , равным нулю, управляемый преобразователь обеспечивает на входе такую же ЭДС ed,, как и неуправляемый (когда вместо тиристоров включены выпрямительные диоды). Увеличив угол , можно снизить среднее значение выпрямленной ЭДС Ed (см. рис.3,г, где = 1200).
Рис. 2 Однофазная двухполупериодная схема тиристорного выпрямителя (а)
и временные диаграммы (б) его работы.
Рис.3. Нулевая (а) и мостовая (б) схемы тиристорных управляемых выпрямителей.
Временные диаграммы трехфазной нулевой схемы выпрямления (в). 1: = 0; 2: = 1200.