close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Mart

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ № 4–6
Санкт-Петербург
2009
Составители: Рецензент Под редакцией кандидат технических наук, доцент А. А. Мартынов,
Е. А. Глаголев, А. В. Шишлаков
кандидат технических наук М. В. Бураков
А. А. Мартынова
Излагаются методы исследования основных энергетических и
стационарных электромагнитных процессов полупроводниковых
преобразователей электрической энергии, приводятся основные
расчетные соотношения энергетических процессов, описание лабораторных стендов и порядок выполнения лабораторных работ.
Предназначены для студентов специальностей «Промышленная электроника», «Электромеханика», «Роботы и робототехнические комплексы».
Подготовлены кафедрой информационных технологий в электромеханике и робототехнике и рекомендованы к изданию
редакционно-издательским советом Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор А. В. Семенчук
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 30.04.09. Подписано к печати 04.06.09.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 5,25.
Уч.-изд. л. 5,1. Тираж 250 экз. Заказ № 406.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© ГУАП, 2009
Лабораторная работа № 4
Исследование управляемых выпрямителей
Цели лабораторной работы:
1) закрепление и углубление лекционного материала по
основным характеристикам, свойствам, особенностям работы и
устройству трехфазных и шестифазных схем выпрямления;
2) изучение стационарных электромагнитных процессов, протекающих в реальных трехфазных и шестифазных схемах выпрямления;
3) получение практических навыков и знаний по экспериментальным исследованиям полупроводниковых устройств преобразовательной техники;
4) исследование характеристик управляемых выпрямителей
на ЭВМ с помощью программы-тренажера (УИРС);
5) развитие умения анализировать результаты экспериментальных и теоретических исследований и делать физически обоснованные выводы и практические рекомендации по применению многофазных схем управления.
4.1. Методические указания
по подготовке к выполнению работ
Изучить по литературным источникам [1, 2] устройство и
принцип действия, основные свойства и расчетные соотношения исследуемых схем управляемых выпрямителей. Изучить
устройство и принцип действия системы управления лабораторного макета. Ознакомиться с устройством лабораторной установки, номинальными данными исследуемых схем управляемых
выпрямителей, последовательностью включения, изменения
параметров нагрузки и включения выпрямителей. Ознакомиться с назначением, условиями применения и описанием работы
программы-тренажера. Вычертить таблицы в соответствии с
программой работ.
3
Примечание. Подготовка к выполнению лабораторной работы проводится студентами во внелабораторное время в дни, предшествующие выполнению работы.
4.2. Силовые схемы исследуемых выпрямителей
Выпрямитель предназначен для преобразования переменного
тока любого количества фаз в постоянный ток. Все выпрямители
можно разделить на два больших класса – управляемые и неуправляемые. Управляемые выпрямители выполняются на тиристорах, а неуправляемые – на диодах.
Необходимым условием для открытия вентиля выпрямителя
является положительный потенциал анода относительно катода,
а для управляемого выпрямителя необходимо также наличие
управляющего импульса на управляющем электроде. Выключение вентиля выпрямителя, диода или тиристора происходит
в момент уменьшения потенциала анода относительно катода до
нуля или в момент смены потенциала анода относительно катода
с положительного на отрицательный.
Процесс перехода тока с одного вентиля выпрямителя на другой, происходящий под воздействием ЭДС вторичной обмотки
трансформатора, а тем самым под воздействием напряжения
сети, называется естественной коммутацией или коммутацией за счет напряжения сети.
На лабораторном стенде можно выполнить исследование шести схем выпрямления:
− однофазной мостовой;
− трехфазной с нулевым выводом;
− трехфазной мостовой;
− шестифазной с нулевым выводом;
− двойной трехфазной с уравнительным реактором;
− кольцевой.
Однофазная мостовая схема выпрямления
Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя
приведена на рис. 4.1, а. Четыре тиристора V1, V3, V4, V6 соединены по мостовой схеме [1]. Напряжение вторичной обмотки
трансформатора ua1b1 подключено к точкам соединения анода
вентиля V1 с катодом вентиля V4 (точка а1) и анода вентиля V3
и катода вентиля V6 (точка b1). Таким образом, на лабораторном
4
а)
7
ª
31
›
™
7
C
1"
1"
'
18
16
B
7
1" 16
6B6C 6D
16
7
Z Z
4
V
б)
VB C
VE
6EA
W U
L
P
W U
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
J
*E
д)
P
JW
*E
г)
P
VW
6WǺÉNBY = 2 6Í
A
в)
P
W U
J
Id
kòð
W U
Рис. 4.1. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д)
однофазного мостового выпрямителя
5
а)
5
ª
1"
D
18
31
›
™
C
1"
1"
'
18
B
7 7 7
16
6B6C 6D
16
1" 16
Z Z Z
4
À
б)
VB C
VC
VÉ
VE
L
W U
P
P
P
P
A
VB
6WǺÉNBY = 66Í
в)
JW
W U
*E
P
г)
P
P
P
JB
W U
*E
P
д)
J"
P
* E LËQ
P
* E
LËQ
P
P
P
W U
P
P
Рис. 4.2. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д)
трехфазной мостовой схемы выпрямителя с нулевым выводом
6
стенде напряжение ua1b1 является линейным напряжением вторичной обмотки. Общая точка катодов вентилей V1 и V3 является положительным полюсом выходного напряжения, а общая
точка анодов вентилей V4 и V6 является отрицательным полюсом выходного напряжения Ud. Нагрузка Rd–Ld и измерительные приборы цепи постоянного тока PV4 и PA6 подключены к
выходу выпрямителя.
Внимание. При измерении напряжения переменного тока,
подаваемого на вход выпрямителя, необходимо показания вольтметра PV2 умножить на 3.
Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом
В трехфазной схеме выпрямления с нулевым выводом трансформатора, приведенной на рис. 4.2, три вентиля V1, V3, V5 подключены анодами к фазам a1, b1, c1 вторичных обмоток трансформатора Т1 [1]. Катоды этих вентилей объединены в общую
точку, которая служит положительным полюсом выходного напряжения. Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора
служит отрицательным полюсом выходного напряжения. Нагрузка выпрямителя подключена к общей точке катодов вентилей схемы и нулевой точке вторичной обмотки трансформатора.
Трехфазная мостовая схема выпрямления
В трехфазной мостовой схеме выпрямления, приведенной на
рис. 4.3, вентили объединены в две группы:
− катодную, вентили V1, V3, V5, у которой в общую точку
объединены выводы катодов вентилей, а аноды присоединены к
фазам a1, b1, c1 вторичных обмоток трансформатора [1];
− анодную, вентили V2, V4, V6 у которой в общую точку объединены выводы анодов вентилей.
Нагрузка выпрямителя подключена между общей точкой
анодов (отрицательный полюс) и между общей точкой катодов
(положительный полюс).
Шестифазная схема выпрямления с нулевым выводом
В шестифазной схеме выпрямления с нулевым выводом обмотки трансформатора, приведенной на рис. 4.4, все вентили
схемы подключены анодам к выводам шестифазной вторичной
обмотки трансформатора a1, b1, c1, x2, y2, z2. Выводы вторичных
7
7
5
а)
31
›
™
7 7
Z Z Z B
1" 18
-E
C
ª
1"
1"
'
18
B
7 7 7
16
6B6C 6D
16
Z Z Z
16
1"
4
V
VE
L
б)
W U
A
P
P
6W
в)
6WǺÉNBY = 6 6Í
JW
W U
*E
P
P
P
P
P
P
P
sP
P
P
P
sP
P
sP
JW
г)
J¸
д)
P
sP
W U
*E
P
е)
P
P
W U
J"
* ELËÉ
P
* E LËÉ
P
W U
P
Рис. 4.3. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д, е)
трехфазной мостовой схемы выпрямителя
8
4
16
а)
6B6C 6D
1"
18
7
7
5
1"
18
1"
18
-E
ª
7
™
7
7
1"
1"
'
18
16
16
16
Z
31
›
Z
Z 1"
7
Z
3E
C 1"
Z
Z
6B6C 6D
4
б)
V
VE
L
W U
A
P
P
P
P
6W
6WǺÉNBY = 2 6Í
в)
г)
JW
*E
J"
W U
P
P
P
P
¾
P
¾P
W U
P
P
* E LËQ
Рис. 4.4. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г)
шестифазной схемы выпрямителя с нулевым выводом
9
4
16
а)
6B6C 6D
1"
18
7
7
ª
1"
- ʽ
31
›
18
1" 18
1"
'
Z 1"
Z
16
-ÌÉ
™
7
Z
7
Z
3E
7 C
1"
Z
7
1" 18
Z
16
16
6B6C 6D
4
б)
V
VE
L
P
W U
P
P
P
A
6W
6WǺÉNBY = 2 6Í
в)
ÀÂ
W U
P
г)
P
P
P
JW J¸
* E
W U
P
P
P
P
Рис. 4.5. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г) двойной трехфазной схемы выпрямителя с уравнительным реактором
10
обмоток x1, y1, z1, a2, b2, c2 объединены в одну точку – нулевой
вывод, который служит отрицательным полюсом выходного напряжения. Катоды вентилей V1, V3, V5, V2, V4, V6 объединены в
общую точку, являющуюся положительным полюсом выходного
напряжения.
Нагрузка подключена между общей точкой катодов вентилей
и нулевым выводом вторичных обмоток трансформатора.
Двойная трехфазная схема выпрямления
с уравнительным реактором
Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным
реактором, приведенная на рис. 4.5, состоит из двух трехфазных
однотактных выпрямителей, каждая из которых соединена со
своей трехфазной обмоткой. Причем, если нечетная группа вентилей V1, V3, V5 соединена с началом обмоток a1, b1, c1, то четная группа вентилей V2, V4, V6 соединена с концами обмоток x2,
y2, z2. Между общими точками вентилей V1, V3, V5 и V2, V4, V6
включен уравнительный реактор, обмотка которого имеет вывод
средней точки 02. Нагрузка выпрямителя подключена между
средней точкой уравнительного реактора 02, являющегося положительным полюсом, и нулевой точкой трансформатора, являющейся отрицательным полюсом [2].
Кольцевая схема выпрямления
Кольцевая схема выпрямления, приведенная на рис. 4.6, представляет собой блок из шести вентилей, соединенных в кольцо. К
точкам соединения анодов вентилей V1 и V2, V3 и V4, V5 и V6 подключены начала одной из двух трехфазных обмоток, соединенных
в звезду, (фазы a1, b1, c1). К точкам соединения катодов вентилей
V4 и V5, V1 и V6, V2 и V3 подключены начала второй трехфазной
обмотки, соединенной также в звезду (фазы a2, b2, c2).
Нагрузка подключена к нулевым точкам вторичных обмоток
трансформатора x1, y1, z1 и x2, y2, z2. Положительным полюсом
является нулевая точка той трехфазной обмотки трансформатора, начала которой подключены к точкам соединения катодов
вентилей – нулевая точка x2, y2, z2. Отрицательным полюсом является нулевая точка той трехфазной обмотки трансформатора,
начала которой подключены к нулевым точкам соединения анодов вентилей x1, y1, z1.
11
4
а)
16
6B6C 6D
1" 18
5
7
7
7
Z
B
Z
Z
C
ª
™
1"
'
D -E
1" 18
31
›
D
1" 18
16
3E
C
1" 18
Z
6B6C 6D
16
B
7 7
Z
16
7
1"
Z
4
VE
V L
б)
P
A
в)
г)
д)
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
*E
JB
P
е)
P
6CB 6DC 6BC 6BD 6CD
6W
6WǺÉNBY = 6 6Í
W U
JW *E
J¸
W U
P
*E
P
J"
6ÉB
W U
W U
W U
P
P
P
P
Рис. 4.6. Силовая схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д, е)
кольцевого выпрямителя
12
4.3. Стационарные электромагнитные процессы
управляемых выпрямителей
Суть исследования стационарных электромагнитных процессов управляемых выпрямителей в лабораторной работе заключается в определении характера изменения во времени токов и
напряжения элементов схемы, а также в определении влияния
характера нагрузки на форму токов и напряжений элементов
схемы. Осциллограммы токов и напряжений снимаются с экрана осциллографа.
Временные диаграммы токов и напряжений исследуемых
схем управляемых выпрямителей построены на рис. 4.1, б–д,
рис. 4.2, б–д, рис. 4.3, б–е, рис. 4.4, б–г, рис. 4.5, б–г, рис. 4.6,
б–е.
Однофазная мостовая схема выпрямления
На рис. 4.1, б построены:
− кривая напряжения переменного тока ua1b1, подаваемого на
вход выпрямителя;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1.
На рис. 4.1, б отмечены:
− uVобр max = √2U2ф – максимальное обратное напряжение на
вентиле V1;
− α – угол регулирования;
− k – точка естественного зажигания вентиля V1 – точка пересечения напряжения Ua1b1 с осью абсцисс (ωt).
− На рис. 4.1, в построена кривая тока вентиля V1–iV1;
− на рис. 4.1, г построена кривая тока фазы вторичной обмотки трансформатора i2.
На рис. 4.1, д построена кривая тока фазы первичной обмотки
трансформатора i1.
Трехфазная схемы выпрямления с нулевым выводом
На рис. 4.2, б построены;
− кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора Т1–ua1, ub1, uc1;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1.
На рис. 4.2, б отмечены:
13
– UVобр max = √6U2ф – максимальное обратное напряжение на
вентиле V1;
– α – угол регулирования;
– k – точка естественного зажигания – точка пересечения кривых фазных напряжений.
На рис. 4.2, в–д построены кривые токов вентиля V1–iV1,
фазы a1 вторичной обмотки трансформатора ia1, фазы А первичной обмотки трансформатора iA соответственно.
Трехфазная мостовая схема выпрямления
На рис. 4.3 построены:
− кривые линейных напряжений вторичной обмотки трансформатора Т1–Ua1b1, Ub1c1, Uc1a1;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1.
На рис. 4.3, в–е построены кривые токов вентиля V1–iV1; вентиля V4–iV4, фазы a1 вторичной обмотки трансформатора фаза А
первичной обмотки трансформатора iА соответственно.
Шестифазная схема выпрямления с нулевым выводом
На рис. 4.4, б построены:
− кривые фазных напряжений первичной обмотки трансформатора Т1 ua1, ub1, uc1, ua2, ub2, uc2;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1.
На рис. 4.4, в, г построены кривые токов вентиля V1–iV1, фазы
a1 вторичной обмотки трансформатора iа1, iv1 = ia1 фазы А первичной обмотки трансформатора iA соответственно.
Двойная трехфазная схема выпрямления
с уравнительным реактором
На рис. 4.5 построены:
− кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора Т1–ua1, ub1, uc1, ua2, ub2, uc2;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1.
На рис. 4.5, в построена кривая напряжения обмотки уравнительного реактора. На рис. 4.5, г построена кривая тока вентиля
V1–iV1 и фазы a1 вторичной обмотки трансформатора, iv1 = ia1.
14
Кольцевая схема выпрямления
На рис. 4.6, б построены:
− кривые линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора Т1–ua1b2, ub1c2, uc1a1 ub1a1, uc1a2, uc1b2;
− кривая выпрямленного напряжения ud;
− кривая напряжения на вентиле V1–uV1;
На рис. 4.6, в–е построены кривые токов вентиля V1–iV1, фаз
a1 и a2 вторичных обмоток трансформатора Т1 ia1 и ia2, фазы А
первичной обмотки трансформатора Т1–iА, соответственно.
4.4. Характеристики управляемых выпрямителей
Внешняя характеристика
Внешняя характеристика управляемого выпрямителя представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока, т. е.
Ud = f(Id) при неизменных значениях угла регулирования α и напряжения питающей сети U1.
При снятии внешней характеристики управляемого выпрямителя необходимо установить заданный угол регулирования α
и изменить сопротивление нагрузки от Rd = ∞ до такого значения, при котором ток нагрузки Id станет равным номинальному,
т. е. Id = IdN.
В общем виде внешняя характеристика управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке определяется соотношением
Ud = Ud0cosα–ΔUx – ΔUR–kтΔUV,
(4.1)
где Ud0 = kсхU2Ф – среднее значение выпрямленного напряжения Ud при значениях угла регулирования α = 0 и тока нагрузки
Id = 0; kcx – коэффициент схемы определяется схемой выпрямления.
Значения kcx для исследуемых схем выпрямления приведены
в табл. 1, ΔUx = kтm2xSId/(2p) – падение напряжения, вызванное
процессом коммутации при значения угла коммутации γ ≠ 0; ΔUR
= RсхId – падение напряжения на активных сопротивлениях элементов выпрямителя; kт – коэффициент тактности выпрямителя,
равный 1 для однотактных систем и 2 для двухтактных систем;
ΔUV – падение напряжения на открытом вентиле; m2 – число фаз
напряжения, питающего схему выпрямления; xS – индуктивное
15
сопротивление рассеяния обмоток трансформатора, приведенное
ко вторичной стороне
Rсх = RLd + RLy + kтRФ + Rс.п,
(4.2)
где RLd – активное сопротивление обмотки дросселя Ld при
активно-индуктивной нагрузке; RLy – активное сопротивление
полуобмотки уравнительного реактора Ly. Необходимо учитывать только для двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором; Rс.п – активное сопротивление соединительных проводов; RФ – активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное ко вторичной стороне.
На рис. 4.7 приведены внешние характеристики управляемых
выпрямителей при различных углах управления α. Характеристика 2 соответствует двойной трехфазной схеме выпрямления с
уравнительным реактором (см. рис. 4.5, а).
Таблица 4.1
Фазы
выпрямителя
Трехфазная
с нулевым выводом
Трехфазная
мостовая
схема выпрямления
Шестифазная
с нулевым выводом
Двойная трехфазная схема
выпрямления
с уравнительным реактором
Кольцевая
Расчетные соотношения исследуемых схем выпрямителей
Iâñð Uvîáð max iv max
Id
Id
Ud
kcx
I2
Id
S2
Pd
S1
Pd
Sò
Pd
kï
fï
fñ
1/3
2,09
1
1,17 0,578 1,48 1,21 1,35 0,250 3
1/3
1,045
1
2,34 0,817 1,05 1,05 1,05 0,057 6
1/6
2,09
1
1,35 0,41 1,81 1,28 1,55 0,057 6
1,17
1,35
1/6
2,09
0,5
1/6
2,09
1
0,288 1,48 1,05 1,34 0,057 6
2,34 0,578 1,48 1,05 1,27 0,057 6
Характеристика 1 соответствует остальным схемам выпрямления. Излом характеристики 2 в точке Id = Idкр связан с изменением режима работы выпрямителя. При токах Id < Idкр этот
выпрямитель работает в режиме шестифазного выпрямления.
16
6EA 6E
Ao
Ao
Ao
Ao
œÉ¹ÆÁϹ
ÈɾÉÔ»ÁÊËÇÊËÁ
ËÇù
Ao
*E *E/
* EÃÉ
Рис. 4.7. Внешние характеристики управляемых выпрямителей
Наклон внешних характеристик не зависит от угла регулирования α.
Сплошные линии характеристик соответствует режиму непрерывных токов, а пунктирные линии – режиму прерывистых
токов.
Глубина зоны прерывистых токов нагрузки, отмеченная на
рис. 4.7 штрихпунктирной линией, зависит от наличия и величины индуктивности нагрузки, схемы выпрямления и величины
угла регулирования α.
При Ld = ∞ ток нагрузки носит непрерывный характер во всем
диапазоне изменения угла регулирования α. Длительность ведения тока вентилем постоянна и равна
λ=
2π
.
m2
(4.3)
При активном характере нагрузки (Ld = 0) режим непрерывного тока имеет место только в диапазоне изменения α: 0≤α≤αгр.
При α>αгр имеет место режим прерывистого тока и λ<2π/m2.
Граничное значение угла регулирования α:
π
π
α ãð = .
2 kò m2
(4.4)
17
Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Udα от величины угла регулирования α при постоянном токе нагрузки и
величине входного напряжения U2, т. е. Ud = f(α) при Id = const;
U2 = const.
Таким образом, при снятии регулировочной характеристики
необходимо изменять угол регулирования α от 0 до величины α =
αзап, при котором среднее значение выпрямленного напряжения
становится равным нулю. При этом сопротивление нагрузки необходимо изменять так, чтобы ток нагрузки Id оставался бы постоянным во всем диапазоне изменения угла α.
На рис. 4.8 приведены регулировочные характеристики
управляемых выпрямителей. Если ток нагрузки носит непрерывный характер на всем диапазоне изменения угла регулирования α, то регулировочная характеристика выпрямителя определяется зависимостью
Udα = Ud0cosα
(4.5)
6EA 6E
-E LË N -E L N Ë -E d
-E LË N o
o
o
o
o
o
Рис. 4.8. Регулировочные характеристики
управляемых выпрямителей
18
A
или в относительных единицах
Udα
= cos α.
Ud0
При Ld = 0 и α > αгр регулировочная характеристика определяется зависимостью
æ
π ö÷
÷
1 - sin çççα kò m2 ÷ø÷
è
Udα = Ud0
.
π
2 sin
kò m2
(4.6)
Приняв числитель выражения (4.6) равным нулю, определим
значение угла, при котором происходит запирание выпрямителя
α = αзап
α çàï =
π
π
+
.
2 kò m2
(4.7)
Расчетные соотношения
исследуемых схем выпрямления
Сравнение исследуемых схем выпрямления проводят по следующим расчетным соотношениям:
Iвср/Id – среднее значение тока вентиля в долях Id;
UVобр max/Ud – обратное пиковое напряжение вентиля в долях
Uα;
iv max/Id – пиковое значение тока вентиля в долях Iα;
kсх – коэффициент схемы выпрямления;
I2/Id – эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора в долях;
S2/Pd – мощность вторичных обмоток трансформатора в долях Pd = Ud0IdN;
S1/Pd – мощность первичных обмоток трансформатора в долях Pd;
Sт/Pd – устанавливаемая мощность трансформатора в долях
Pd.
Для двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором при расчете установленной мощности оборудования вместе с установленной мощностью трансформатора Sт/Pd
19
учитывают и установленную мощность уравнительного реактора
Sy/Pd.
Расчетные соотношения исследуемых схем выпрямления
приведены в табл. 4.1.
Коэффициент мощности
управляемого выпрямителя
Коэффициент мощности управляемого выпрямителя x является собирательным понятием и характеризует одновременное
потребление выпрямителем из сети активной мощности Р1(1),
реактивной мощности Q1 и мощности искажения Т1
x=
P1(1)
P12(1)
+ Q12
+ T12
=
P1(1)
S1
=
m1U1I1(1) cos ϕ1
m1U1I1
=
I1(1)
I1
cos ϕ1, (4.8)
где I1(1) – действующее значение основной гармоники тока, потребляемого выпрямителем из сети.
Отношение токов I1(1)/I1 = kи называется коэффициентом
искажения. Параметр cosj1 = kсдв называется коэффициентом сдвига. Учитывая, что j ≅ α + γ/2, коэффициент сдвига
kсдв = cosj1(α + γ/2).
Угол коммутации γ определяется из соотношения
é
km x I ù
γ = arccos ê cos α - ò 2 S d ú - α. ê
πUd0 úû
ë
(4.9)
Для случая активно-индуктивной нагрузки
kè =
kò
π
sin
.
m2
kò m2
(4.10)
Коэффициент полезного действия управляемого выпрямителя можно определить из соотношения
η=
Pd
Pd
Pd
=
=
,
P1 Pd + ∆P m1U1I1 cos ϕ1
где Pd = UdId –
∆P = Id2Rñõ + kò ∆UV Id ;
20
мощность
потребляемая
∆P = Id2Rñõ + kò ∆UV Id . (4.11)
нагрузкой;
(4.12)
4.5. Программа-тренажер
Назначение и условия применения программы-тренажера.
Программа-тренажер «Моделирование работы управляемых выпрямителей» предназначена для обучения студентов основам
силовой преобразовательной техники по курсу «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии». Работа с программой осуществляется непосредственно перед началом работы
на учебном стенде «Управляемые выпрямители». Занятия проводятся под наблюдением одного преподавателя.
Программа написана на языке ПАСКАЛЬ и функционирует в
операционной среде RT-II (V5.02) c SJ-монитором на ЭВМ. Для
работы с программой необходимы следующие технические средства и базовое математическое обеспечение:
− электронно-вычислительная машина;
− дисплей типа VT-52 VGD-7209;
− устройство внешней памяти на магнитном диске;
− устройство печати типа DZM-180;
− операционная система RT-II V5.02.
Правила работы на ЭВМ. Перед началом занятий дежурный
оператор загружает в память ЭВМ программу-тренажер, и на
дисплее появляется заставка с названием лабораторной работы.
Для работы с программой в диалоговом режиме обучаемый
должен усвоить назначение следующих клавиш терминала:
<CR> – клавиша завершения ввода текста или числа;
<DEL> – клавиша для забоя последнего неверно веденного
символа (действует до нажатия клавиши <CR>);
<SHIFT> – клавиша переключения верхнего и нижнего регистра клавиатуры терминала;
<CAPS> – клавиша переключения русского и латинского алфавитов.
Описание работы программы. Программа обеспечивает моделирование следующих схем выпрямителя: однофазного мостового, трехфазного с нулевым проводом, трехфазного мостового, шестифазного с нулевым проводом и получение их регулировочных
и внешних характеристик при активной и активно-индуктивной
нагрузке.
В начале работы запрашивается фамилия и номер группы обучаемого:
ВВЕДИТЕ ВАШУ ФАМИЛИЮ
? ИВАНОВ
21
ВВЕДИТЕ НОМЕР ГРУППЫ
? 3521
Ввод фамилии следует производить, предварительно переключив русский регистр нажатием клавиши <CAPS>. Если фамилия введена латинским шрифтом, то запрос повторяется.
Затем в верхней части экрана появляется список типа «меню»
(главное «меню»), из которого по заданию преподавателя выбирается номер исследуемой схемы:
КАКУЮ СХЕМУ БУДЕТЕ ИССЛЕДОВАТЬ?
1 – ВЫПРЯМИТЕЛЬ ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ
2 – ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТРЕХФАЗНЫЙ С НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ
3 – ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ
4 – ВЫПРЯМИТЕЛЬ ШЕСТИФАЗНЫЙ С НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ
5 – ПЕЧАТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
6 – КОНЕЦ РАБОТЫ
?–
Если обучаемый ввел 6, то программа завершает свою работу.
Если обучаемый ввел цифру из диапазона 1–4, то на экран выводится запрос:
КАКУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ БУДЕТЕ СНИМАТЬ?
1← – РЕГУЛИРОВОЧНУЮ (ИДЕАЛЬНУЮ)
2← – ВНЕШНЮЮ
Внимание! Внешняя характеристика снимается при активноиндуктивной нагрузке.
Идеальная регулировочная характеристика рассчитывается
без учета падения напряжения на элементах схемы и при токе
нагрузки, не превышающем 0,2 от предельного тока вентиля.
?–
Если введена цифра 1, то на экран выводится запрос:
С КАКОЙ НАГРУЗКОЙ БУДЕТЕ РАБОТАТЬ?
1← – АКТИВНАЯ
2← – АКТИВНО-ИНДУКТИВНАЯ
?–
Маркер-подсказка последовательно опрашивает графы таблицы. Обучаемый вводит исходные данные, а программа автоматически проверяет введенные значения и в случае обнаружения
ошибок выводит на экран сообщения:
СЛИШКОМ БОЛЬШОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ФАЗЫ
СЛИШКОМ ВЕЛИК ЗАДАВАЕМЫЙ ТОК НАГРУЗКИ
22
После заполнения последней графы таблицы ниже на экран
выводится сообщение:
МОЖЕТЕ ОТРЕДАКТИРОВАТЬ ДАННЫЕ
<H> – СПРАВКА
Для получения справочной информации обучаемый может
нажать на клавишу <H>, и на экран будет выведена следующая
информация:
<↓↑> – ВЫБОР ПАРАМЕТРА
<→> – КОНЕЦ РЕДАКТИРОВАНИЯ
Процесс редактирования исходных данных заключается в
следующем.
При многократном нажатии на клавиши < стрелка вверх >
или < стрелка вниз > обучаемый устанавливает маркер на нужной графе таблицы. Для фиксации выбранной графы (параметра)
следует нажать клавишу < пробел >, после чего поле значений
параметра очистится. Обучаемый может ввести новое значение
параметра и нажать клавишу <CR>. Маркер останется в той же
графе. Затем, если необходимо, следует перевести маркер в другую графу и повторить вышеуказанные действия. Для окончания редактирования следует нажать клавишу <→>.
Затем на экран выводится кадр, в нижнем правом углу которого под изображением схемы выпрямителя выводятся введенные
пользователем параметры вентиля. В верхнем левом углу экрана
индицируется таблица, в которой динамически отображаются
текущие величины регулировочной характеристики. Обучаемый
должен ввести текущие значения угла регулирования α и подобрать сопротивление и подобрать сопротивление Rd, при котором
текущее значение тока нагрузки будет равно заданному току нагрузки с точностью 10 %. Если текущее значение тока нагрузки
превышает заданное, то выводится сообщение:
ТОК НЕ РАВЕН ЗАДАННОМУ
И программа ожидает нового значения сопротивления до тех
пор, пока не будет выполнено равенство токов. При неправильном подборе значения сопротивления могут возникнуть аварийные режимы работы выпрямителя, о чем программа сообщает
обучаемому следующим предупреждением:
ВЫ ПРЕВЫСИЛИ ПРЕДЕЛ ВЕНТИЛЯ ПО ТОКУ
При этом вышедшие из строя вентили закрашиваются на изображении электронной схемы. Если введен угол регулирования,
превышающий максимальный для выбранной схемы выпрямителей, то выводится сообщение:
23
ВЫ ОШИБЛИСЬ! ДИАПАЗОН УГЛА ALFA
…<ALFA<…
И обучаемому предлагается вновь ввести значение угла регулирования.
Программа фиксирует 8 изменений при различных значениях угла регулирования. После этого выводится запрос
НАЖМИТЕ <CR>
После нажатия клавиши <CR> на экране появляется главное
«меню». Обучаемый должен выбрать код 5 для вывода результатов моделирования регулировочной характеристики.
На экран выводится запрос:
ВЫВОД РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА:
1 ← НА ПЕЧАТЬ
2 ← НА ЭКРАН
3 ← НЕ ВЫВОДИТЬ
?
Если введен код 1, то на устройстве печати выводится фамилия и группа обучаемого, основные параметры схемы, пояснения
к таблице и сама таблица. По окончании вывода на экран выводится следующий запрос:
ГРАФИКИ ВЫВОДИТЬ?
1 – ДА
2 – НЕТ
Если выбран код 1, то на устройство печати выводится график
регулировочной характеристики. По горизонтальной оси (ось Х)
откладывается угол регулирования (в радианах), по вертикальной оси (ось У) – выходное напряжение выпрямителя. Под графиком приведена таблица, в которой указаны максимальные и
минимальные значения по осям Х и У, а также координаты центра С.
Если не включено устройство печати, то при выборе устройства вывода результатов на экран выводится сообщение:
УСТРОЙСТВО ПЕЧАТИ НЕ ГОТОВО К РАБОТЕ
ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ НАЖМИТЕ <CR>
В этом случае обучаемый должен сообщить дежурному оператору, и после включения устройства печати нажать клавишу
<CR>.
После окончания вывода результатов и графика или в случае
выбора НЕ ВЫВОДИТЬ (результаты) на экране появляется запрос:
БУДЕТЕ ИЗМЕНЯТЬ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ? [ДА/НЕТ]:
24
После ответа обучаемого на экран вновь выводится главное
меню. Обучаемый выбирает номер исследуемой схемы, затем выбирает внешнюю характеристику. Если обучаемый решил изменить исходные данные, набрав ответ ДА, то на экране появляется
таблица с исходными данными. Эти данные обучаемый редактирует, пользуясь правилами, изложенными выше. В противном
случае (при наборе ответа НЕТ) на экран выводится кадр с прежними исходными данными, схемой выпрямления и параметрами вентиля. Далее расчет внешней характеристики проводится
в известной уже последовательности. Расчетные данные отображаются на экран в таблице. Затем после нажатия на клавишу
<CR> на экран выводится главное «меню». Обучаемый должен
выбрать код 5 «меню» для вывода результатов на терминал или
устройство печати в виде графика (рис. 4.9, а, б).
а)
ª
б)
Ось
Х
Ось
Y
Угол регулиро- 2.967100Е+00 Угол регулиро- 1745353Евания mах
вания min
01
Выходное
8.931633Е+01
Выходное
6.833357Енапряжение
напряжение
01
mах
min
Центр Угол регулиро- 1745353Е-01
Выходное
6.833357ЕС
вания среднее
напряжение
01
среднее
Рис. 4.9. График внешней характеристики (а),
пораметры осей координат характеристики (б)
Для нормального завершения работы с программой следует выбрать код 6 главного «меню». При аварийном завершении
работы с программой следует одновременно нажать на клавиши
<CTRL> и <С>.
25
26
'
$
#
"
3
7
4
3
"
3
$
£¹Æ¹Ä͹ÀÔª
£¹Æ¹Ä͹Àԛ
£¹Æ¹Ä͹Àԙ
3
3
6 ZA
3
s " $
s 3
3
3
3
3
3
$
" $
s
s
3
3
s
s "
3
75
3
3
3
3
s#
#
75
75 75
3 3
3
Рис. 4.10. Схема системы импульсного управления
3Í
7
3
$Í
-Í
6ZW
6Z
6Z
6Z
6Z
6Z
6Z
6Z
6Z
7 6ZW
7 6ZW
7 6ZW
7
Описание лабораторной установки
Принципиальная схема системы управления лабораторного
макета приведена на рис. 4.10, а временные диаграммы, поясняющие принцип работы этой схемы, приведены на рис. 4.11.
Схема управления включает в себя следующие блоки (рис.
4.11, а):
– узел синхронизации С;
– генератор пилообразного напряжения ГПН;
– два узла сравнения УС1, УС2;
– два усилителя формирователя УФ1, УФ2.
Узел синхронизации выполнен на трансформаторе Т и ячейки
ограничения напряжения синхронизации R1–VД1–VД2 (на рис.
4.10 показан канал системы управления фазы А). Для защиты
системы управления от помех на первичной стороне трансформатора синхронизации Т установлен фильтр LФ–СФ–RФ. Напряжение с выхода одного канала узла синхронизации поступает на вход ГПН. Напряжение с выхода ГПН, выполненного на
операционном усилителе А1, через конденсатор С2 поступает на
инвертирующий вход усилителя А2 и на вход усилителя А3 –
первого узла сравнения. Напряжение на выходе усилителя А2
противофазно напряжению на выходе усилителя А1 (рис. 4.11,
в, г). Эти напряжения называют опорными. Напряжение с входа
А2 через конденсатор С3 поступает на вход второго узла сравнения, выполненного на операционном усилителе А4. На вторые
входы узлов сравнения поступает напряжение управления Uуα.
В моменты равенства амплитуд опорных напряжений и напряжения управления происходит смена полярности выходных
напряжений узлов сравнения (рис. 4.11, в–ж) и формирование
узкого импульса управления, который после усиления поступает
на управляющий вход оптронного тиристора силовой схемы выпрямителя (рис. 4.11, е, з).
Для обеспечения работы трехфазной мостовой схемы выпрямления импульсы управления выполняются «сдвоенными», с фазовым сдвигом, равным π/3.
Описание лабораторного стенда
Внешний вид лабораторного стенда для исследования управляемых выпрямителей показан на рис. 4.12. Вертикальная панель стенда разделена на три секции. Слева расположены:
27
6D
а)
б)
$
»
¬­
»
¬­
œ¨¦
ÀÊ
W U
P
в)
À»ÔΙ
е)
W U
P
P
À»ÔΙ
P
ÀZ ‡
P
д)
P
ÀZ ‡
г)
P
W U
P
P
À»ÔΙ
ÀZ7
W U
P
A
ÀZ7
P‡
‡
P
P
W U
P
P
P
P
P
À»ÔΙ
ж)
W U
з)
ÀZ7
ÀZ7
A
P
‡
P‡
P
W U
P
Рис. 4.11. Структурная схема системы управления (а) и временные
диаграммы, поясняющие работу импульсного фазового управления
(б, в, г, д, е, ж, з)
28
1"
›ÃÄ
1"
1"
4
7
7
7
7
7
7
¦¹ºÇÉÆǾÈÇľ
¨Ä¹Ë¹
ÊÁÊ˾ÅÔÌÈɹ»Ä¾ÆÁØ
¨ÉÁÆÏÁÈÁ¹ÄÕƹØ
ÖľÃËÉÁоÊùØÊξÅÔ
ÊÁÊ˾ÅÔÌÈɹ»Ä¾ÆÁØ
£Ä¾ÅÅƹØȹƾÄÕ
¡ÀžÉÁ˾ÄÕÆÔ¾ÈÉÁºÇÉÔ
¨ÉÁÆÏÁÈÁ¹ÄÕÆÔ¾
ÖľÃËÉÁоÊÃÁ¾ÊξÅÔ
ÁÊÊľ½Ì¾ÅÔλÔÈÉØÅÁ˾ľÂ
Рис. 4.12. Внешний вид стенда
– автоматический выключатель F1, подключающий первичную обмотку трансформатора Т1 силовой части выпрямителя к
сети переменного тока 127/220 В 50 Гц;
− выключатель S1, включающий схему управления;
− регулируемое активное сопротивление нагрузки Rd;
− выключатели S4 и S5, шунтирующие нерегулируемую часть
сопротивления нагрузки Rd;
− вольтметр PU3, измеряющий напряжение U1;
− амперметр РА5, измеряющий ток I;
− вольтметры PU1, PU2 с переключателями S2 и S3, измеряющие напряжение вторичных обмоток трансформатора T1.
В центре вертикальной панели расположены 6 вентилей силовой схемы, три прибора цепи нагрузки – PU4, PA6, PA7 и наборное поле, где изображены условные обозначения элементов схем
выпрямления. К клеммам наборного поля подключены элементы схем управления.
На вертикальной панели справа сверху расположены платы
схемы управления, а внизу – принципиальная электрическая
схема системы управления.
В нижней части вертикальной панели расположена текстолитовая клеммная панель. На клеммной панели находятся клеммы:
− входной сети – A, B, C, O1;
− нагрузки Rd;
− индуктивности Ld;
− амперметра PA6;
− уравнительного реактора Ly со средней точкой О2;
29
− амперметра РА7;
− вольтметра PU4.
На горизонтальной части стенда слева размещены приборы
РА1, РА2, РА3, PW1, PW2, PW3, PW4.
Регулятор напряжения управления Uyα расположен на панели принципиальной электрической схемы систем управления.
Порядок включения стенда в работу
Собрать по заданию преподавателя исследуемую схему выпрямителя.
Включить выключатель S1.
Проверить с помощью осциллографа наличие импульсов
управления на управляющих цепях вентилей силовой схемы.
Установить с помощью регулятора R угол регулирования α = 0°.
Установить максимальное значение сопротивления нагрузки
Rd.
Выключить выключатель S1, включить автоматический выключатель F1 и по приборам PU1 и PU2 с помощью переключателей S2 и S3 проверить наличие напряжения и симметрию его
по фазам вторичных обмоток.
Включить выключатель S1.
Для выключения выпрямителя необходимо выключить автоматический выключатель F1 и выключатель S1.
Порядок выполнения работы
В течение четырех часов, отводимых на выполнение лабораторной работы, выполняется исследование одной из схем выпрямления. Исследование схемы выпрямления выполняется в
два этапа:
– исследование характеристик выпрямителя на ЭВМ с помощью программы-тренажера (УИРС);
– исследование характеристик выпрямителя на лабораторном
макете.
УИРС. Исследование характеристик выпрямителя на ЭВМ
с помощью программы-тренажера
1. Изучить правила работы на ЭВМ и описание программытренажера. Получить у преподавателя исходные данные для математического моделирования выпрямителя:
30
− вариант схемы выпрямления kт, m2;
− значения углов регулирования α1, α2, α3, для которых следует рассчитать внешние характеристики;
− характер нагрузки – активный или активно-индуктивный
для расчета регулировочных характеристик;
− паспортные данные элементов выпрямителей и вентилей,
которые необходимо ввести в ЭВМ приведены в конце этих методических указаний.
2. Ввести исходные данные на ЭВМ. После задания исходных
данных и проверки правильности ввода этих данных необходимо
последовательно рассчитать внешние и регулировочные характеристики в соответствии с заданием.
3. После расчета каждой отдельной характеристики результаты расчета и графики следует выводить на печать.
4. Полученные результаты следует проанализировать и сделать выводы о жесткости внешних характеристик, о значениях
углов αгр и αзап, о значениях коэффициента полезного действия,
коэффициента мощности и величине угла коммутации для исследуемой схемы выпрямления.
Исследование характеристик выпрямителя
на лабораторном макете
Значение углов регулирования α1, α2, α3, при снятии внешних харакетристик, а также характер нагрузки при снятии регулировочных характеристик принять теми же, что и при работе
на ЭВМ.
Снятие внешних характеристик
Поддерживать постоянным заданный угол регулирования α.
Изменять сопротивление нагрузки…………………………........Rd.
(от Rd = ∞ до значения, при котором ток нагрузки...Id = IdN).
Измерять:
– действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора Т1…………………………………………….......U1;
– действующее значение фазного тока первичной обмотки
трансформатора Т1………………………………………………………........I1;
– действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1……………………………………………….....U2;
– действующее значение фазного тока вторичной обмотки
трансформатора Т1………………………………………………………........I2;
31
– среднее значение выпрямленного тока…………….............Id;
– среднее значение выпрямленного напряжения…...........Ud;
– активную мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора Т1…………………………………….P2.
Внимание! Графы с параметрами U22, I22, P′22, P″22 заполняются только при исследовании шестифазной схемы с нулевым
выводом, двойной трехфазной схемы с уравнительным реактором и кольцевой схемы выпрямления.
Расчетные соотношения для обработки экспериментальных
данных трехфазной с нулевым выводом и трехфазной мостовой
схем выпрямления
U21 =
I + Ic1
Ua1 + Ub1 + Uc1
, P2 = P′21 + P″22,
, I21 = a1
2
3
Pd = UdId, S1 = 3U1I1, S2 = 3U2I2, Sò =
χ=
S1 + S2
,
2
P
P2
, η= d .
P2
S2
Результаты измерений и расчетов свести в табл. 4.2
Таблица 4.2
Измерено
α
Вычислено
U1 I1 U21 I21 P′21 P″21 Ud Id U22 I22 P′22 P″22 P2 S2 x η Sn
град В А
В
А
Вт
В
B A
В
А
Вт
Вт Вт ВА – % ВА
Расчетные соотношения для обработки экспериментальных
данных шестифазной схемы с нулевым выводом, двойной трехфазный схемы с нулевым выводом, двойной трехфазной схемы с
уравнительным реактором и кольцевой схемы выпрямления:
U21 =
I + Ic1
Ua1 + Ub1 + Uc1
U + Ub2 + Uc2
;
; U22 = a2
; I21 = a1
2
3
3
I22 =
U22 =
32
Ia2 + Ic2
;
2
I + Ic2
Ua2 + Ub2 + Uc2
;
; I22 = a2
2
3
P2 = (P′21 + P″21) + (P′22 + P″22), Pd = UdId;
S1 = 3U1I1, S2 = 3(U21I21 + U22I22);
P
S + S2
P
Sò = 1
, χ = 2 , η= d .
P2
2
S2
Для двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором и для шестифазной схемы с нулевым выводом ток
Id определяется как сумма показаний амперметров РА6 и РА7.
Построить:
– на графике № 1 экспериментальные и теоретические по результатам расчета на ЭВМ внешние характеристики для заданных значений углов регулирования α1, α2, α3……………Ud = f(Id);
– на графике № 2 экспериментальные и теоретические по результатам расчета на ЭВМ зависимости x, η = f(Id) для заданных
значений углов регулирования α1, α2, α3.
Снятие регулировочных характеристик
силовой схемы выпрямителя
Опыт производится при двух значениях индуктивности цепи
нагрузки Ld = LdN и Ld = 0.
Поддерживать постоянным среднее значение выпрямленного
тока………………………….......................................................Id.
Изменять угол регулирования α от 0° до значения, при котором Ud = 0.
Измерять:
– среднее значение выпрямленного напряжения…………….Ud;
– среднее значение выпрямленного тока………………………….Id;
– угол регулирования……………………………………………….........α;
– действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1…………………………………………….......U2;
– действующее значение фазного тока вторичной обмотки
трансформатора Т1……………………………………………………….........................I2;
– активную мощность, потребляемую выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора Т1…………………..................Р2.
Рассчитать:
– коэффициент мощности выпрямителя……………………........χ;
– соотношение между действующим значением тока I2 и средним значением тока Id………………………………….. ................I2/Id.
33
Результаты измерений и расчетов свести в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Измерено
α
град
Вычислено
x
I2
Id
Вт ВА –
–
U21 I21 P′21 P″21 Ud Id U22 I22 P′22 P″22 P2 S2
В
А
Вт
Вт
В
А
В
А
Вт
Вт
Внимание! Замечания по заполнению граф табл. 4.3 и расчетные соотношения для обработки экспериментальных данных
остаются теми же, что и для предыдущего опыта.
Построить на графике № 3 экспериментальные и теоретические по результатам расчета на ЭВМ регулировочные характеристики Ud = f(Id) при Ld = LdN и Ld = 0, а также зависимости x(I2/
Id) = f(α) при заданном значении тока Id.
Снятие регулировочной характеристики
схемы управления
При отключенной силовой схеме выпрямителя с помощью
осциллографа снять зависимость угла регулирования α от величины напряжения управления Uуα, т. е. α = f(Uуα). Результаты
экспериментов занести в табл. 4.
Таблица 4.4
α, град
Uу, В
На графике № 4 построить регулировочную характеристику
схемы управления α = f(Uуα).
По данным опытов регулировочных характеристик силовой
схемы Ud = f(α) и схемы управления выпрямителя α = f(Uуα) построить регулировочную характеристику управляемого выпрямителя в целом Ud = f(Uуα).
Рекомендация по построению характеристики Ud = f(Uуα):
– задаваясь значением Uуαi, по графику № 4 определить значение αi:
– для значения αi по графику № 3 определить значение Udi;
34
– результаты свести в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Uуα, В
α, град
Ud, В
По данным табл. 4.5 на графике № 4 построить регулировочную характеристику выпрямителя в целом Ud = f(Uуα).
4.6. Требования безопасности
Характеристика опасных факторов, создаваемых лабораторной установкой. Лабораторная установка для исследования
выпрямителей потребляет электрическую энергию, поэтому существует опасность поражения электрическим током, а при коротком замыкании в электрической схеме возможно появление
пожарной опасности. Питающее напряжение установки ~ 220 В.
При пробое изоляции на корпус ток через человека, прикоснувшегося к корпусу стенда при неблагоприятных условиях, может
достигать 220 мА, что представляет смертельную опасность для
человека.
Характеристика конструктивных мероприятий, обеспечивающих безопасность. В лабораторной установке применена
стандартная аппаратура, выпускаемая отечественной промышленностью, которая удовлетворяет требованиям безопасности.
Корпус стенда заземлен.
Требования к рабочему месту, организации и проведению лабораторной работы. Студенты допускаются к выполнению и
проведению лабораторной работы только после проведения преподавателем инструктажа по вопросам безопасности и методики
выполнения работы с обязательной отметкой в соответствующем
журнале по технике безопасности.
Перед началом работы и в процессе ее выполнения необходимо:
– осмотреть рабочее место и убедиться в заземлении стенда;
– студентам разрешается заниматься в лаборатории только
под наблюдением преподавателя;
– на рабочем месте должен находиться только черновик отчета по данной работе;
35
– при возникновении неисправности отключить питание от
стенда, выключить F1, а затем, S1 и сообщить преподавателю.
Требование к пожарной безопасности. Необходимо знать размещение ближайшего пожарного инвентаря и общего выключателя электроэнергии лаборатории. При возникновении пожара
следует применять углекислые огнетушители или сухой песок.
ЗАПРЕЩАЕТСЯ
1. Приступать к работе без инструктажа по вопросам безопасности, регистрации в специальном журнале и разрешения преподавателя.
2. Проводить пересоединения в схеме при включенном питании.
3. Оставлять без наблюдения работающую установку.
4. Загромождать рабочее место не относящимися к работе посторонними предметами.
Паспортные данные лабораторного стенда
Напряжение питающей сети
– U1N = 127 В.
Напряжение вторичной обмотки
трансформатора
– U2N = 100 В.
Активное сопротивление фазы
трансформатора
– Rф = 1,0 Ом.
Активное сопротивления обмотки
дросселя
Активное сопротивления полуобмотки
дросселя
Активное сопротивления соединения
проводов
Индуктивное сопротивление рассеяния
обмоток трансформатора, приведенное
ко вторичной
стороне
– RLd = 1,3 Ом.
– RLy = 1,2 Ом.
– Rс.п = 0,2 Ом.
– χs = 0,4 Ом.
Паспортные данные оптотиристора Т02-I0
Повторяющееся импульсное
напряжение в закрытом состоянии
36
– Uобр max = 1000 B.
Максимально допустимый
средний ток в открытом состоянии
– Iвср = 10 А.
Пороговое напряжение, не более
– ∆Uv = 1,38 B.
Дифференциальное сопротивление
в открытом состоянии, не более
– Rв.д = 13·10–6 Ом.
Отпирающее напряжение
управления
Отпирающий ток управления,
не более
Время обратного восстановления,
не более
– IyN = 150 мА.
Критическая скорость нарастания
напряжения в закрытом состоянии
–
– UyN = 2,5 В.
– tâ = 4,6 × 10-6 ñ.
dUv
Â
.
= 10 ¸ 100
ìêñ
dt
37
Лабораторная работа № 5
Исследования однофазных инверторов тока
Цели лабораторной работы:
1) закрепление и углубление лекционного материала по основным характеристикам, свойствам, особенностям работы и устройства параллельного и последовательного инверторов тока;
2) изучение стационарных электромагнитных процессов однофазных параллельного и последовательного инверторов тока;
3) получение практических навыков и знаний по экспериментальным исследованиям полупроводниковых устройств преобразовательной техники;
4) исследование характеристик инверторов тока на ЭВМ с помощью программы-тренажера (УИРС);
5) развитие умения анализировать результаты экспериментальных и теоретических исследований и делать физически обоснованные выводы и практические рекомендации по применению инверторов тока.
5.1. Методические указания
по подготовке к выполнению работ
Изучить по литературным источникам [1, 2] устройство,
принцип действия, основные свойства и расчетные соотношения
однофазного параллельного и последовательного инверторов
тока. Изучить устройство и принцип действия системы управления исследуемых инверторов тока. Ознакомиться с устройством
лабораторной установки, номинальными данными исследуемых
схем инверторов тока, последовательностью включения, изменения параметров нагрузки и выключения инверторов. Ознакомиться с назначением, условиями применения и описанием работы программы-тренажера. Вычертить таблицы в соответствии
с программой работы.
Примечание. Подготовка к выполнению лабораторной работы проводится студентами во внелабораторное время в дни, предшествующие выполнению работы.
5.2. Силовые схемы исследуемых инверторов тока
На лабораторном стенде могут быть выполнены исследования
двух схем однофазных инверторов тока:
38
– однофазного мостового параллельного инвертора тока;
– однофазного мостового последовательного инвертора тока.
Однофазный мостовой параллельный инвертор тока
Силовая схема однофазного параллельного инвертора тока [1]
приведена на рис. 5.1,а. Четыре тиристора VS1, VS2, VS3, VS4
собраны в мостовую схему. Аноды вентилей VS1 и VS3 объединены и подключены к плюсу источника постоянного тока через амперметр PA1 и два сглаживающих дросселя с достаточно
большой индуктивностью (Ld1+Ld2). Катоды вентилей VS2 и
VS4 объединены и подключены к минусу источника постоянного
тока. К точкам соединения анода тиристора VS4 и катода тиристора VS1 (точка 0) и анода тиристора VS2 и катода тиристора
VS3 (точка а) подключена активно-индуктивная нагрузка (Rнг и
Xнг) через амперметр PA2 и ваттметр PW. Параллельно нагрузке
подключен коммутирующий конденсатор Ск1, емкость которого
составляет 10 мкФ. Емкость коммутирующего конденсатора может быть увеличена на 10 мкФ путем включения выключателя
S2. Кроме этого, к выводам Ск1 можно подключить магазин конденсаторов, благодаря чему можно изменять величину коммутирующей емкости от 10 до 30 мкФ.
Для исследования характера токов, протекающих в цепях нагрузки коммутирующего конденсатора и в общей цепи переменного тока, установлены шунты RP2, RP3, RP4.
Тиристор VS5, транзистор VT1, диод VД1, шунт RP1 и резисторы R1 и R2 являются элементами быстродействующей защиты от токов короткого замыкания инвертора.
Напряжение входной цепи инвертора измеряется вольтметром PU1, а выходной цепи – вольтметром PU2.
Автоматический выключатель F1 подключает силовую схему
инвертора к лабораторной сети постоянного тока.
Однофазный мостовой последовательный инвертор тока
Схема силовой части однофазного последовательного инвертора тока, собранного по мостовой схеме [1], приведена на рис.
5.2, а. Отличие этой схемы от рассмотренного выше однофазного
параллельного инвертора тока заключается в том, что коммутирующий конденсатор Ск1 соединен последовательно с активноиндуктивной нагрузкой. Измерительные приборы в цепях по39
4
-E
31
-E
1"
а)
7½
$L
74
*
s
'
б)
VZ VZ
в)
VZ VZ
75
3
16 P
74
31
31
74
B
74
31
3
1"
P
P
WU
P
WU
P
WU
JV
WU
P
ж)
V74
P
DÀ
$67
P
6ÇºÉ NBY
P
Рис. 5.1. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д, е, ж)
параллельного инвертора тока
40
WU
i нг
P
е)
9Ƽ 3Ƽ
JD
P
д)
18
P
P
г)
74
$L
4
WU
31
а)
s
в)
г)
75
3
16 P
74
'
74
4
31
$L
1"
74
$L
P
VZ VZ
9Ƽ 3 Ƽ
P
P
i нг
B
74
P
WU
WU
P
P
WU
VD
WU
P
VPB
P
ж)
18
74
VZ VZ
P
е)
16
3
V Ƽ
д)
-E
7½
*>
б)
4
-E
1"
V74
P
WU
$
67
DÀ
P
P
WU
Рис. 5.2. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г, д, е, ж)
последовательного инвертора тока
41
стоянного и переменного тока включены так же, как и в рассмотренной выше схеме параллельного инвертора. Индуктивность
Ld цепи постоянного тока может принимать два значения в зависимости от состояния выключателя S3. При разомкнутом выключателе S3 постоянный ток (id) проходит через два, последовательно включенных дросселя c индуктивностями Ld1 и Ld2.
В результате этого ток, потребляемый от источника питания,
оказывается хорошо сглаженным и постоянным. Режим работы
инвертора в этом случае называется режимом инвертирования
тока.
При замкнутом выключателе S3 постоянный ток (id) проходит только через один дроссель с индуктивностью Ld2 значительно меньшей, чем Ld1. Величина индуктивности Ld2 выбирается
такой, чтобы частота собственных колебаний контура Ld2–Ck1,
определяемая как ωc.ê = 1 / (Ld2)´ (Ck1), была бы равна частоте
переключения тиристоров VS1–VS4. Режим работы инвертора в
этом случае называется резонансным режимом.
5.3. Программа-тренажер
Назначение и условия применения программы-тренажера.
Программа-тренажер «Моделирование работы инвертора тока»
предназначена для обучения студентов основам силовой преобразовательной техники по курсу «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии». Работа с программой осуществляется непосредственно перед началом работы на учебном
стенде «Инвертор тока». При работе с программой обучаемый
в диалоге устанавливает влияние параметров схемы: сопротивления нагрузки, емкости коммутирующих конденсаторов на
устойчивость к «опрокидыванию» инвертора, на характер изменения входных и выходных характеристик инвертора. Занятия
проводятся под наблюдением преподавателя.
Программа написана на языке Паскаль. Многотерминальный
режим использования обеспечивается операционной системой
MASTER на микроЭВМ.
Для работы с программой необходимы следующие технические средства и базовое математическое обеспечение:
− электронно-вычислительная машина;
− дисплеи на базе VT-52 VGD-7209;
− устройство внешней памяти PPZ-01;
42
− устройство печати типа DZM-180;
− операционная система MASTER для работы в многотерминальном режиме;
Правила работы на ЭВМ. Перед началом занятий дежурный
оператор загружает в память ЭВМ программу-тренажер, и на
всех дисплеях появляется заставка с названием лабораторной
работы
Для работы с программой в диалоговом режиме обучаемый
должен усвоить назначение следующих клавиш терминала:
<CR> – клавиша завершения ввода текста или числа;
<DEL> – клавиша для забоя последнего неверно введенного
символа (действует до нажатия клавиши <CR> );
<SHIFT> – клавиша переключения верхнего и нижнего регистров клавиатуры терминала;
<CAPS> – клавиша переключения русского и латинского алфавитов;
Использование клавиш перемещения курсора недопустимо,
так как может привести к сбою программы!
Описание работы программы. Программа обеспечивает моделирование двух схем инвертора тока, последовательного и
параллельного, с двумя типами нагрузки (активной и активноиндуктивной).
В начале работы программы запрашиваются фамилия и номер
группы обучаемого:
ВВЕДИТЕ ВАШУ ФАМИЛИЮ ИВАНОВ И.И.
ВВЕДИТЕ НОМЕР ГРУППЫ 3521
Затем в правом нижнем углу экрана высвечивается таблица с паспортными данными вентилей, используемых в стенде,
а в верхней части экрана индуцируется таблица с исходными
данными. В центральной части экрана появляется список типа
«меню», из которого по заданию преподавателя выбирается номер исследуемой схемы:
ВВЕДИТЕ НОМЕР
1 – ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА
2 – ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР ТОКА
3 – ОКОНЧАНИЕ РАБОТЫ
Если обучаемый ввел «3», то на экране появляется «ДО СВИДАНИЯ», и программа завершает работу.
Если обучаемый ввел «1» или «2», то следует приглашение
ВВОДИТЕ НАЧАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
43
СЛЕДИТЕ ЗА МАРКЕРОМ
Маркер-подсказка последовательно опрашивает графы:
«Входное напряжение», «Частота тока», «Угол F1». Обучаемый
вводит исходные данные, заданные преподавателем. Входное напряжение вводится в вольтах, частота тока в герцах, угол F1, характеризующий вид нагрузки инвертора – в градусах.
После ввода исходных данных следует приглашение:
ПРОВЕРТЕ ПРАВИЛЬНОСТЬ ВВОДА
ПРАВИЛЬНО, ВВЕДИТЕ 1, НЕТ – 0
Если обучаемый ввел «0», то повторяется запрос на ввод исходных данных. В противном случае в правом верхнем углу экрана
отображается электрическая схема исследуемого инвертора.
Генератор случайных чисел задает первое значение емкости
коммутирующего конденсатора. В диалоговом режиме обучаемый на запрос программы вводит значение сопротивления нагрузки. Если обучаемый ввел значение «1»,то на экране вновь
высвечивается список типа «меню» с возможными вариантами
исследуемых схем. После ввода значения сопротивления нагрузки программа проверяет условия аварийной работы инвертора
тока: превышение тока вентилей, выходного напряжения, запас
устойчивости по углу опережения зажигания.
Если аварийный режим имеет место, то вышедшие из строя
вентили закрашиваются, и на экран выводится сообщение, поясняющее причину аварийного режима, например:
ВЫ ПРЕВЫСИЛИ ПРЕДЕЛ ВЕНТИЛЯ ПО ТОКУ!
Или
ВЕНТИЛЬ НЕ УСПЕВАЕТ ПЕРЕКЛЮЧАТЬСЯ!
Или
БОЛЬШОЕ ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!
Программа фиксирует 8 измерений при различных значениях нагрузки, не создающих аварийного режима работы схемы,
после чего изменяется значение емкости коммутирующего конденсатора, и измерения повторяются. Входные и выходные величины отображаются в соответствующих строках таблицы на
экране дисплея. По желанию обучаемого результаты машинного эксперимента выводится на устройство печати или терминал,
как показано в табл. 5.1.
Исходные данные, вводимые в диалоге:
Входное напряжение 26 <CR>
Частота тока 400 <CR>
44
Угол F1 0 <CR>
Результаты:
Иванов И.И 3521 гр.
F1 = 0.0000 ГРАД F = 400.0000 ГЦ UD = 26.0000 В. Паспортные данные вентилей:
IVD = 4 A UVD = 200B TVD = 100 MKC
Параллельный инвертор тока
Таблица 5.1
С,МКФ
19
Uн/ПР./
1.3825
Y/ПР./
2.4627
19
19
19
19
19
19
19
24
24
24
24
24
24
24
24
2.1552
2.5875
3.0333
3.9470
4.4104
5.8140
6.2847
1.5665
2.6106
3.1759
3.7530
4.3370
4.9256
5.5173
6.1112
2.9925
3.4507
3.9518
5.0186
5.5698
7.2594
7.8299
2.5032
3.4762
4.1158
5.7893
5.4823
6.1874
6.9006
7.6194
ВЕТТА, ГРАД ZNG, OM
43.6676
20.0000
62.3535
67.2634
70.7498
75.3238
76.8939
80.0949
80.8433
50.3286
67.4764
71.6462
74.5455
76.6681
78.2853
79.5565
80.5810
40.0000
50.0000
60.0000
80.0000
90.0000
120.0000
130.0000
20.0000
40.0000
50.0000
60.0000
70.0000
80.0000
90.0000
100.0000
В
1.0476
0.5238
0.4190
0.3492
0.2619
0.2328
0.1746
0.1612
0.8294
0.4147
0.3317
0.2765
0.2370
0.2073
0.1843
0.1659
5.4. Характеристики инверторов тока
и векторные диаграммы
В большинстве практических случаев при анализе работы инверторов тока, особенно в случае многофазных схем, пользуются
методом основной гармоники, т. е. учитывают лишь основные
гармоники тока и напряжения. В дальнейшем будем использовать метод основной гармоники.
Из характеристик инверторов тока представляют практический интерес:
− выходные характеристики;
− входные характеристики;
− зависимости угла опережения зажигания от коэффициента
нагрузки.
45
Выходные характеристики. Выходные характеристики – это
зависимости величины выходного напряжения Uнг от степени
нагрузки В при неизменных значениях коэффициента мощности
нагрузки (сosjнг), входного напряжения Ud, частоты переключения вентилей f и параметров Ld и Ck, т. е.
*
Uíã
= f (B) при
cos ϕíã = const,
Ud = const,
f = const,
*
Ld = const, Ck = const при Uíã
= Uнгkcx/Ud – относительное значение выходного напряжения; B = Xc/Zнг = 1/(2πfCxZнг) – степень нагрузки; Zнг = Uнг/Iнг – полное сопротивление нагрузки; kcx – коэффициент схемы, для однофазной мостовой схемы
kcx = 2 2 / 3 = 0,9.
Выходные характеристики в относительных единицах построены на рис. 5.3, а – для параллельного инвертора и на рис.
5.4, б – для последовательного инвертора.
*
6Ƽ
а)
DPTJ Ƽ DPTJƼ DPT JƼ DPT JƼ DPT JƼ б)
*
Z»Î
DPT JƼ ›
–
*D
–
*Á
›
в)
–
6Ƽ
–
*3
–
*-
D
J Ƽ
–
*Ƽ
Рис. 5.3. Характеристики (а, б) и векторная диаграмма (в)
параллельного инвертора
46
а)
6*
б)
DPT J Ƽ DPTJ DPT J Ƽ
DPTJƼ DPTJ Ƽ DPTJ Ƽ *
6Ƽ
Ƽ
DPTJƼ
›
›
г)
в)
D
P
Z*
DPT J Ƽ DPT J Ƽ DPTJ Ƽ P
P
»Î
DPT J Ƽ DPTJ Ƽ DPT JƼ ›
›
д)
–
6Ƽ
–
6D
–
6
–
*
J Ƽ
D
Рис. 5.4. Характеристики (а, б, в, г) и векторная диаграмма
последовательного инвертора
Выходная характеристика параллельного инвертора в области изменения степени нагрузки 0<B ≤1 имеет крутопадающий
характер. При дальнейшем увеличении B напряжение нагрузки
изменяется незначительно. В диапазоне значений В, близких к 0
(режим работы инвертора близок к режиму холостого хода), напряжение нагрузки, а следовательно, и напряжение коммутирующего конденсатора, резко возрастает и может вывести элементы инвертора из строя.
Выходные характеристики последовательного инвертора показывают, что напряжение нагрузки не зависит от степени на47
грузки, а зависит только от коэффициента мощности и напряжение нагрузки возрастает.
Для последовательного инвертора представляет интерес и зависимость величины напряжения цепи переменного тока U* от
степени нагрузки, т. е. U* = f(В). На рис. 5.4, а построены характеристики U* = f(В) последовательного инвертора при различных
значениях коэффициента мощности нагрузки. С увеличением
степени нагрузки величина напряжения цепи переменного тока
растет
U* = U
kcx
,
Ud
где U* – относительное значение напряжения цепи переменного
тока; U – напряжение цепи переменного тока.
Входные характеристики. Входные характеристики – это
*
зависимости входной проводимости инвертора yâõ
от степени
нагрузки В при постоянных значениях коэффициента мощности
нагрузки, входного напряжения, частоты переключения вентилей и параметров Ld и Ck, т. е.
*
yâõ
= f (B) при
cos ϕíã = const,
Ud = const,
f = const,
Ld = const, Ck = const,
*
где yâõ
= Id/UdωCk – относительное значение входной проводимости инвертора тока; ω=2πf.
На рис. 5.3, б построена входная характеристика параллельного инвертора, а на рис. 5.4, г – входная характеристика последовательного инвертора.
Вид входной характеристики параллельного инвертора имеет
следующее объяснение. С ростом нагрузки происходит увеличение тока, потребляемого от источника постоянного тока, так как
при этом растет ток, отдаваемый в нагрузку. Однако в области
значений В>1 напряжение на выходе изменяется мало, поэтому
48
входной ток, а следовательно, и входная проводимость, почти
пропорциональны величине В. Увеличение входного тока инвертора при уменьшении нагрузки в области значений В<1 объясняется резким возрастанием в этом режиме выходного напряжения
инвертора (см. рис. 5.3, а). Поэтому при уменьшении B в области
В<1 рост Zнг оказывает на Id меньшее влияние, чем рост Uнг, и в
результате ток Id и мощность, потребляемая от источника постоянного тока, возрастают.
Входные характеристики последовательного инвертора имеют вид прямых линий, наклон которых изменяется в зависимости от коэффициента мощности нагрузки. Поскольку величина
выходного напряжения не зависит от величины В, то уменьшение сопротивления нагрузки приводит к увеличению тока нагрузки и входного тока инвертора, а следовательно, и к увеличению входной проводимости.
Практический интерес представляет и зависимость угла опережения зажигания β ≈ d3 от степени нагрузки, построенная на
рис. 5.4, в для последовательного инвертора тока при различных
значениях коэффициента мощности нагрузки. Эта характеристика позволяет определить область устойчивой работы инвертора
при изменении величины и коэффициента мощности нагрузки.
Уменьшение степени нагрузки последовательного инвертора
приводит к уменьшению угла опережения зажигания. В случае,
когда d3<d3min,инвертор «опрокидывается», т. е. происходит
срыв коммутации. Во избежание выхода из строя тиристоров необходимо отключить инвертор от питающей сети.
Векторные диаграммы. Векторные диаграммы инверторов
тока позволяют при известных параметрах цепи переменного
тока определить значение угла опережения зажигания для любого заданного значения В.
На рис. 5.3, в построена векторная диаграмма параллельного
инвертора, а на рис. 5.4, д – последовательного инвертора
Из векторных диаграмм обоих инверторов видно, что вектор
инвертируемого тока должен
опережать вектор напряжения
.
цепи переменного тока U на угол d3 .
Из сопоставления устройства, принципа работы и характеристик параллельного и последовательного инверторов легко установить идентичность режима холостого хода параллельного инвертора режиму короткого замыкания нагрузки последовательного инвертора.
49
Основные расчеты соотношения параллельного инвертора.
Выходная характеристика параллельного инвертора с учетом
падений напряжения на элементах схемы имеет вид
Uíã =
1
(Ud - 2DUv - Id rL ),
kñõ cosβ
где ∆Uv – падение напряжения на открытом тиристоре; ZL – активное сопротивление дросселя Ld; Id – среднее значение потребляемого постоянного ток.
Угол опережения зажигания β = d3 может быть определен из
следующего выражения:
β = arctg(
2πfCk Zíã - sin ϕíã
).
cos ϕíã
Выражение выходной характеристики параллельного инвертора с учетом падений напряжения на элементах схемы в относительных единицах
é 1 - B sin ϕ 2
ù
*
íã
Uíã
= êê (
) + 1 úú (1 - 2∆Uv* - ∆UL* ),
B cos ϕíã
ëê
ûú
где ∆Uv* = ∆Uv/Ud – относительное падение напряжения на открытом вентиле; ∆U*L = IdrL/Ud – относительное падение напряжения на активном сопротивлении дросселя.
Выражение входной характеристики в относительных единицах при пренебрежении потерями мощности в элементах схемы
имеет вид
*
yâõ
=
B cos ϕíã 1 - B sin ϕíã 2
[(
) + 1].
2
B cos ϕíã
kcx
Основные расчетные соотношения
последовательного инвертора
Выходная характеристика последовательного инвертора с
учетом падений напряжения на элементах схемы имеет вид
Uíã =
1
(Ud - 2∆Uv - Id rL ),
kcx cos ϕíã
а в относительных единицах эта характеристика имеет вид
50
*
Uíã
=
1
*
(Ud - 2∆Uv* - ∆UL
).
kcx cos ϕíã
Выражение входной характеристики в относительных единицах при пренебрежении потерями мощности в элементах схемы
*
yâõ
=
B
2
kcx
cos ϕíã
.
Угол опережения зажигания β = d3
β = arctg(
B
- tgϕíã ).
cos ϕíã
Выражение зависимости напряжения цепи переменного тока
последовательного инвертора от проводимости нагрузки с учетом падения напряжения на элементах схемы в относительных
единицах
é
B - sin ϕíã 2 ùú
U* = êê 1 + (
) ú (1 - 2∆Uv* - ∆UL* ).
cos
ϕ
íã
ëê
ûú
Исследование стационарных
электромагнитных процессов
Исследование стационарных электромагнитных процессов
в настоящей работе выполняется путем осциллографирования
кривых токов и напряжений исследуемых инверторов. На рис.
5.1, б, в, г, д, е, ж приведены временные диаграммы, характеризующие работу параллельного инвертора, где uy1, uy2 – импульсы управления вентилей VS1 и VS2 (рис. 5.1, б); uy3, uy4 – импульсы управления вентилей VS3 и VS4 (рис. 5.1, в); ic – ток коммутирующего конденсатора (рис. 5.1, г); iнг – ток нагрузки (рис.
5.1, д); iи – инвертируемый ток (рис. 5.1, е); Uvsi – напряжение
на вентиле VS1 (рис. 5.1, ж).
На рис. 5.2, б, в, г, д, е, ж приведены временные диаграммы,
характеризующие работу последовательного инвертора, где uy1,
uy2 – импульсы управления вентилей (рис. 5.2, б); uy3, uy4 – импульсы управления вентилей VS3 и VS4 (рис. 5.2, в); iнг – ток нагрузки, пропорциональный напряжению нагрузки (рис. 5.2, г);
uс – напряжение на коммутирующем конденсаторе (рис. 5.2, д);
51
uоа – напряжение на зажимах о и а цепи переменного тока инвертора (рис. 5.2, в); uvs4 – напряжение на тиристоре VS4 (рис.
5.2, ж).
5.5. Схема управления лабораторной установки
инверторов тока
Схема управления лабораторной установки (рис. 5.5) состоит
из следующих элементов:
− стабилизатора напряжения питания;
− задающего генератора;
− триггера со счетным входом;
− двух формирователей сигнала управления усилителей;
− двух усилителей.
Стабилизатор напряжения выполнен по параметрический
схеме и включает в себя:
− полупроводниковый стабилитрон VД1;
− ограничительное сопротивление R1;
− конденсатор фильтра С6.
− Задающий генератор выполнен по схеме блокинг-генератора
и включает в себя:
− трехобмоточный трансформатор Т1;
− полупроводниковый триод VT1;
− времязадающую R-C цепочку (С1, R2, R3);
− сопротивление R5 цепи коллектора VT1;
− ограничитель обратного «выброса» выходного импульса
(VД3, R4 ).
Задающий генератор генерирует импульсы с частотой, двухкратной по отношению к частоте выходного напряжения инвертора. Рассмотрим работу блокинг-генератора. Конденсатор С1
через сопротивления R2 и R3 заряжаются от источника постоянного тока, причем плюс напряжения конденсатора прикладывается к эмиттеру VT1, а минус через диод VД2 и обмотку обратной
связи трансформатора Т1 – к его базе. При достижении напряжения эмиттера-база VT1 определенной величины, достаточной
для отпирания VT1, транзистор открывается, к коллекторной
обмотке прикладывается часть напряжения источника питания,
на выходной обмотке трансформатора появляется импульс напряжения. Сигнал, снимаемый с обмотки обратной связи, поддерживает транзистор VT1 в открытом состоянии пока транс52
53
s
6
7½
3
s
$
3
3
7½
$
4
5
7½
3
3
3
3
$
75
3
3
3
75
3
3
7½
3
$
$
3
Рис. 5.5. Схема управления инверторов
3
3 $
7½
3
75
7½
3
7½
75
3
3
75
7½
7½
7½
5
7½ 3
7½ 3
7½ 3
7½ 3
форматор Т1 не насыщен. Через интервал времени ∆t сердечник
трансформатора насыщается
∆t =
∆BSW
,
U
где ∆В – изменение индукции сердечника трансформатора Т1;
S – сечение сердечника трансформатора; W – число витков коллекторной обмотки трансформатора; U – напряжение постоянного тока, прикладываемое к коллекторной отмотке трансформатора.
Сигнал, снимаемый с обмотки обратной связи, уменьшается,
что ведет к запиранию транзистора VT1. Сигнал, снимаемый с
выходной обмотки, становится равным нулю. С этого момента
времени начинается новый заряд конденсатора С1 и т. д.
Выходной сигнал блокинг-генератора через конденсаторы С2
и С3 и диоды VД4 и VД5 подаются на базы транзисторов триггера
VT2 и VT3, выполняющих функции распределителя импульсов.
Переходы базы-эмиттер этих транзисторов имеют обратное смещение, осуществляемое с помощью диода VД14 и сопротивлений
R15 и R14. Предположим, что открыт транзистор VT2. В открытом состоянии он поддерживается благодаря наличию обратной
связи, которая осуществляется посредством сопротивления R13.
Триод VT3 заперт. Диод VД5 смещен в обратном направлении напряжением питания, а на диоде VД4 этого смещения нет. Поэтому, когда приходит очередной импульс с блокинг-генератора, он
свободно проходит только на базу транзистора VT2. На коллекторе VT2 появляется отрицательное напряжение, которое через
сопротивление обратной связи R12 отпирает транзистора VT3.
Триггер «опрокидывается». При этом через дифференцирующую цепочку С5-R16 на базу транзистора VT5 поступает узкий
импульс отрицательной полярности, который и открывает транзистор. Сигнал обмотки положительной обратной связи трансформатора Т3 насыщает триод ТV5. На двух выходных обмотках
этого трансформатора наводятся узкие импульсы напряжения
(uy3 и uy4), которые и отпирают вентили VS3 и VS4 силовой схемы. Следующий импульс блокинг-генератора запирает транзистор VТ3, отпирается транзистор VТ2, открывается транзистор
VТ4, на двух выходных обмотках трансформатора Т2 появляются импульсы напряжения (uy1, uy2), которые откроют вентили
VS1 и VS2 силовой схемы и т. д.
54
а)
б)
V 75
WU
V$ WU
в)
г)
д)
е)
V 51
WU
V 75 WU
V 75 WU
V 75 WU
ж)
V 75 WU
з)
V Z7
V Z7
и)
V Z7
V Z7
WU
P
P
P
P
P
WU
Рис. 5.6. Временные диаграммы, поясняющие системы управления
55
На рис. 5.6 приведены временные диаграммы, поясняющие
работу схемы управления, где uvt1 – напряжение коллекторэмиттер транзистора VТ1 (рис. 5.6, а); uc1 – напряжение конденсатора С1 (рис. 5.6, б); utr – напряжение выходной обмотки трансформатора Т1 (рис. 5.6, в); uvt2 – напряжение коллектор-эмиттер
транзистора VТ2 (рис. 5.6, г); uvt3 – напряжение коллекторэмиттер транзистора VТ3 (рис. 5.6, д); uvt4 – напряжение базаэмиттер VТ4 (рис. 5.6, е); uvt5 – напряжение база-эмиттер VТ5
(рис. 5.6, ж); uy1, uy2 – напряжение управления тиристоров VS1
и VS2 силовой схемы (рис. 5.6, з); uy3, uy4 – напряжение управления тиристоров VS3 и VS4 силовой схемы (рис. 5.6, и).
5.6. Схемы защиты исследуемых инверторов
При срыве коммутации тока, при пробое вентилей схемы происходит опрокидывание инвертора, т. е. короткое замыкание источника питания через индуктивность Ld и вентили схемы. Ток
короткого замыкания достигает величины
Idk =
Ud - 2∆Uv
.
ΣRcx
Длительное протекание тока Idk может привести к тепловому
пробою вентилей схемы. Для предохранения вентилей схемы от
токов короткого замыкания в лабораторном стенде применена
схема защиты, обеспечивающая шунтирование цепи постоянного тока на входе инвертора с последующим отключением инвертора от питающей сети.
Схема защиты инвертора приведена на рис. 5.1, а и 5.2, а вместе с силовыми схемами.
Элементы схемы защиты:
− автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем F1;
− тиристор защиты VS5;
− транзистор VТ1;
− диод VД1;
− шунт RP1;
− сопротивление R1 и R2 делителя напряжения.
При протекании тока id по шунту RP1 на нем создается падение
напряжения ∆U, которое прикладывается к цепи эмиттер-база
транзистора VТ1. К этой же цепи прикладывается напряжение
смещения Uсм, имеющее обратную полярность по отношению к
56
∆U. Напряжение смещения Uсм является падением напряжения
на диоде VД1 от коллекторного тока утечки транзистора VТ1.
При токах id ≤ 4А транзистор VТ1 закрыт, так как ∆U<Ucм.
При токах id > 4А ∆U>Ucм транзистор VТ1 открывается, через управляющий электрод тиристора VS5 будет протекать ток
управления, достаточный для открытия тиристора. В результате
этого инвертор оказывается зашунтированным тиристором VS5.
Ток цепи id, протекающий через автоматический выключатель
F1, резко возрастает до величины, достаточной для срабатывания электромагнитного расцепителя выключателя F1. Автоматический выключатель F1 срабатывает и отключает инвертор от
источника питания.
5.7. Описание лабораторной установки
Внешний вид лабораторного стенда исследования инверторов
тока приведен на рис. 5.7. Вертикальная панель стенда разделена на три секции.
Слева расположены:
− автоматический выключатель F1, подключающий инвертор
к цепи постоянного тока 30 В;
− выключатель S1,подключающий схему управления к цепи
постоянного тока;
− выключатель S2, подключающий конденсатор Ск2 параллельно коммутирующему конденсатору Ск1;
ª ÎÌ
16
1
"
4
'
4
3 Ƽ
¨Ä¹Ë¹ÊÁÊ˾ÅÔ
ÌÈɹ»Ä¾ÆÁØ
4
šÄÇÃ
ÊÁÄÇ»ÇÂÊξÅÔ
9 Ƽ
› 16
6 1
s
8 *
¨ÉÁºÇÉÔ
1"
B
$Ã
9 Ƽ
3 Ƽ
31
31
31
¨ÉÁÆÏÁÈÁ¹ÄÕƹØÖľÃËÉÁоÊùØÊξŹ
Рис. 5.7. Внешний вид стенда «Инверторы тока»
57
− выключатель S3, шунтирующий дроссель цепи постоянного
тока Ld1;
− регулируемое активное сопротивление нагрузки Rнг;
− регулируемое индуктивное сопротивление нагрузки Хнг.
В центральной секции вертикальной панели расположены
приборы цепи постоянного тока инвертора PU1, PA1 и четыре
тиристора VS1, VS2, VS3, VS4, собранные по однофазной мостовой схеме.
Справа на вертикальной панели расположена плата схемы
управления и защиты.
В нижней части вертикальной панели расположена текстолитовая клеммная панель, на которой находятся клеммы:
− входной цепи постоянного тока +36 В;
− вольтметра PU2;
− ваттметра PW;
− амперметра PA2;
− выхода инвертора 0-а;
− коммутирующего конденсатора Ск1;
− индуктивного сопротивления нагрузки Хнг;
− активного сопротивления нагрузки Rнг;
− шунтов RP2, RP3, RP4 для снятия временных диаграмм токов выходных цепей инверторов.
На горизонтальной части стенда слева размещены приборы
PU2, PW, PA2. Принципиальные электрические схемы исследуемых инверторов расположены под оргстеклом на остальной
части горизонтальной панели стенда. На схеме имеются клеммы, соединенные с элементами схем инверторов, позволяющие
подавать на вход электронного осциллографа электрические сигналы, пропорциональные токам и напряжениям элементов исследуемых силовых схем инверторов и схемы управления.
Порядок включения стенда в работу
1. Собрать по заданию преподавателя исследуемую схему инвертора тока.
2. Включить выключатель S1.
3. Проверить с помощью осциллографа наличие импульсов
управления на управляющих электродах-катодах вентилей силовой схемы.
4. В зависимости от исследуемого режима работы инвертора
установить положение выключателей S2 и S3.
58
5. Включить автоматический выключатель F1.
6. Для выключения инвертора необходимо выключить автоматический выключатель F1, а затем выключатель S1.
5.8. Порядок выполнения лабораторной работы
В течение четырех часов, отводимых на выполнение лабораторной работы, выполняется исследование одной из схем инвертирования – последовательного или параллельного типа (по заданию преподавателя). Исследование инвертора тока проводится
в два этапа:
− исследование характеристик инвертора тока на ЭВМ с помощью программы-тренажера (УИРС);
− исследование характеристик инвертора тока на лабораторном макете.
УИРС. Исследование характеристик инвертора тока
на ЭВМ с помощью программы-тренажера
Изучить правила работы на ЭВМ и описание работы
программы-тренажера. Получить у преподавателя исходные
данные для математического моделирования инвертора тока:
− тип инвертора тока – однофазный последовательный или
однофазный параллельный;
− характер нагрузки – активный или активно-индуктивный
(величина угла jнг);
− величина напряжения цепи постоянного тока Ud(25≤ Ud ≤ 
32 B);
− частота переключения вентилей инвертора f = 400 Гц.
Величина емкости коммутирующего конденсатора Ск задается самой программой в процессе математического моделирования в пределах от 10 до 30 мкФ. Причем первое значение Ск
задается в пределах от10 до 20 мкФ, а второе – в пределах от 20
до 30 мкФ.
Ввести полученные исходные данные в ЭВМ. После задания
исходных данных и проверки правильности ввода этих данных
необходимо путем диалога с ЭВМ определить значения сопротивления нагрузки Rнг min и Rнг max, при которых инвертор работает
устройство без перегрузки вентилей по току и напряжению.
В пределах Rнг min <Rнг <Rнг max задать 5 – 6 значений Rнг и
провести расчеты характеристик для этих значений Rнг.
Вывести результаты расчетов на печать.
59
Исследование характеристики инвертора тока
на лабораторном макете
Выходные и входные характеристики инверторов тока параллельного и последовательного типов снять для тех параметров jнг
и Ск, для которых проведено математическое моделирование:
− для параллельного ивертора только для режима инвертирования тока при активной и активно-индуктивной нагрузках при
двух значениях емкости конденсатора Ск;
− для последовательного инвертора для режима инвертирования тока при активной и активно-индуктивной нагрузках и для
резонансного режима при активной нагрузке при одном значении емкости конденсатора Ск = 10 мкФ.
Поддерживать постоянным:
− входное напряжение постоянного тока – Ud;
− коэффициент мощности нагрузки – cosjнг;
Изменять:
– сопротивление нагрузки – Zнг;
(так, чтобы не превышать предельно допустимых значений
токов и напряжений).
Измерять:
– среднее значение входного напряжения – Ud;
– среднее значение входного тока – Id;
– действующее значение напряжения нагрузки – Uнг;
– действующее значение тока нагрузки – Iнг;
– активную мощность, потребляемую нагрузкой – Рнг;
Рассчитать:
– коэффициент полезного действия – η;
– коэффициент мощности нагрузки – cos jнг;
– входную проводимость – y*вх;
– степень нагрузки – В;
– относительное значение выходного напряжения U*нг;
Результаты измерений и расчетов свести в табл. 5.2
Построить на графике № 1 экспериментальную и рассчитанную на ЭВМ теоретическую входную характеристику y*вх = f(B);
построить на графике № 2 экспериментальную и рассчитанную
на ЭВМ выходные характеристики U*нг = f(B); построить на графике № 3 зависимости η= f(B) для заданных режимов работы,
значений коммутирующей емкости и коэффициента мощности
нагрузок.
60
Таблица 5.2
Измерено
Вычислено
№ п/п
Ud
Id
U
Iнг
Pнг
U*нг
B
1…
В
А
В
А
Вm
о.е.
о.е.
y*вх cos jнг
η
о.е.
%
Построение векторной диаграммы
Для одного из режимов работы инвертора на графике № 3 построить в масштабе векторную диаграмму. Из диаграммы определить угол опережения β выходного тока I по отношению к напряжению U .
Исследование стационарных
электромагнитных процессов инвертора
Зарисовать с экрана осциллографа, обработать и привести в
отчете осциоллограммы следующих токов и напряжений:
– напряжение на нагрузке – Uнг(t);
– тока нагрузки – iнг(t);
– напряжение вентиля – uv(t);
– напряжения конденсатора – uc(t);
суммарного напряжения переменного тока – u(t);
(для последовательного инвертора)
тока коммутирующего конденсатора – ic(t);
(для параллельного инвертора)
– инвертируемого тока – iu(t);
(для параллельного инвертора)
Примечание. Осциллографирование производить при Cк =
= 10 мкФ и наибольшем и наименьшем значениях степени нагрузки.
Исследование работы схемы управления
При отключенной силовой схеме инвертора зарисовать с экрана осциллографа, обработать и привести в отчете осциллограммы, поясняющие работу схемы управления.
Контрольные вопросы
1. Объяснить влияние величины и характера нагрузки на характеристики инвертора.
61
2. Объяснить причины расхождения расчетных и экспериментальных характеристик.
3. Объяснить влияние величины и характера нагрузки на вид
кривых токов и напряжений исследованной схемы инвертора.
5.9. Требования безопасности
Характеристика опасных факторов, создаваемых лабораторной установкой. Лабораторная установка для исследования
инверторов тока потребляет электрическую энергию, поэтому существует опасность поражения электрическим током, а при коротком замыкании в электрической схеме возможно появление
пожарной опасности. Питающее напряжение установки 36 В.
При пробое изоляции на корпус ток через человека, прикоснувшегося к корпусу стенда, при неблагоприятных условиях может
достигать 220 мА, что представляет смертельную опасность для
человека.
Характеристика конструктивных мероприятий, обеспечивающих безопасность. В лабораторной установке применена
стандартная аппаратура, выпускаемая отечественной промышленностью, которая удовлетворяет требованиям безопасности.
Корпус стенда заземлен.
Требования к рабочему месту, организации и проведению
лабораторной работы. Студенты допускаются к выполнению
лабораторной работы только после проведения преподавателем
инструктажа по вопросам безопасности и методики выполнения
работы с обязательной отметкой в соответствующем журнале по
технике безопасности
Перед началом работы и в процессе ее выполнения необходимо:
− осмотреть рабочее место и убедиться в заземлении стенда;
− студентам разрешается заниматься в лаборатории только
под наблюдением преподавателя;
− на рабочем месте должен находиться только черновик отчета по данной работе;
− при возникновении неисправности отключить питание от
стенда, выключить F1, а затем S1 и сообщить преподавателю.
Требования пожарной безопасности. Необходимо знать размещение ближайшего пожарного инвентаря и общего выключателя
электроэнергии в лаборатории. При возникновении пожара следует применять углекислотные огнетушители или сухой песок.
62
ЗАПРЕЩАЕТСЯ
1. Приступать к работе без инструктажа по вопросам безопасности, регистрации в специальном журнале и разрешения преподавателя.
2. Проводить пересоединения в схеме при включенном питании.
3. Оставлять без наблюдения работающую установку.
4. Загромождать рабочее место не относящимися к работе посторонними предметами.
Паспортные данные инвертора:
Входное напряжение – 30 В.
Входной ток – 4 А.
Выходная мощность – 98 Вт.
Выходная частота – 400 Гц.
Индуктивность дросселя – Ld1 = 0,175 Г; Ld2 = 0,016 Г.
Активность сопротивления дросселя – RLd1 = 1Ом; RLd2 =
= 0,2 Ом.
Коммутирующие емкости – Ск от 10 до 30 мкФ.
Прямое падение напряжения на открытом вентиле – ∆Uv =
= 1 В.
63
Лабораторная работа № 6
Исследование тиристорных
регуляторов напряжения
Цели работы:
1) закрепление и углубление лекционного материала по
основным характеристикам, свойствам, особенностям работы и
устройства однофазных и трехфазных тиристорных регуляторов
напряжения (ТРН);
2) изучение стационарных электромагнитных процессов, протекающих в реальных однофазных и трехфазных ТРН;
3) получение практических навыков и знаний по экспериментальным исследованиям полупроводниковых преобразователей
электрической энергии;
4) развитие умения анализировать результаты экспериментальных и теоретических исследований и делать физически обоснованные выводы и практические рекомендации по применению ТРН.
6.1. Методические указания по подготовке
к выполнению работы
Изучить по литературным источникам [1, 2] устройство,
принцип действия, основные свойства и расчетные соотношения
исследуемых схем ТРН. Ознакомиться с устройством лабораторного макета, расположением и назначением переключающей,
регулирующей и измерительной аппаратуры. Ознакомиться с
паспортными данными тиристоров, номинальными данными исследуемых схем ТРН. Определить предельно допустимые значения токов и напряжений элементов силовой схемы ТРН. Ознакомиться с устройством и принципом действия схемы управления
ТРН [3]. Подготовить таблицы для снятия внешних и регулировочных характеристик трех исследуемых схем ТРН.
На лабораторном стенде могут быть исследованы следующие
схемы ТРН:
− однофазная схема ТРН при активной и активно-индуктивной нагрузке;
− трехфазная схема ТРН при активной нагрузке;
− однофазная мостовая схема выпрямления, управляемая с
помощью однофазного ТРН.
64
Устройство, принцип работы,
основные расчетные соотношения и характеристики ТРН
Как правило, ТРН имеют по два встречно-параллельно включенных тиристора в цепи с питающим напряжением и нагрузкой. Однако вместо двух встречно-параллельно включенных
тиристоров возможно применение симметричных тиристоров,
симмисторов, обладающих способностью проводить ток как при
положительном, так и отрицательном значении напряжения питающей сети переменного тока.
В ТРН нашло применение фазовое регулирование переменного напряжения с отстающим углом управления (регулирования) α.
7
а)
7
JÆ
а)
3Æ
JÆ
VÆ
-Æ
^V
3Æ
^V
б)
в)
V V
VÆ
A
P
P
V
A
в)
P
P
WU
P
Y
V
P
г)
P
V7
WU
JÆ
P
VÆ
D
A
P
V
WU
V7
г)
Y
б)
P
JÆ
P
P
Рис. 6.1. Схема однофазного ТРН
Рис. 6.2. Схема однофазного ТРН
и временные диаграммы
и временные диаграммы
при активной нагрузке
при активно-индуктивной нагрузке
65
На рис. 6.1, а, б, в, г приведена схема и временные диаграммы
однофазного ТРН при активной нагрузке, а на рис. 6.2, а, б, в, г
приведена схема и временные диаграммы однофазного ТРН при
активно – индуктивной нагрузке.
Обозначения параметров на рис. 6.1, б, в, г и 6.2, б, в, г:
– u – напряжение питающей сети;
– uн – напряжение нагрузки;
– uV – напряжение на тиристоре силовой схемы;
– iн – ток нагрузки;
– α – угол управления;
– Ψ – длительность открытого состояния тиристора;
– δ – длительность проводящего состояния тиристора после
смены знака напряжения питающей сети.
При активном характере нагрузки запирание тиристоров,
проводивших до этого ток, осуществляется за счет изменения
полярности переменного напряжения питающей сети по окончании каждого полупериода, т. е. после достижения точек на временной оси ωt = π,2π,3π,... (естественная коммутация).
Отметим при этом, что при активной нагрузке угол δ = 0, а
угол Ψ = p–α. Вид кривой тока ií (ωt) совпадает с кривой uí (ωt).
При активно-индуктивном характере нагрузки индуктивность Lí замедляет нарастание тока ií при отпирании тиристоров и препятствует его уменьшению при снижении напряжения
u (рис. 6.2, г). Ток ií продолжает протекать через нагрузку и
соответствующий тиристор после перехода напряжения питания через нуль, достигая нулевого значения спустя интервал δ в
пределах очередной полуволны напряжения u. Интервал проводимости тиристоров увеличивается на угол δ, т. е. Ψ = p–α+δ. За
счет увеличения интервала проводимости тиристоров в кривой
uí , так же, как и в управляемых выпрямителях, появляются
дополнительные участки напряжения u (рис. 6.2, б), отсутствующие при чисто активном характере нагрузки. Интервал паузы
в кривой выходного напряжения сокращается до значения α–δ.
Указанное приводит к изменению формы кривой напряжения на
тиристоре (рис. 6.2, в).
6.2. Храктеристики тиристорного регулятора напряжения
В лабораторной работе необходимо снять регулировочную
и внешнюю характеристики, для каждой исследуемой схемы
ТРН.
66
Регулировочная характеристика ТРН представляет собой
зависимость действующего напряжения нагрузки, Uí , от угла
α, т. е. Uí = f (α) при постоянном напряжении питающей сети,
U = UN = const, и постоянном токе нагрузки Ií = const.
При чисто активном характере нагрузки Uí = f (α) находят из
соотношения
π
1
Uí =
( 2U)2 sin2 ωtdωt .
ò
π
α
В относительных единицах
Uí
= (π - α + 0,5 sin 2α), U
(6.1)
где U – действующее значение переменного напряжения на входе ТРН.
Вид регулировочной характеристики приведен на рис. 6.3.
Внешняя характеристика ТРН представляет собой зависимость напряжения Uн от тока Iн, т. е. Uн = f(Iн) при постоянном
напряжении постоянном напряжении питающей сети U1 = UN =
= const и постоянном угле регулирования α = const (рис. 6.4).
6Æ 6
Ao
Рис. 6. 3. Регулировочная характеристика однофазного ТРН
при активной нагрузке
67
6Æ 6
A A°
A °
*Æ *Ƽ /
Рис. 6. 4. Внешние характеристики однофазного ТРН
при активной нагрузке
Uн = Uн.x.x–∆U,
(6.2)
1
(π - α + 0,5 sin 2α) – действующее значение наπ
пряжения на выходе ТРН при холостом ходе нагрузке, т. е. при
Iн = 0; ∆U – падение напряжения на элементах ТРН при токе
Iн≠0
где Uí.õ.õ = U
∆U = ∆UVпр+IнRэ,
(6.3)
где Rэ – эквивалентное активное сопротивление схемы; равно
сопротивлению соединительных проводов, т. е. Rэ = Rс.п. (рис.
6.4).
Коэффициент мощности ТРН χ дает оценку эффективности
потребления мощности от питающей сети и представляет собой
отношение активной мощности, потребляемой ТРН от питающей
сети по первой (основной) гармоники, P(1), к полной мощности S,
потребляемой ТРН от питающей сети, т. е.
χ=
P(1)
= kè k ñäâ , S
(6.4)
где kи – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети; kсдв – коэффициент сдвига; kсдв = cosj.
Параметр j характеризует угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от кривой напряжения питающей сети.
68
Y
6Æ 6
Рис. 6.5. Зависимость коэффициента мощности ТРН
от относительного напряжения на нагрузке
cos ϕ =
kè =
π - α + 0,5 sin 2α
(π - α)2 + (π - α)sin 2α + sin2 α
,
(π - α)2 + (π - α)sin 2α + sin2 α
.
π(π - α + 0,5 sin 2α)
(6.5)
(6.6)
Перемножив cosj и kи, получим
1
(π - 2α + sin 2α). (6.7)
π
U
Нетрудно видеть, что χ = í .
U
Таким образом, коэффициент мощности ТРН равен относительному напряжению на нагрузке и связан с ним линейно
(рис. 6.5).
χ=
Регулировочная характеристика
при активно-индуктивном характере нагрузки
Наличие индуктивности в цепи нагрузки вносит отличие в
характер изменения тока нагрузки и напряжения. Действующее
значение напряжения нагрузки определяются по формуле
69
Uí =
1
π
π+δ
ò
( 2U)2 sin2 ωtdωt.
α
В относительных единицах
Uí
1
1
1
=
[π - (α - δ) + sin 2α - sin 2δ. U
π
2
2
(6.8)
Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора
Ψ находят из анализа переходного процесса, обусловленного отпиранием тиристора. Его можно определить в виде суммы двух составляющих: принужденной и свободной, и свободной. ПринужωL
денная составляющая тока iн.пр отстает на угол ϕ = arctg í от
Rí
напряжения питания u = 2U sin ωt = 2U sin ϑ.
Ей соответствует соотношение
ií.ïð =
2U
Rí2 + ω2 L2í
sin(ϑ - ϕ).
(6.9)
Свободная составляющая тока спадает по экспоненциальному
закону
-
ií.ñâ = Ae
с постоянного времени
ϑ-α(ν-α)
ωτ
(6.10)
τ = Lн/Rн = tgj/ω.
(6.11)
В момент времени ϑ = α сумма принужденной и свободной составляющих, определяющая ток iн, равна нулю
2U
Rí2
+ ω2 L2í
sin(α - ϕ) + A = 0,
откуда определяем коэффициент А
A =
2U
Rí2 + ω2 L2í
sin(α - ϕ). С учетом выражения (6.9), (6.10) находим
70
(6.12)
ií =
-
2U
Rí2 + ω2 L2í
[sin(ϑ - ϕ) - sin(α - ϕ)e
(ϑ-α)
tgϕ
]. (6.13)
При чисто активной нагрузке (Lн = 0, j = 0, tgj = 0) соотношение (6.12) приводится к виду
ií =
2U
sin ϑ,
Rí
т. е. кривая тока iн на интервале проводимости тиристоров определяется синусоидой напряжения питания (см. рис. 6.1, г).
После подстановки в (6.13) значения ϑ = π + δ, соответствующего току iн = 0 (рис. 6.2, б, в),получаем уравнение
-
sin(δ - ϕ) + sin(α - ϕ)e
π+δ-α
tgϕ
(6.14)
= 0, которое может быть использовано для определения угла δ.
При активно-индуктивной нагрузке преобразователя представляет интерес определение так называемого критического
значения угла управления α = αкр, при котором интервалы проводимости тока δ полностью занимают интервалы α. В этом случае (рис. 6.6) ток iн спадает до нуля в момент времени ϑ = π + δ
(т. е. момент запирания одного тиристора совпадает во времени с моментом отпирания другого тиристора), паузы в кривой
тока iн и напряжения Uн отсутствуют и длительность проводящего состояния каждого тиристора Ψ становится равной 180°.
Из уравнения (6.14) следует, что такой режим имеет место при
ωL
α = α êð = ϕ = δ = arctg í .
Rí
Действующее значение напряжения на нагрузке максимально и относительная его величина, согласно соотношению (6.8),
равна единице. Кривая точка iн становится непрерывной и синусоидальной. В соответствии с выражением (6.13) при α = αкр
имеем
ií =
2U
Rí2 + ω2 L2í
sin(ϑ - ϕ).
Очевидно, что аналогичный режим работы будет и при углах
αкр>α>0. Диапазон углов α от нуля до αкр характеризует неуправ71
V ZW
WU
V ZW WU
A ÃÉ J
A ÃÉ J
VÆ J Æ
VÆ V
JÆ
P
P
P
WU
Y
Рис. 6.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие
работу преобразователя переменного напряжения
при критическом значении угла управления
ляемую зону преобразователя, где изменение угла α не вызывает
изменения действующего значения напряжения на нагрузке и ее
тока. Для осуществления нормальной работы схемы в этой зоне
(создания непрерывного тока нагрузки) необходимо подавать на
тиристоры управляющие импульсы достаточной длительности
(рис. 6.6), чтобы при малых углах α< αкр они перекрывали по
длительности момент перехода тока нагрузки через нуль. В противном случае отпирающий импульс для очередного тиристора
закончится раньше, чем прекратится ток в параллельном ему тиристоре, и тиристор не сможет открыться – произойдет пропуск
его отпирания. Исходя из наименьшего угла α = 0, длительность
отпирающих импульсов должна быть не меньше j.
Схемы трехфазных преобразователей переменного напряжения с фазовым регулированием выполняют по аналогии с одно72
а)
б)
"
#
$
;"
;#
;$
74
74
"
;"
74
74
74 74
#
$
;#
;$
7474
74
74
74
J ¦"
;"
74
"
в)
J ¦#
V ¦™
;#
74
74
74
#
J¦$
V¦# ;
$
74
74
г)
$
V¦$
"
#
;"
74
74
74
;#
74
$
;$
74
74
74
Рис. 6.7. Схемы трехфазных преобразователей переменного
напряжения: с независимой работой преобразователей в каждой фазе,
соединенных звездой (а) и треугольником (б); с взаимозависимой
работой отдельных преобразователей трехфазной системы
при включении звездой (в) и треугольником (г)
фазными. Наиболее распространенные варианты схем трехфазных преобразователей приведены на рис. 6.7, а–г.
В схеме рис. 6.7, а питание осуществляется от трехфазного
напряжения с нулевым проводом. Элементы трехфазной нагрузки с включенными встречно-параллельно тиристорами соединены звездой. В схеме рис. 6.7, б три звена трехфазной системы
соединены треугольником. Трехфазные преобразователи, выполненные по этим схемам, состоят из трех рассмотренных ранее
однофазных схем при питании от напряжений, имеющих фазовый сдвиг в 120°. Питание отдельных преобразователей в схеме
рис. 6.7, а осуществляется фазным напряжением, а в схеме рис.
6.7, б – линейным. Работа преобразователей каждой фазы при
фазовом регулировании не зависит от процессов, протекающих
в двух других фазах.
73
Преобразователь на рис. 6.7, в выполнен по схеме, аналогичной схеме рис. 6.7, а, но без нулевого провода. Схема преобразователя на рис. 6.7, г содержит три тиристорные группы, соединенные треугольником, и является модификацией схемы рис.
6.7, в. В обеих схемах в контур тока нагрузки каждой фазы входит также сопротивление нагрузки другой фазы, а на отдельных
интервалах – и сопротивления двух других фаз. Иными словами,
работа всех трех фаз при фазовом регулировании, например, с отстающим углом α (в данных схемах при отпирании тиристоров в
каждой фазе со сдвигом на угол α относительно перехода фазного
напряжения через нуль) взаимосвязана. Вследствие этого форма
кривой напряжения на нагрузке (uНА, uHB, uHC) в этих схемах
будет отличаться от кривой напряжения на нагрузке в однофазных и трехфазных (рис. 6.7, а, б) схемах. В схемах рис. 6.7, в, г
она будет составляться под воздействием напряжений всех трех
фаз, а в токах нагрузки (iHA, iHB, iHC) будут отсутствовать гармонические, кратные трем (как и в любой трехфазной системе, соединенной звездой). Однако повышения коэффициента мощности
при регулировании здесь не происходит по сравнению с однофазными преобразователями, поскольку повышение коэффициента
kи за счет исключения указанных гармонических компенсируется соответствующим снижением cosj (т. е. сохраняется общая
для фазового регулирования закономерность, согласно которой
χ = Uн/U). К недостаткам схемы рис. 6.7, в в сравнении со схемой
рис. 6.7, г следует отнести необходимость подачи отпирающих
импульсов одновременно на два, а в отдельные моменты времени и на три тиристора, а также большую загрузку тиристоров по
току.
Максимальные значения прямого и обратного напряжений на
тиристорах в схеме рис. 6.7, а определяются амплитудой фазного напряжения 2U, а в схемах (рис. 6.7, б–г) – амплитудой линейного напряжения 2Uë .
Рассмотрим подробнее применение ТРН при построении
управляемых выпрямителей на повышенные напряжения, где
получил распространение фазовый метод регулирования преобразователей. При этом схему выпрямителя (однофазного или
трехфазного) выполняют на неуправляемых вентилях (диодах),
а управление его выходным напряжением осуществляют со
стороны первичной обмотки питающего трансформатора (т. е.
при более низком напряжении) за счет встречно-параллельного
74
74
«
7
^ V
7
6E
74
7
;Æ
7
s
Рис. 6.8. Схема однофазного мостового выпрямителя,
управляемого со стороны первичных обмоток трансформатора
включения тиристоров (рис. 6.8). Поскольку диоды выпускаются на более высокие напряжения, чем тиристоры, такой принцип
построения высоковольтных управляемых выпрямителей часто
позволяет уменьшить количество вентилей, включаемых последовательно на вторичной стороне, а, следовательно, и их общее
количество в схеме. Главное же, благодаря чему отдается предпочтение последовательному соединению диодов, а не тиристоров
на вторичной стороне трансформатора, заключается в том, что
это позволяет исключить повышенные требования к изоляции
выходных цепей низковольтной системы управления выпрямителем, так как они теперь будут подключаться к тиристорам,
расположенным на первичной стороне относительно низкого напряжения, а не на вторичной (высоковольтной).
Рассмотренный принцип построения выпрямителей дает также определенные преимущества при больших токах нагрузки и
малых напряжениях, когда возникает необходимость в параллельном соединении большого числа вентилей. Применение тиристоров на первичной стороне трансформатора позволяет существенно сократить их общее количество в выпрямителе ( а в отдельных случаях и общее количество используемых полупроводниковых приборов),что сказывается на упрощении устройства
управления ими.
При выполнении лабораторной работы необходимо выполнить
исследование однофазной мостовой схемы выпрямления, управляемого с помощью однофазного ТРН, при активной и активноиндуктивной нагрузке.
При этом необходимо снять три внешние характеристики и
две регулировочные характеристики.
75
Внешние характеристики – это зависимость напряжения нагрузки, Ud, от тока нагрузки, Id, т. е. Ud = f (Id ), при α = const и
U = const.
Регулировочные характеристики – это зависимости Ud = f (α)
при Id = const.
Вид внешних и регулировочных характеристик исследуемой
схемы приведен на рис. 6.9 и 6.10 соответственно.
Сравнивая эти характеристики с соответствующими характеристиками однофазного мостового управляемого выпрямителя,
выполняемого по традиционной схеме, можно видеть их полную
идентичность.
Исследование характеристик однофазной схемы ТРН при активной и активно-индуктивной нагрузке выполняется по схеме,
приведенной на рис. 6.11, а исследование характеристик трех6E
A
A A
A A
A A
Рис. 6.9. Внешние характеристики схемы рис. 6.8.
6EA
6E
¨ÉÁ - E ¨ÉÁ-E md
*E
o
o
o
o o
o A
Рис. 6.10. Регулировочные характеристики схемы рис. 6.8.
76
z
z
*
*
5
5
17
4
B
17
C
B
D
C
D
1"
1"
1"
18
18
18
7
7
7
7
7 7
7
7
18
;)
17
17
3)"
3)#
3)$
4
Рис. 6.11. Схема
однофазного ТРН
Рис. 6.12. Схема
трехфазного ТРН
фазной схемы ТРН при активной нагрузке выполняется по схеме
рис. 6.12.
Описание лабораторного стенда и системы управления приведено в лабораторной работе № 4.
6.3. Порядок выполнения лабораторной работы
В течение одной четырехчасовой лабораторной работы выполняется исследование двух схем из трех ниже перечисленных (по
заданию преподавателя):
77
z
*
– однофазная схема ТРН при активной и активно-индуктивной нагрузки
(рис. 6.11);
– трехфазная схема ТРН при активной нагрузке (рис. 6.12);
– однофазная мостовая схема выпрямления, управляемая с помощью
однофазного ТРН (рис. 6.13).
5
Снятие внешних характеристик
при различных углах регулирования
B
17
C
1"
18
74
74
5
7
7
7
7
1"
17
3E
-E
Рис. 6.13. Схема
однофазного мостового
выпрямителя,
управляемого с помощью
однофазного ТРН
78
Значения трех углов регулирования
α задаются преподавателем.
Поддерживать постоянным:
– угол регулирования……………..…α;
– действующее значение входного
напряжения………………..................U.
Изменять:
– сопротивление нагрузки…….....Zн
(от Zí = ¥ до такого значения, при
котором ток нагрузки Iн = 5 A).
Измерять:
– действующее значение тока нагрузки…………………………….............Iн;
– действующее значение напряжения нагрузки…………..…................Uн;
– действующее значение входного
напряжения…………….….................U;
– активную мощность, потребляемую ТРН из питающей сети……...…..P.
Рассчитать:
– полную мощность, потребляемую
ТРН из питающей сети.S;
– коэффициент мощности ТРН…..χ;
– коэффициент полезного действия…............................................η.
Результаты измерений и расчетов
свести в табл. 6.1.
Для схемы рис. 6.11
U = 3U2ϕ , I = Ií ,
S = UI, χ =
U=
P
P
, η= í ,
P
S
Ua1 + Uâ1 + Uc
I + Ic1
, I = Ií = a1
, P = P21 + P22 .
3
2
Таблица 6.1
№ п/п
Измерено
Iн, A
1...
Uн, B
S = 3UI, χ =
Uí =
U, B
Вычислено
P, Вт Pн, Вт
S BA
c
h
P
, Píã = 3IíUí , (при cosjн = 1),
S
UHA + UHB + UHC
P
, η= í .
3
P
Для схемы рис. 6.12 при чисто активной нагрузке (табл. 6.2)
Таблица 6.2
№ Измерено
Вычислено
п/п I , I , U , U , U , P , P , U
,
U
,
U
,
S
P ,
a1
c1
a1
b1
c1
21
22
HA
HB
HC
c н h
A
A
B
B
B
Вт
Вт
B
B
B
BA
Вт
1...
Для схемы рис. 6.13 (табл. 6.3)
Таблица 6.3
№ п/п
Измерено
Вычислено
Ud, B Id, A U, B I, A P, Вт Pн, Вт S BA
c
h
1....
Pí = Pd = Ud Id , η =
S = UI, χ =
Pí
,
P
P
.
S
Построить на графике № 1 внешние характеристики при заданных значения углов регулирования α.
79
Снятие регулировочных характеристик:
– для схем рис. 6.11 и 6.12 при чисто активном характере нагрузки;
– для схемы рис. 6.13 при двух значениях индуктивности
цепи нагрузки: 1) при Ld = LdN; 2) при Ld = 0.
Поддерживать постоянными:
– ток нагрузки…………………………………………..…………………...Iн;
– действующее значение входного напряжения…………………U.
Изменять:
– угол регулирования α от нуля до такого значения, при котором напряжение Uн = 0.
Измерять:
– напряжение нагрузки………………………………………………….Uн;
– ток нагрузки…………………………………………………………….....Iн;
– активную мощность, потребляемую ТРН из питающей
сети………….......................................................................P;
– угол регулирования……………………………………………………….α;
– действующее значение напряжения питающей сети………U;
– действующее значение тока питающей сети……………………I.
Рассчитать:
U
– относительное значение напряжения нагрузки.….….… í ;
U
– полную мощность, потребляемую ТРН из питающей сети P;
P
– коэффициент мощности…………………………………….…… χ = .
S
Результаты измерений и расчетов свести в табл. 6.4 и 6.5.
Для схемы рис. 6.11
Таблица 6.4
Измерено
№ п/п
Вычислено
α, град Uн, B Iн, A U, B P, Вт S BA
χ
Uí
o.e
U
1…
Для схемы рис. 6.12
Таблица 6.5
Измерено
Вычислено
Uí
α, Ia1, Ic1, Ua1, Ub1, Uc1, P21, P22, UHA, UHB, UHC, S,
o.e
χ
град A
A
B
B
B
Вт Вт
B
B
B BA
U
80
Построить:
U
– на графике № 3 регулированную характеристику í = f (α),
U
а также зависимость χ = f(α).
Для схемы рис. 6.13 на графике № 3 построить две характериU
стики í = f (α) при Ld = 0 и Ld = LdN соответственно.
U
Исследование стационарных
электромагнитных процессов ТРН
Для каждой из исследуемых схем зарисовать с экрана осциллографа и привести в отчете осциллограммы следующих токов и
напряжений:
– напряжение питающей сети……………………………………….u(t);
– напряжение нагрузки……………………………………………….uн(t);
– напряжение на тиристоре…………………………………………uv(t);
– ток питающей сети……………………………………………………..i(t).
Примечание. Осциллографирование производить при Id = IdN
и угле регулирования по заданию преподавателя.
Контрольные вопросы
1. Оценить жесткость внешних характеристик ТРН.
2. Оценить вид регулировочных характеристик ТРН.
3. Оценить энергетические показатели ТРН (χ и η) и их зависимость от величины угла регулирования α и тока нагрузки Iн.
4. Оценить влияние характера нагрузки на длительность ведения тока тиристором.
5. Сравнить две схемы выпрямителей: традиционную управляемую на тиристорах и выпрямитель, управляемый с помощью
ТРН.
Паспортные данные стенда:
Номинальные значение тока – IN = 5 A.
Падение напряжения на тиристоре при прохождение тока в
прямом направление – ΔUv = 1,5 B.
Эквивалентное активное сопротивление схемы – Rэ = Rс.п =
= 1,5 Ом.
81
Библиографический список
1. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для
вузов. М.: Высш. шк. 1982.
2. Чиженко И. М. и др. Основы преобразовательной техники:
Учебное пособие. М.: Высш. шк., 1974.
3. Мартынов А. А. и др. Полупроводниковые преобразователи
электрической энергии: Методические указания к выполнению
лабораторных работ № 1–3. / ГУАП. СПб., 2008.
82
Содержание
Лабораторная работа № 4. Исследование управляемых
выпрямителей.................................................................
4.1. Методические указания по подготовке к выполнению
работ...........................................................................
4.2. Силовые схемы исследуемых выпрямителей...............
4.3. Стационарные электромагнитные процессы управляемых выпрямителей......................................................
4.4. Характеристики управляемых выпрямителей.............
4.5. Программа-тренажер...............................................
4.6. Требования безопасности..........................................
Лабораторная работа № 5. Исследования однофазных
инверторов тока...............................................................
5.1. Методические указания по подготовке к выполнению
работ...........................................................................
5.2. Силовые схемы исследуемых инверторов тока.............
5.3 Программа-тренажер................................................
5.4. Характеристики инверторов тока и векторные
диаграммы...................................................................
5.5. Схема управления лабораторной установки инверторов тока....................................................................
5.6. Схемы защиты исследуемых инверторов.....................
5.7. Описание лабораторной установки.............................
5.8. Порядок выполнения лабораторной работы.................
5.9. Требования безопасности..........................................
Лабораторная работа № 6. Исследование тиристорных регуляторов напряжения........................................................
6.1. Методические указания по подготовке к выполнению
работы.........................................................................
6.2. Храктеристики тиристорного регулятора напряжения.
6.3. Порядок выполнения лабораторной работы.................
Библиографический список...............................................
3
3
4
13
15
21
35
38
38
38
42
45
52
56
57
59
62
64
64
66
77
82
83
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
3 311 Кб
Теги
marta
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа