close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Martynov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
А. А. Мартынов
ОСНОВЫ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Учебно-методическое пособие
Часть 1
Санкт-Петербург
2016
УДК 621.314
ББК 31.261.6
М29
Рецензенты:
кандидат технических наук М. В. Бураков;
кандидат технических наук Р. Ш. Еникеев
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Мартынов, А. А.
М29 Основы преобразовательной техники: учеб.-метод. пособие: в 2 ч. Ч. 1 / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2016. – 184 с.
ISBN 978-5-8088-1120-1
Учебно-методическое пособие содержит методические материалы,
необходимые для подготовки и выполнения 11 лабораторных работ по
исследованию полупроводниковых преобразователей электрической
энергии.
Лабораторные работы выполняются на стендах ПТ2-НРА фронтальным методом.
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной
и заочной форм обучения, изучающих курсы «Силовая электроника»,
«Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника»,
«Преобразовательные устройства систем управления» и «Электромеханические и полупроводниковые преобразователи электрической
энергии».
УДК 621.314
ББК 31.261.6
ISBN 978-5-8088-1120-1
©
©
Мартынов А. А., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ
В процессе выполнения лабораторных работ студенты изучают
устройство, принцип работы, характеристики полупроводниковых
преобразователей и приобретают навыки экспериментального исследования современных полупроводниковых преобразователей.
С целью повышения уровня подготовки студентов к выполнению лабораторных работ в учебно-методическом пособии приведены необходимые теоретические сведения по расчету характеристик
и параметров исследуемых полупроводниковых преобразователей.
Каждая лабораторная работа выполняется в соответствии с программой исследований. Студенты должны приобрести навыки работы с полупроводниковыми схемами и закрепить материал, изученный теоретически.
Особое внимание при выполнении лабораторных работ уделяется развитию навыков работы с электронным осциллографом.
В процессе выполнения лабораторной работы студенты самостоятельно собирают принципиальные электрические схемы. Для
удобства выполнения лабораторных работ все электрические схемы в учебно-методическом пособии изображены так же, как и на
наборном поле стенда.
3
1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ И ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.1. Описание лабораторного стенда
Технические характеристики стенда
Электропитание от сети Частота питающего напряжения Потребляемая мощность, не более Габаритные размеры Масса, не более Диапазон рабочих температур Влажность до 3×380 В
50 Гц
750 ВА
1500×800×450 мм
100 кг
+10...35°
80%
Состав стенда
Стенд содержит два каркаса, в которых размещены 14 модулей
(рис. 1.1).
Перечень модулей и их краткие технические характеристики
приведены в табл. 1.1.
Краткое описание модулей, используемых для питания и измерения, приведено ниже.
Рис. 1.1. Общий вид лабораторного стенда
4
Таблица 1.1
Перечень и характеристика модулей стенда
Наименование
Краткая техническая характеристика
Модуль питания
стенда
Ввод ~3×380 В, ВИП +/–15 В, +5 В, автоматический
выключатель
Модуль питания
(трехфазный)
Автоматический выключатель, питание ~3×380 В,
~220 В
Модуль
измерительный
Стрелочные приборы для измерения постоянных и
переменных токов в цепях преобразователей
Модуль
«Мультиметры»
Цифровые приборы (в основном для измерения напряжений)
Модуль
Исследование трехфазных выпрямителей, ведомых
«Тиристорный
и реверсивных преобразователей. Напряжение на
преобразователь» выходе, регулируемое до ±110 В, ток до ±1 А
Исследование широтно-импульсного преобразоваМодуль
теля и стабилизатора постоянного напряжения, а
«Преобразователь
также ключевого режима работы транзисторов (бипостоянного
полярных, полевых и ІGВТ). Напряжение на входе
напряжения»
регулируется до 27 В, ток до 1,0 А
Исследование двухзвенного преобразователя частоМодуль
ты и трехфазного автономного инвертора напряже«Преобразователь ния.
частоты»
Напряжение на выходе регулируемое трехфазное до
~110 В, ток до ~1 А, частота до 50 Гц
Модуль «Нагрузка»
Дискретно-регулируемые
костные нагрузки
активно-индуктивно-ем-
Исследование неуправляемого выпрямителя,
Модуль «Корректор работающего на емкостной фильтр без корректора
коэффициента
коэффициента мощности и с корректором коэффимощности»
циента мощности. Напряжение на входе ~16 В, ток
до ~2,0 А
Модуль «Источник
Исследование обратноходового источника вторичновторичного
го электропитания
электропитания»
Модуль
«Тиристоры»
Исследование тиристоров, симисторов, запираемых
тиристоров, управляемого выпрямителя, преобразователя переменного напряжения. Напряжение на
входе +15 В, ~12 В, ток до 100 мА
Модуль «Диоды»
Исследование выпрямительного диода, диода Шоттки, неуправляемого однофазного выпрямителя, светодиода и стабилитрона.
Напряжения: ±15 В, ~9 В, ток до 100 мА
5
Продолжение табл. 1.1
Наименование
Краткая техническая характеристика
Модуль
Измерение постоянного тока в четырех пределах из«Миллиампермемерения: 100 мкА, 1 мА, 10 мА и 100 мА
тры»
Модуль
«Измеритель
мощности»
Универсальный цифровой прибор для измерения
постоянных и переменных напряжений, токов, мощностей, частоты и энергетических показателей (cosϕ,
угла ϕ)
Осциллограф
GОЅ-620. Снятие осциллограмм
Модуль питания стенда
Модуль питания стенда (МПС) предназначен для ввода трехфазного напряжения из сети в лабораторный стенд, защиты стенда от
токов короткого замыкания и подачи силовых и маломощных напряжений питания на модули стенда.
Внешний вид модуля питания стенда показан на рис. 1.2.
Модуль содержит автоматический трехполюсный выключатель
QF1, вторичный источник питания напряжениями ±15 В и +5 В маломощных цепей модулей. Подключение стенда к напряжению питания, подача силового и маломощного напряжений на модули выполняется с помощью жгутов, подключаемых с тыльной стороны
модуля.
На лицевой части имеется индикация подачи силового напряжения по фазам А, В и С, а также маломощных напряжений питаМОД УЛЬ ПИТАНИЯ СТЕНДА
МОД УЛЬ ПИТАНИЯ
~380В
~380В
OF1
A
B
C
OF2
A
B
C
N
ИСТОЧНИК ПИ ТАНИЯ
+5В +15В −15В
~220В
Рис. 1.2. Модуль питания стенда
6
=220В
Рис. 1.3. Модуль питания
ния +5 В, +15 В и –15 В. Кроме этого возможно подключение к источникам низковольтных напряжений с лицевой панели модуля.
С этой целью на лицевую панель модуля выведены соответствующие клеммы напряжений и общего провода.
Модуль питания
Модуль питания (МП) предназначен для подачи трехфазного
напряжения на модули с помощью соединительных проводов с лицевой стороны модуля и защиты подключенных модулей от токов
короткого замыкания.
Внешний вид модуля питания показан на рис. 1.3. На лицевой
панели модуля расположены автоматический трехполюсный выключатель QF2, гнезда трехфазного напряжения А, В, С и нейтрали
N (гнезда продублированы), индикация наличия фазных напряжений, гнезда фазного напряжения ~220 В. К гнездам 220 В ничего не
подключено, в данном варианте стенда они не используются.
Модуль «Мультиметры»
Модуль «Мультиметры» (рис. 1.4) содержит два универсальных
цифровых прибора типа МY67(68) и используется в основном для
измерения напряжений.
Диапазоны измерений приведены в табл. 1. 2.
МОДУЛЬ МУЛЬТИМЕТРОВ
МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ
0000 0000
Рис. 1.4. Модуль «Мультиметры»
Рис. 1.5. Модуль измерительный
7
Таблица 1.2
Параметры измерительных приборов стенда
Измеряемый
параметр
Диапазоны измерения
Класс точности
Постоянное
напряжение
0…±1000 В
1,5
Постоянный ток
0…±400 мкА; 0…±400 мА; 0…±10 А
1,5
Переменное
напряжение
0…750 В
1,5
Переменный ток
0…400 мкА; 0…400 мА; 0…10 А
1,5
Примечание: Будьте внимательны, при измерении тока соединительные провода мультиметра необходимо подсоединять к клемме «мА» (либо «10 А») и к клемме «com»!
Модуль измерительный
Модуль измерительный (рис. 1.5) предназначен для проведения
измерений в цепях постоянного и переменного тока. Модуль содержит два амперметра постоянного тока магнитоэлектрической системы типа М42300 с пределом измерения +2 А и ±2 А, один амперметр переменного тока электромагнитной системы типа ЭА0700
с пределом измерения 1 А и один вольтметр переменного тока типа
Ц42300 с пределом измерения 0...250 В.
Модуль «Измеритель мощности»
Модуль «Измеритель мощности» (рис. 1.6) предназначен для измерения параметров электрической цепи:
– действующего значения напряжения в поддиапазонах 0...30 В
или 0...300 В;
– действующего значения тока в поддиапазонах 0...0,2 А или
0…2 А;
– активной мощности в диапазоне 0...600 Вт;
– реактивной мощности в диапазоне 0…600 ВАР;
– полной мощности в диапазоне 0...600 ВА;
– частоты в диапазоне 5...200 Гц;
– коэффициент мощности по основной гармоники (коэффициент сдвига) cosϕ;
– угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения ϕ.
8
ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
ГЕНЕРАТОР
А
~/=
НАГРУЗКА
А1
U=0.0B
I=0.00A
P=0.0BТ
F=0.0Гц
N
N
РЕЖИМ
Сеть
300В
30В
U
2A
# cos
0.2 A
Рис. 1.6. Модуль «Измеритель мощности»
Прибор содержит:
– гнезда для подачи входного измеряемого сигнала (генератора) А и N, гнезда для подключения потребителя (нагрузки) А1 и N.
Шунт для измерения тока нагрузки подключен между гнездами А
и А1;
– индикатор жидкокристаллический четырехстрочный для вывода информации;
– выключатель «Сеть» для подключения питания прибора;
– тумблер «U» для изменения поддиапазона измерения напряжения;
– тумблер «І» для изменения поддиапазона измерения тока;
– кнопка «Р/Q/Ѕ» для изменения вывода информации в третьей
строке индикатора, соответственно, активной, реактивной и полной мощности;
– кнопка «f/cosϕ/ϕ» для изменения вывода информации в четвертой строке индикатора, соответственно, частоты, косинуса угла
сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения и самого угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения.
При одновременном нажатии, в течение порядка 2 секунд, кнопок «Р/Q/Ѕ» и «f/cosϕ/ϕ» модуль «Измеритель мощности» переходит в режим измерения постоянного тока. Обратное переключе9
ние осуществляется повторным нажатием кнопок «Р/Q/Ѕ» и «f/
cosϕ/ϕ».
Осциллографирование
При выполнении лабораторных работ рекомендуется использовать двухканальный осциллограф, например СОЅ-620.
Электронный осциллограф предназначен для наблюдения на
экране электронно-лучевой трубки функциональных зависимостей
сигналов, изменений электрических сигналов во времени, а также
для измерения различных электрических величин.
Полоса пропускания осциллографа СОЅ-620 составляет 20 МГц,
максимальная чувствительность ~ 1 мВ/дел., минимальный коэффициент развертки 0,2 мкс/дел.
На рис. 1.7 показана лицевая панель осциллографа СОЅ-620
с обозначением органов управления.
Включение питания осциллографа осуществляется кнопкой 6
«POWER». При его включенном состоянии загорается индикатор
5. Регулировка яркости и фокусировка изображения на экране
осциллографа – позиция 33 – осуществляется вращением ручек
2 «INTEN» и 3 «FOCUS» соответственно. Изменение наклона изображения по горизонтали производится регулировкой ручки 4
«TRACE ROTATION». На выходе калибратора – позиция 1 – «CAL»
напряжение 2 В и частота 1 кГц.
Каналы ввода сигналов. Исследуемые сигналы подаются на входы каналов СН1 гнездо 8 и СН2 гнездо 20.
Переключатели 10 и 18 режимов входов усилителей «AC–GND–
DC»: «AC» (закрытый вход) – пропускает только переменную составляющую; «DC» (открытый вход) – постоянную и переменную
составляющую; «GND» – вход усилителя отключается от источника сигнала и заземляется.
Дискретное изменение масштаба по оси Y для 1 и 2 каналов СН1
и СН2 от 5 мВ/дел. до 5 В/дел. в 10 диапазонах осуществляется регуляторами 7 и 22 «VOLTS/DIV» (вольт на деление) соответственно, с внешним делителем 1:10 от 50 мВ/дел. до 50 В/дел. Плавное
изменение масштаба производится ручками 9 и 21 «VARIABLE».
Когда ручка вытянута «режим х5 раз» происходит дополнительное
увеличение амплитуды в 5 раз. Масштабы будут соответствовать
указанным, если ручки 9 и 21 находятся в крайнем правом положении. В канале СН2 также можно осуществлять инвертирование
сигнала нажатием кнопки 16 СН2 «INV».
10
11
1
2
CAL INTEN
2Vр-р
INSTEK
3
4
5
1
6
0
POWER POWER
GOS 620
7
30
MODE
50G
TRI GIN
CH1
CH2
UNE
EXT
SOURSE
24 23
TRIGGER
AUTO
NORM
TV-V
TV-H
TRIG
. ALT
29 28 27 26 25
TIM/DIV
1 .5 .2 .150
20
SWP VAR mS5 2
POSI TION
10mS LEVEL SCOPE
10
5
20
2
+10 MAG
30
1
.5
CAL 1
.2
3
VERTICAL UNI CAL
HORIZONTAL
31
8
9
10
11 12
13
14
15 16 17
18 19
20 21 22
VOLTS /DIV
VOLTS /DIV
POSI TION
2 1
2 1
POSI TION
DC
DC
5
50
50
V
V 5
BAL
BAL
1
20
1
20
mV
mV
2
2
10
10
MODE
5
ALT
5
5
5
VAR
VAR
CAL
CHOP CH1
CH2INV
PULL+ 5MAG
PULL+ 5MAG CAL
CH2
CH1 X
CH2 Y
DUAL
AC
AC
ADD
1M /25pF
1M/25pF
GND
GND
DC
DC
32
Рис. 1.7. Лицевая панель осциллографа GOS-620
FOCUS TRACE
ROTATION
33
Балансировку каналов СН1 и СН2 можно выполнять с помощью
регуляторов 13 и 17 «DC BAL». Регулировка положения лучей обеих каналов по вертикали осуществляется соответственно ручками
11 и 19 «POSITION».
Для наблюдения на экране осциллографа одновременно двух
сигналов используется переключатель 14 режима работы усилителя «МОDЕ». При вводе сигналов в СН1 и СН2 – на экране наблюдаются сигналы канала 1 или 2 или входной X-оси или Y-оси для
режима X–Y; «DUAL» – одновременное изображения сигналов обоих каналов; «ADD» – отображается сумма сигналов, подаваемых
на два канала СН1 и СН2 или их разность при нажатой кнопке СН2
«INV». При этом, когда кнопка 12 «ALT/CHOP» отжата в двухканальном режиме, режим работы коммутатора выбирается автоматически исходя из положения ручки «время/дел». При нажатии
на кнопку коммутатор принудительно переключается в режим попеременного показа кривых.
Гнездо 15 «GND» – общий вывод, потенциально соединенный
с общими выводами входов 8 и 20. В свою очередь «GND», при подключении осциллографа через евророзетку (трехпроводную сеть),
будет заземлен (занулен) в зависимости от используемой в лаборатории электросети. Об этом следует помнить при обеспечении электробезопасности.
Развертка. Масштаб развертки устанавливается ручкой 29
«ТІМЕ/DIV» от 0,2 мкс/дел. до 0,5 с/дел. 20 ступенями. При переводе в положение Х–Y обеспечивается наблюдение функциональной зависимости двух напряжений (фигур Лиссажу). Плавная
регулировка коэффициента развертки производится ручкой 30
«SWP.VAR». Перемещение изображения по горизонтали – ручкой
32 «РОЅІТION». При нажатой кнопке 31 «×10 MAG» – скорость
развертки увеличивается в 10 раз.
Синхронизация. Выбор режима синхронизации осуществляется
ручкой «ЅОURCE. При положении ручки переключателя 23 в положении СН1 или СН2 развертка синхронизируется сигналом с первого или второго канала соответственно; «LINЕ» – развертка синхронизируется от сети 50 Гц. «ЕХT» ~ внешняя синхронизация и
для подачи исследуемого сигнала непосредственно на входной усилитель Х. Для входа внешней синхронизации используется вход 24
«TRIG IN».
При нажатой кнопке 27 «ТRIG.ALT» развертка поочередно синхронизируется сигналом с 1-го и 2-го каналов.
12
Переключатель 26 полярности синхронизирующего сигнала
«ЅLОРЕ» «+» или «–» позволяет синхронизировать развертку положительным или отрицательным перепадом исследуемого сигнала.
Регулировка уровня исследуемого сигнала, при котором происходит запуск развертки, производится ручкой 28 «LEVEL».
Выбор режима работы запуска развертки – позиция 25 – «TRIGER
MODE» (полярность сигнала должна быть при этом отрицательной):
«АUТО» – если нет сигнала синхронизации, развертка переходит
в автоколебательный режим; «NORM» – развертка запускается
только при наличии входного сигнала; «ТV–V» и «ТV–Н» – синхронизация по вертикали (по кадрам) и по горизонтали (по строкам).
Входные кабели (шнуры). В комплект поставки включены следующие шнуры: два шнура без делителей для подключения к малым слаботочным клеммам и один шнур с переключаемым делителем 1:10 для силовых клемм.
Шнуры без делителей имеют по два вывода: красные – сигнальные и черные – общие. Общие выводы в осциллографе соединены
между собой и с общей клеммой 15 «GND». Внимание! При подключении осциллографа к исследуемым цепям, черные (общие)
выводы шнуров, соединенные с разными клеммами, приведут
к короткому замыканию между ними, что может вывести исследуемый модуль из строя.
Шнур с делителем не имеет общего вывода и предназначен для
подключения к силовым клеммам. Переключатель 1:1 – 1:10 находится на самом шнуре. При использовании шнура с делителем в качестве общего вывода можно использовать черный вывод шнура без
делителя либо провод, соединенный с клеммой 15.
1.2. Общие рекомендации по выполнению
лабораторных работ
Порядок выполнения работ
Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к лаборатории cиловой
электроники, для чего преподавателем проводится инструктаж.
Краткий инструктаж проводится также на каждом занятии.
При подготовке к лабораторной работе необходимо:
– ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной
литературой, конспектом лекций и настоящим пособием, изучить
теоретические положения, на которых базируется работа;
13
– изучить схему лабораторной установки, изучить программу
лабораторной работы и в соответствии с требованиями программы
приготовить таблицы протокола лабораторной работы;
– подготовиться к ответам на контрольные вопросы.
Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо
сдать коллоквиум и представить отчет по предыдущей работе. Вопросы коллоквиума составлены на основе контрольных вопросов
пособия.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
– ознакомиться с рабочим местом, проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводов;
– произвести сборку схемы, строго следуя рекомендациям настоящего пособия;
– после разрешения преподавателя включить питание и приступить к выполнению работы;
– в начале каждого опыта качественно оценить характер зависимости, изменяя напряжения и токи в допустимых пределах, а затем произвести требуемые измерения. При снятии характеристик
надо обязательно снять крайние точки. Наибольшее число измерений следует производить на участках резкого изменения наклона
характеристик, а на линейных участках независимо от их протяженности достаточно снимать по три точки. Характеристики строятся непосредственно во время проведения эксперимента;
– в ходе работы и по ее окончанию полученные данные представлять на проверку преподавателю;
– схему разбирать только после проверки преподавателем результатов опыта (перед разборкой схемы необходимо отключить
источник питания!);
– по окончании работы привести в порядок рабочее место.
Рекомендации по работе с осциллографом
Масштабы по напряжению mu, каналов ввода сигналов соответствует указанным на осциллографе.
При измерении напряжения на шунте масштаб по току
m1 = mu/Rш, град/дел., где Rш – сопротивление шунта. (1.1)
Масштаб по оси абсцисс в угловых единицах (градусах)
mωt = 360fmt, град/дел. (1.2)
При этом масштаб по времени mt , должен быть выражен в «с/
дел.».
14
Удобнее определять масштаб по времени в градусах, зная период
сигнала на экране. Тогда
mωt = 360/Т, град/дел. (1.3)
Рекомендации по обеспечению техники безопасности
при работе с осциллографом
При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода входов, связанных с корпусом осциллографа.
От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один
провод, связанный с корпусом «⊥». Этот провод рекомендуется
подключать к точке исследуемой схемы с наименьшим потенциалом. При подключении двух проводов оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («⊥»).
Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации только одним проводом. При
этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен
корпус осциллографа («⊥»).
Эти рекомендации являются обязательными! Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей стенда.
Кроме того, все современные импортные осциллографы имеют
трехпроводную схему подключения к сетевому напряжению через
евророзетку. При этом заземляющий контакт сети, чаще всего это
нейтраль, соединен с корпусом «⊥» осциллографа, т. е. общий контакт входов осциллографа «⊥» получается напрямую соединенным
с нейтралью сети. Это следует учитывать при обеспечении электробезопасности.
Оформление отчетов
по лабораторным работам
В отчете должна быть сформулирована цель проведенной работы и представлены следующие материалы:
– электрическая схема (схемы) лабораторной установки;
– таблицы с параметрами, измеренными в процессе выполнения
опытов, и параметрами, вычисленными в соответствии с требованиями программы;
– характеристики, построенные в соответствии с требованиями
программы;
– обработанные осциллограммы;
15
U, B
Ua
10
0
o
60
wt
Ua max
−10
I, A
ia
0,5
0
o
60
wt
Рис. 1.8. Пример обработки осциллограммы
– выводы по результатам лабораторной работы (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т. д.).
Отчет, как правило, печатается на принтере. Как исключение, допускается оформление отчета чернилами или шариковой ручкой,
схемы при этом выполняются карандашом, а графики строятся на
листах миллиметровой бумаги и вклеиваются в отчет.
Опытные точки могут иметь разброс. Экспериментальные кривые проводят плавно, максимально приближая к экспериментальным точкам. На графиках приводят название характеристик; обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные
величины, определяющие условия выполнения опыта. На осях
координат надо обязательно указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется, и нанести деления. Цена
деления должна быть удобной для работы.
Пример обработки осциллограммы приведен на рис. 1.8.
16
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕНТИЛЕЙ
В процессе выполнения лабораторной работы необходимо выполнить исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) следующих неуправляемых полупроводниковых вентилей:
– выпрямительных диодов;
– диодов Шоттки;
– стабилитронов;
– светодиодов.
Лабораторная работа № 1
Исследование характеристик неуправляемых
полупроводниковых вентилей
Цель работы: изучение характеристик и параметров выпрямительных диодов, диодов Шоттки, стабилитронов и светодиодов.
Ознакомление с применением выпрямительных диодов в неуправляемых выпрямителях, стабилитронов в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения, светодиодов в индикаторах.
Основные параметры
и характеристики диодов
Диод – неуправляемый полупроводниковый прибор, имеющий
один p-n переход и обладающий односторонней проводимостью.
Условное обозначение обычного выпрямительного диода приведено на рис. 2.1, а. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» – на аноде, «–» на катоде). Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода приведена на рис. 2.1, б.
При протекании тока в прямом направлении на диоде образуется
падение напряжения ∆Uв.пр. При приложении отрицательного напряжения через диод протекает ток в обратном направлении и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при
отрицательном напряжения, превышающем величину напряжения пробоя Uпр.
Параметры, характеризующие работу диода:
– среднее значение прямого тока, протекающего через диод
в прямом направлении, Iв.ср, обеспечивающее допустимый его нагрев при номинальных условиях охлаждения;
– максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии, Uобр max;
17
а)
∆Uв
Ia
б)
∆Uв.пр
+
∆ Ia
−
Uпр
Ua −к
I ут
Uо
−
+
Рис. 2.1. Условное обозначение (а) и
ВАХ выпрямительного диода (б)
– падение напряжения в прямом направлении ∆Uв.пр – это среднее значение падения напряжения при номинальном токе диода
IвN;
– пороговое напряжение (напряжение отсечки) U0, определяемое точкой пересечения линейной части прямой ВАХ с осью напряжения (рис. 2.1, б)
– дифференциальное сопротивление rв. д, которое выражает наклон прямой ветви ВАХ диода в ее линейной части и определяется отношением приращения напряжения прямой ветви ВАХ (∆Uв)
к приращению тока (∆Iа), вызвавшему это приращение напряжения: rв. д = ∆Uв./∆Iа (рис. 2.1, б).
Падение напряжения в прямом направлении определяется суммой порогового напряжения U0 и падения напряжения на дифференциальном сопротивлении диода ∆Uв = Iв.ср rв. д:
∆Uв.пр = U0+∆Uв = U0+Iв.срrв.д.
Стабилитрон – полупроводниковый прибор, принцип действия
которого основан на использовании явления лавинного пробоя,
обеспечивает постоянное напряжение (напряжение стабилизации)
независимо от проходящего через него тока. Условное обозначение
стабилитрона приведено на рис. 2.2, а, а его ВАХ – на рис. 2.2, б.
Прямая ветвь ВАХ стабилитрона идентична прямой ветви диода. Отличие заключается в обратной ветви ВАХ. Рабочий участок
18
а)
Ia
б)
Uст
a
б
Ua − к
Iст min
Iст max
Рис. 2.2. Условное обозначение (а) и ВАХ стабилитрона (б)
ВАХ стабилитрона находится на обратной ветви ВАХ, где большому изменению тока стабилизации ΔIст соответствует малое изменение напряжения стабилизации ΔUст (рис. 2.2, б, участок а–б).
Основные параметры, характеризующие работу стабилитрона:
– напряжение стабилизации Uст при заданном токе стабилизации Iст;
– постоянное прямое напряжение при прохождении прямого
тока ΔUв. пр;
– минимальный Iст min и максимальный Iст max токи стабилизации;
– температурный коэффициент напряжения стабилизации
(ТКН) αст – определяется отношением относительного изменения
напряжения стабилизации (ΔUст/Uст) к абсолютному изменению
температуры окружающей (ΔТ) среды при постоянном токе стабилизации, αст = [ΔUст/( ΔТUст)]100%;
– дифференциальное сопротивление rв.д– отношение приращения напряжения стабилизации (ΔUст) к вызвавшему его приращению тока (ΔIст), rв.д = ΔUст/ΔIст;
– максимальная допустимая мощность рассеяния стабилитрона
Рmax – это мощность потерь стабилитрона, обеспечивающая заданную надежность работы стабилитрона, Рmax = UстIст max.
Диод Шоттки – полупроводниковый прибор, в котором используется переход металл-полупроводник. Условное обозначение
диода Шоттки приведено на рис. 2.3, а. В этих диодах более предпо19
а)
Ia
б)
Uпр
I ут
Ua −к
Рис. 2.3. Условное обозначение (а) и ВАХ диода Шоттки (б)
чтительно применение полупроводника n-типа из-за более высокой
подвижности электронов по сравнению с подвижностью дырок.
ВАХ диода Шоттки приведена на рис. 2.3, б.
Основные достоинства диодов Шоттки по сравнению с выпрямительными диодами:
– прямое падение напряжения (ΔUв. пр) при той же самой плотности тока на несколько десятых вольта меньше;
– поскольку ток в диоде Шоттки проходит благодаря только механизму дрейфа, отсутствует необходимость накапливать и устранять избыточные носители, следовательно, исключается явление
возрастания прямого падения напряжения на диоде при его включении (прямого восстановления) и появления большого обратного
тока при его выключении (обратного восстановления).
По сравнению с обычным выпрямительным диодом недостатком
диода Шоттки является относительно большой обратный ток Iобр.
Основные параметры диода Шоттки:
– пороговое напряжение U0;
– дифференциальное сопротивление rв.д;
– обратный ток Iут;
– прямое падение напряжение ΔUв. пр при максимальном анодном токе Iа max .
Светодиод – полупроводниковый прибор с одним р–n-переходом,
в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных
20
а)
б)
Rб
Рис. 2.4. Условное обозначение (а) и схема
включения светодиода (б)
диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии,
которая отдается кристаллической решетке, т. е. превращается
в теплоту. В светодиодах при рекомбинации происходит излучение
света. Условное обозначение светодиода приведено на рис. 2.4, а.
ВАХ светодиода аналогична ВАХ обычного диода.
Светодиод нуждается в источнике питания с большим внутренним сопротивлением, поэтому последовательно с источником питания необходимо включать балластный резистор Rб (рис. 2.4, б).
В результате этого ток, проходящий через светодиод, меньше зависит от величины напряжения питания.
К основным характеристикам светодиода относятся:
– мощность излучения Ризл;
– длина волны излучения света λ;
– коэффициент полезного действия (КПД) η.
КПД светодиода определяется отношением мощности излучения к электрической мощности, подводимой к диоду, и лежит
в пределах 0,1–1%.
В лабораторной работе необходимо снять только прямую ветвь
ВАХ светодиода.
Описание лабораторной установки
При выполнении работы используются следующие модули:
«Диоды», «Мультиметры», «Миллиамперметры», а также двухканальный осциллограф.
Лицевая панель модуля «Диоды» показана на рис. 2.5. На ней
приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: выпрямительный
диод VD1, диод Шоттки VD2, светодиод VD3, стабилитрон VD4,
потенциометр RP1 для изменения подаваемого напряжения, рези21
ДИОДЫ
Питание
+
Выкл
SA 1
-
-
Rн
Х1
2RР1 3
R5
Х2
Х3 Х4
Х5
Х6
Х7 Х8
Х9
4 А
1
0
VD1
5
VD2
VD3 VD4
Х10
V
Х11
Rш
Х14
Х15
Х12 Х13
Рис. 2.5. Модуль «Диоды»
стор Rн = 150 Ом, и балластный резистор Rб = 1,1 кОм. Резистор Rн
используется в качестве ограничивающего ток при снятии характеристик и в качестве сопротивления нагрузки при исследовании
выпрямителя. Переключатель ЅА1 предназначен для включения
переменного или постоянного напряжения (положительного или
отрицательного), а также выключения питания модуля. Шунт
Rш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току, протекающему через диод. На передней панели
размещены также гнезда для осуществления внешних соединений
(Х1–Х15).
Питание модуля осуществляется от источников сетевого напряжения переменного тока ~220 В и постоянного напряжения ±15 В.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
– изучить устройство, принцип работы и характеристики исследуемых диодов [1];
– изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы;
– для светодиода определить величину балластного сопротивления Rб, если максимально возможный ток через светодиод
22
Imax = 10мА, пороговое напряжение светодиода U0 = 2 В, напряжение питания Uп взять в пределах от 8 до 12 В.
Программа лабораторной работы
А. Исследование ВАХ выпрямительного диода на постоянном
токе
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования выпрямительного диода на
постоянном токе (рис. 2.6). Соединить перемычкой гнезда Х2 – Х6
(см. рис.2.5). Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе «×1000» (максимальный ток 100 мА) между гнездами Х1 – Х10.
Для измерения анодного напряжения между гнездами Х3, Х14
включить мультиметр на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В». Переключить тумблер ЅА1 в положение «+».
2. Снять по точкам ВАХ выпрямительного диода на постоянном
токе.
Изменять:
– напряжение на входе (потенциометром RР1) Uп.
Измерять:
– анодный ток Iа;
– анодное напряжение Uа.
ВАХ снимать сначала для прямой, а затем обратной ветви, установив переключатель ЅА1 на «–». При смене ветви не забыть изменить полярности миллиамперметра и вольтметра и их пределы
измерения!
Результаты измерений занести в табл. 2.1.
+
+
RP 1
+ 15 B
mA
Rн
−
Ia
+
Ua
Rш
VD1
V
−
−
Рис. 2.6. Схема для исследования выпрямительного диода
на постоянном токе
23
Таблица 2.1
ВАХ диода на постоянном токе
Uа, В
Прямая ветвь
Iа, А
Обратная ветвь
Uа, В
Iа, А
После выполнения эксперимента перевести переключатель ЅА1
в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
3. По данным табл. 2.1 построить на графике № 1 ВАХ выпрямительного диода на постоянном токе. По построенной ВАХ определить основные параметры диода: пороговое напряжение U0, дифференциальное сопротивление rв.д, обратный ток Iут, прямое падение
напряжение ∆Uв.пр при максимальном анодном токе Iа max .
Б. Исследование ВАХ выпрямительного диода на переменном
токе
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования выпрямительного диода на
переменном токе с целью получения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 2.7). Вход СН2(Y) осциллографа подключить к шунту
Rш (гнездо Х13), а корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом
Х12. Вход СН1(Х) осциллографа подключить к гнезду Х3. При
этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение Х/Y. Подать питание – переключатель ЅА1 устаRн
CH1(X)
RP1
~ 12 B
VD 1
Rш
CH2 (Y)
Рис. 2.7. Схема для исследования выпрямительного диода
на переменном токе
24
новить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат.
Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5». Сфотографировать ВАХ диода. Определить масштабы по току и напряжению.
После выполнения эксперимента перевести переключатель ЅА1
в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
2. Определить по осциллограмме ВАХ параметры диода: пороговое напряжение U0, дифференциальное сопротивление rв.д, обратный ток Iут, прямое падение напряжение ∆Uв.пр при максимальном
анодном токе Iа max.
Результаты измерений занести в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Параметры ВАХ выпрямительного диода
Пороговое напряжение U0, В
Дифференциальное сопротивление rв.д, Ом
Обратный ток Iут, А
Прямое падение напряжение ∆Uв.пр, В
Сравнить эти параметры с параметрами, определенными в п. А,
объяснить причину различий.
В. Исследование электромагнитных процессов однополупериодного выпрямителя
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему однополупериодного выпрямителя (рис. 2.7).
Переключатель развертки осциллографа перевести на временную
развертку. Установить синхронизацию от сети. На экране осциллографа вы увидите осциллограммы анодного тока iа и напряжения
на диоде uа.
2. Установить с помощью регулятора RP1 заданное преподавателем напряжение на входе выпрямителя uвх. Снять осциллограммы
входного напряжения uвх, напряжения на диоде uа, напряжения на
нагрузке uнг и анодный ток iа.
После выполнения эксперимента перевести переключатель SА1
в положение «Выкл.». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
25
Г. Исследование диода Шоттки
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования диода Шоттки на постоянном
токе (рис. 2.8). Соединить перемычкой гнезда Х3, Х7. Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр
(модуль «Миллиамперметры») на пределе «х1000» (максимальный
ток 100 мА) между гнездами Х1–Х10. Для измерения анодного напряжения между гнездами Х2–Х14 включить мультиметр на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В».
Переключить тумблер ЅА1 в положение «+».
2. Снять по точкам ВАХ диода Шоттки на постоянном токе.
Изменять:
– напряжение на входе Uп.
Измерять:
– среднее значение анодного тока Iа;
– анодное напряжение Uа.
ВАХ снять сначала для прямой, а затем обратной ветви, установив переключатель ЅА1 на «–». При смене ветви надо изменить полярности миллиамперметра и вольтметра и их пределы измерения.
Результаты измерений занести в табл. 2.3.
Таблица 2.3
ВАХ диода Шоттки
Uа, В
Прямая ветвь
Iа, А
Uа, В
Обратная ветвь
Iа, А
+
+
RP 1
+15B
mA
−
Rн
Ia
+
Ua
Rш
VD2
V
−
−
Рис. 2.8. Схема для исследования диода Шоттки
на постоянном токе
26
После выполнения эксперимента перевести переключатель ЅА1
в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
По данным табл. 2.3 построить на графике № 2 ВАХ диода Шоттки.
3. По построенной ВАХ определить основные параметры диода
Шоттки: пороговое напряжение U0, дифференциальное сопротивление rв.д, обратный ток Iут, прямое падение напряжение ∆Uв.пр
при максимальном анодном токе Iа max.
Сравнить с соответствующими параметрами выпрямительного
диода.
Д. Исследование стабилитрона
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования стабилитрона VD4 на переменном токе (рис. 2.9). Соединить перемычкой гнезда Х5–Х9.
Вход СН2(Y) осциллографа подключить к шунту Rш (гнездо Х13),
а корпус осциллографа «» соединить с гнездом Х12. Вход СН1(Х)
осциллографа подключить к гнезду Х4. При этом переключатель
развертки осциллографа должен быть переведен в положение Х/Y.
Подать питание – переключатель ЅА1 установить в положение «~».
Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат.
2. Снять с помощью осциллографа ВАХ стабилитрона на переменном токе.
Вращать ручку потенциометра RР1 до положения «5». Сфотографировать с экрана осциллографа ВАХ стабилитрона, определить масштабы по току и напряжению.
Rб
CH1(X)
~ 12 B
RP1
VD 4
Rш
CH 2 (Y)
Рис. 2.9. Схема для исследования стабилитрона
27
После выполнения эксперимента перевести переключатель ЅА1
в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
3. По снятой осциллограмме ВАХ стабилитрона определить:
– напряжение стабилизации стабилитрона Uст;
– дифференциальное сопротивление rв.д на участке стабилизации.
Результаты измерений занести в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Параметры ВАХ стабилитрона
Напряжение стабилизации Uст, В
Дифференциальное сопротивление rв.д, Ом
Е. Исследование параметрического стабилизатора
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему параметрического стабилизатора напряжения
(рис. 2.10). Включить вольтметры измерительного модуля на вход
и выход стабилизатора, соответственно между гнездами Х10–Х11
и Х4–Х15. Подать постоянное напряжение переключателем ЅА1
(см. рис. 2.10, обратите внимание на полярность).
2.Снять выходную характеристику параметрического стабилизатора.
Изменять:
– напряжение питания (с помощью потенциометра RP1) Uп.
Измерять:
– напряжение питания Uп;
– напряжение на стабилитроне Uст;
– анодный ток стабилитрона Iа.
−
−
−15B
+
Rб
RP1
−
Un
+
mA
V1
+
VD 4
Rш
−
Uвых
V2
+
Рис. 2.10. Схема для исследования параметрического
стабилизатора
28
Результаты измерений занести в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Выходная характеристика параметрического стабилизатора
Uп, В
Обратная ветвь
Uст, В
Iа, мА
3. По данным табл. 2.5 построить на графике № 3 зависимость
выходного напряжения Uст от анодного тока диода Iа. Определить
напряжение стабилизации стабилизатора.
Перевести переключатель ЅА1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RР1 установить в положение «0».
4. Определить коэффициент стабилизации стабилизатора kст и
выходное сопротивление на участке стабилизации.
Расчетные соотношения:
Коэффициент стабилизации стабилитрона
kñò =
∆Uï
UïN
∆Uñò
;
UcòN
Выходное сопротивление на участке стабилизации
Rвых = ΔUcт/ΔIcт.
Ж. Исследование светодиода
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования светодиода на постоянном
токе.
Соединить перемычкой гнезда Х4–Х8 (рис. 2.11). Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр
+
+
RP1
+15 B
mA
−
Rн
Ia
+
Ua
Rш
VD 3
V
−
−
Рис. 2.11. Схема для исследования светодиода
29
(модуль «Миллиамперметры») на пределе «×100» (максимальный
ток 10 мА) между гнездами Х1–Х10. Для измерения анодного напряжения между гнездами Х5–Х15 включить вольтметр.
Переключить тумблер ЅА1 в положение «+».
2. Снять ВАХ светодиода.
Изменять:
– напряжение питания (потенциометром RP1 до положения
«5») Uп.
Измерять:
– анодное напряжение светодиода Uа;
– анодный ток светодиода Іа.
Снимать только прямую ветвь ВАХ светодиода.
Результаты измерений занести в табл. 2.6.
Таблица 2.6
ВАХ светодиода
Прямая ветвь
Uа, В
Iа, А
Перевести переключатель ЅА1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0».
3. По данным табл. 2.6 построить на графике № 4 ВАХ светодиода. Отметить на характеристике значение анодного тока Ia, при
котором становится заметным свечение.
Содержание отчета
Отчет должен содержать следующие пункты:
– наименование и цель работы;
– принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов в соответствии с мнемосхемой, приведенной на рис. 2.1;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– обработанные осциллограммы;
– выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 7, 12 и указать причины отличий результатов, полученных на постоянном токе и на переменном токе с помощью осциллографа.
Контрольные вопросы
1. Как снять по точкам ВАХ диода?
30
2. Как снять ВАХ диода с помощью осциллографа?
3. Поясните вид ВАХ стабилитрона.
4. В чем различие ВАХ выпрямительного диода, диода Шоттки,
стабилитрона и светодиода?
5. Как работает неуправляемый выпрямитель?
6. Как и для чего строят временные диаграммы токов и напряжений в схеме выпрямителя?
7. Как изменится напряжение на выходе стабилизатора при повышении температуры?
8. При каком минимальном напряжении на входе стабилизатора еще возможна стабилизация напряжения?
9. От какого параметра зависит качество стабилизации напряжения?
10. От чего зависит яркость свечения светодиода?
11. Каким образом на экране осциллографа получают изображение функциональной зависимости двух напряжений?
12. Каким образом на экране осциллографа получается изображение периодической функции времени?
31
3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Выпрямитель – это полупроводниковый преобразователь электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока [1].
Выпрямители принято классифицировать по:
– числу фаз питающего напряжения – однофазные или многофазные;
– возможности управлять величиной выходного напряжения –
управляемые или неуправляемые;
– числу полупериодов на интервале одного периода питающего
напряжения, в течение которых проходит ток через фазу вторичной обмотки– однотактные (kт = 1) или двухтактные (kт = 2);
– наличию или отсутствию сглаживающего фильтра.
Основные расчетные соотношения и характеристики
управляемых выпрямителей
Cтруктурная схема выпрямителя
На стенде ПТ2 – НРА выполняется исследование однофазного
однотактного (однополупериодного), трехфазного однотактного и
трехфазного мостового управляемых выпрямителей.
Структурная схема управляемого выпрямителя (рис. 3.1) в общем виде содержит:
– сетевой трансформатор, необходимый для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя;
– вентильный блок, который собственно и осуществляет саму
функцию выпрямления переменного ток;
– cглаживающий фильтр, который устанавливается в цепи постоянного тока и служит для подавления (уменьшения) пульсаций
выпрямленного тока и напряжения;
– схему управления и регулирования, которые применяются
только в управляемых выпрямителях;
– пуско-защитную аппаратуру, которая обеспечивает безопасный пуск и защиту выпрямителя от сверхтоков, токов короткого
замыкания, повышения и понижения напряжения выше допустимого значении;
– систему диагностики и сигнализации, которая служит для
оперативной диагностики состояния отдельных элементов и выпрямителя в целом, а также для сигнализации о возникших неисправностях этих элементов.
32
U1Λ U1; I 1 U2Λ U2 ; I2
Ud ; id
ВБ
3 ~ƒ
СФ
Т
СИФУ
Ud ; Id
нагрузка
к т m2
Рис. 3.1. Структурная схема управляемого выпрямителя
В некоторых выпрямителях перечисленные выше звенья могут
отсутствовать. Например, управляемый выпрямитель, структурная схема которого приведена на рис. 3.1, содержит только следующие основные узлы и блоки:
Т – трансформатор;
ВБ – вентильный блок преобразователя;
СФ – сглаживающий фильтр;
СИФУ – система импульсно-фазового управления.
Рассмотрим назначение указанных выше узлов выпрямителя.
Трансформатор в схеме обеспечивает преобразование величины
напряжения и числа фаз вторичной обмотки по отношению к первичной обмотке.
Вентильный блок преобразует переменное напряжение в постоянное. В общем случае вентильный блок преобразователя может
быть выполнен как на неуправляемых, так и на управляемых вентилях. Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах, а
управляемые выпрямители выполняются на управляемых вентилях. Управляемые вентили подразделяются на однооперационные
(незапираемые тиристоры), двухоперационные (запираемые тиристоры) и полностью управляемые (транзисторы). К управляемым
вентилям относятся и симметричные вентили (симмисторы), обладающие двусторонней проводимостью.
Незапираемый тиристор – это однооперационный управляемый вентиль (вентиль с неполным управлением). Условное изображение и ВАХ незапираемого тиристора приведены на рис. 3.2.
Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что
переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения
в прямом направлении («+» на аноде, «–» на катоде), т. е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток.
33
а)
Ia
б)
U пр
U a− к
I ут
Uо Uа − к а
Uпер
Рис. 3.2. Условное изображение (а)
и ВАХ однооперационного тиристора (б)
Переход вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено», т. е. запирание вентиля и прекращение протекания
через него прямого тока, возможен только при смене полярности
напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), т. е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («–» на аноде,
«+» на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает,
что вентиль можно включить воздействием по цепи управления,
но невозможно выключить по цепи управления. Для выключения
тиристора необходимо сменить полярность напряжения на вентиле
на обратную. Принятые на рис. 3.2 обозначения:
Iа – анодный ток тиристора; Uа-к – напряжение анод-катод тиристора; Uпр – напряжение пробоя при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении; Uпер – напряжение переключения
при приложении к вентилю напряжения в прямом направлении;
Iут – ток, протекающий через вентиль при приложении к вентилю
напряжения в обратном направлении; ∆Uв.пр – прямое падение напряжения на открытом вентиле.
Основные параметры тиристоров, с учетом которых производится их выбор:
– Iа – среднее значение тока тиристора, по которому он маркируется заводом изготовителем исходя из уровня допустимых потерь
активной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении
прямого тока;
– Uпр max – максимально допустимое прямое напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;
34
– Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;
– tв – время восстановления управляющих свойств тиристора;
определяется как минимально необходимая продолжительность
приложения к нему обратного напряжения (при его выключении)
после прохождения прямого тока, в течение которого тиристор восстанавливает свои запирающие свойства и к нему вновь можно приложить прямое напряжение;
– duпр/dt – предельная скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре, при превышении которого возможно самопроизвольное включение тиристора в прямом направлении. Для
большинства современных тиристоров этот показатель находится
в пределах от 100 до 1000 В/мкс;
– diпр/dt – предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная с его неполным распределением по площади р-n– перехода. Обычно этот показатель находится
в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен А/мкс;
– fпр – предельная частота импульсов прямого тока, до которой
вентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодного тока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта
величина равна 400 Гц, а для высокочастотных – до 10–20 кГц;
– ∫ι2dt – защитный показатель вентиля – это значение временного интеграла от квадрата ударного прямого тока, возникающего при аварии, при превышении которого вентиль разрушается.
Чем больше значение аварийного прямого тока через вентиль, тем
меньше его длительность;
– Uуэ, Iуэ – напряжение и ток управления тиристора, протекающий в цепи управления тиристора. Значение параметров: Uуэ – несколько вольт, а Iуэ – доли ампера.
Запираемые тиристоры – это двухоперационные полностью
управляемые тиристоры, обладающие способностью открываться
и закрываться по цепи управления. ВАХ запираемого тиристора
идентична ВАХ незапираемого тиристора. Условное изображение
запираемого тиристора приведено на рис. 3.3, а.
Симметричный тиристор (симмистор) – обладает двусторонней проводимостью. Отпирание симмистора осуществляется
путем подачи импульса управления на управляющий электрод.
Запирание симмистора осуществляется подобно незапираемому
тиристору – путем приложения к вентилю напряжения в обратном
направлении. Условное изображение симмистора приведено на
рис. 3.3, б.
35
а)
б)
Рис. 3.3. Условное изображение запираемого тиристора (а)
и симметричного тиристора (б)
Сглаживающий фильтр (СФ) служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и тока.
Управляемые выпрямители содержат в своем составе систему
импульсно-фазового управления (СИФУ), синхронизированную
с сетью переменного тока, к которой они подключены [1]. Устройство управления осуществляет формирование управляющих сигналов вентилей, регулирование фазы этих сигналов по отношению
к анодным напряжениям для обеспечения стабилизации или регулирования величины выходного напряжения, а также обеспечивает функции защиты управляемого выпрямителя.
Импульсы управления, вырабатываемые СИФУ, должны быть
распределены по вентилям силовой схемы в соответствие с числом фаз и порядком следования фаз напряжения сети переменного
тока, к которой подключен преобразователь.
Работа управляемых выпрямителей на незапираемых тиристорах осуществляется при естественной коммутации тока вентилей –
процесса перехода тока с одного вентиля на другой при открытии
очередного вентиля сигналом управления. Выключение работавшего ранее тиристора происходит после открытия очередного тиристора и приложения к выключаемому тиристору напряжения сети
переменного тока в обратном (запирающем) направлении.
Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [1]:
– средние значения выпрямленного напряжения и тока, Ud, Id,
соответственно;
– коэффициент полезного действия η;
– коэффициент мощности χ;
– внешняя характеристика – зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки Ud = f(Id) при постоянном и заданном значении
угла регулирования α;
36
– регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования Ud = f(α);
– коэффициент пульсаций – отношение амплитуды высшей гармоники (Uk.m) (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (Ud) (тока)
kпk = Ukm/Ud, (3.1)
где k – номер гармоники.
Для первой (основной) гармоники k = 1. Коэффициент пульсаций для первой гармоники kп1 определяется по формуле:
kп1 = U1m/Ud. (3.2)
Коммутация тока в выпрямительных
преобразователях
В выпрямителях коммутация тока с вентиля на вентиль осуществляется естественно за счет спада волны фазного напряжения.
Практически такой процесс осуществляется в течение конечного
интервала времени, выражаемого в угловых единицах через γ. Угол
γ принято называть углом коммутации. Причиной конечного значения угла γ > 0 является наличие в фазных цепях на входе выпрямителя индуктивных сопротивлений хф, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора, индуктивностями кабелей линии передачи, индуктивностями генераторов переменного
тока, создающих питающую сеть.
В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации
можно определить по формуле (3.3):
xÔ


(3.3)
=
γ arccos  cos α −
I − α, π d
2U2 sin


m2 

где U2 –действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора; Id – среднее значение тока нагрузки; m2 –
число фаз вторичной обмотки трансформатора.
Анализируя выражение (3.3), можно установить, что угол коммутации γ возрастает при увеличении индуктивного сопротивления
рассеяния обмоток трансформатора xф и тока нагрузки Id, а увеличение напряжения переменного тока U2 приводит к уменьшению
угла коммутации γ.
37
Угол коммутации оказывает влияние на величину выходного
напряжения выпрямителя. Падение выпрямленного напряжения
от явления коммутации принято называть индуктивным падением
напряжения и обозначать как ΔUdх
kTm2
∆Udõ =
xÔ Id , 2π
или
(3.4)
∆Udõ =
ÕÊ Id ,
где XÊ =
kTm2
xΦ , kт – коэффициент тактности выпрямителя.
2π
Коэффициент мощности выпрямителя
Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей
сети по первой (основной) гармонике P1(1) к полной мощности S1,
потребляемой выпрямителем из питающей сети [1]:
x=
P1(1)
,
(3.5)
S1
где P1(1) = m1U1I1(1)cosϕ(1) – активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармонике;
S1 = m1U1I1 – полная мощность, потребляемая выпрямителем из
питающей сети; m1– число фаз сети, питающей выпрямитель; U1 –
действующее значение напряжение фазы сети, питающей выпрямитель; I1 – действующее значение тока фазы сети, питающей выпрямитель; I1(1) – действующее значение первой гармоники тока
фазы сети, питающей выпрямитель; ϕ(1) – фазовый сдвиг первой
гармоники тока фазы по отношению к первой гармонике напряжения фазы сети, питающей выпрямитель.
=
x
m1U1 I1(1) cos ϕ(1) I1(1)
=
cos ϕ(1) , m1U1 I1
I1
(3.6)
где I1(1)/I1 = kиск – коэффициент искажения формы тока питающей
сети; cos ϕ(1) = kсдв – коэффициент сдвига первой гармоники тока
питающей сети по отношению к напряжению.
Как было показано выше, кривые токов, потребляемых выпрямителями, отличны от синусоидальной формы и, кроме первой (ос38
новной) гармоники, содержат в своем составе и высшие гармонические, порядок k которых определяется соотношением
k = kтm2n ± 1, (3.7)
где n = 1, 2, 3, 4, …– натуральный ряд чисел.
По формуле (3.7) нетрудно определить, что в кривой первичного тока трехфазной мостовой схемы выпрямления (kТm2 = 6) содержатся гармоники порядков 5, 7, 11, 13 и выше, а в кривой трехфазной однотактной схемы выпрямления (kтm2 = 3) содержатся
высшие гармоники порядков 2, 4, 5, 7 и выше.
Амплитуда высшей гармоники при прямоугольной форме кривой тока вторичной обмотки трансформатора обратно пропорциональны номеру гармоники, т. е.:
Ik =
I1
.
k
(3.8)
Следует отметить, что гармоники более высоких порядков имеют
меньшую амплитуду и легче отфильтровываются вследствие более
высокой частоты. Поэтому многофазные схемы оказывают меньшее
отрицательное влияние на работу силовой сети переменного тока.
Без учета коммутационных процессов коэффициент искажения
формы тока питающей сети трехфазного мостового выпрямителя
kèñê =
I1(1)
I12(2) + I12(3) + I12(5) + I12(7) + I12(8) + ... + I12(k)
.
(3.9)
Для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения формы тока первичной сети при Ld = ∞
kèñê=
3
= 0,955.
π
С учетом коммутационных процессов коэффициент искажения
несколько увеличивается, что приводит к повышению коэффициента мощности выпрямителя в целом. Так, для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения определяется по
формуле
3
γ γ2 
kèñê ≈ 1 +
− . (3.10)
π  4π 24 
Без учета угла коммутации коэффициент сдвига равен косинусу
угла регулирования, т. е. kсдв = cosα.
39
Для выпрямительного режима с учетом угла коммутации угол
ϕ(1) = α+γ/2 и коэффициент сдвига управляемого выпрямителя следует определять по формуле
1
kñäâ
= cos(α + γ). 2
(3.11)
При γ < 30° более точные результаты определения kсдв дает формула
cos α + cos(α + γ)
kñäâ =
. (3.12)
2
Регулировочная характеристика
управляемого выпрямителя
Регулировочная характеристика – это зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования α, т. е. Ud = f(α).
При непрерывном характере тока нагрузки (нагрузка активноиндуктивная, Ld = ∞) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схеме, представляет собой косинусоиду
при любом числе вторичных фаз.
=
Ud Ud0 cos α. (3.13)
При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоиды. Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из-за появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m2) и
чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (Ld).
Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного
и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным
углом и обозначается как αгр, а угол регулирования, при котором
выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как αзап.
При чисто активном характере нагрузки (Ld = 0) для любой схемы выпрямления можно выделить два участка.
Первый участок регулировочной характеристики, 0 < α < αгр,
ток нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет
=
Ud Ud0 cos α.
косинусоидальный характер:
Второй участок регулировочной характеристики, αгр < α < αзап.,
ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой
40
=
Ud
Ud0
π
[1 − sin(α −
)]. π
k
òm2
2 sin
kòm2
(3.14)
При расчете характеристик однофазного однотактного (однопо
лупериодного)
выпрямителя произведение kтm2 необходимо принимать равным 2, т. е. kтm2 = 2.
Значения углов αгр и αзап, определяются следующими соотношениями
π
π
α ãð = −
;
(3.15)
2 kòm2
π
π
αçàï = +
.
2 kòm2
(3.16)
Определим по (3.15) и (3.16) значения углов αгр и αзап для рассмотренных выше схем выпрямления и сведем эти значения в табл. 3.1.
Регулировочные характеристики однофазного однотактного
(однополупериодного), однофазного мостового (kтm2 = 2), трехфазного однотактного (kтm2 = 3) и трехфазного мостового (kтm2 = 6) для
случая чисто активной нагрузки (Ld = 0) и активно-индуктивной
нагрузки (Ld ≠ 0) приведены на рис. 3.4.
Ud α /Ud 0
1,0
L d = 0, k T m 2 = 2
0,8
L d = 0, k T m 2 = 3
0,6
0,2
0
k Tm2 =6
Ld = 0,
0,4
30
60
90
120 150 180
α
Рис. 3.4. Регулировочные характеристики
управляемых выпрямителей
41
Таблица 3.1
Значения углов αгр и αзап
Схема
kт m2
αгр
αзап
Однофазная однотактная
(однополупериодная)
2
00
1800
Однофазная мостовая
2
00
1800
Трехфазная однотактная
3
300
1500
6
600
1200
Трехфазная мостовая
Внешняя характеристика выпрямителя
Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость среднего значения напряжения нагрузки от тока нагрузки, т. е. Ud = f(Id)
при постоянном (заданном) значении угла регулирования α.
Выражение внешней характеристики выпрямителя имеет вид
=
Ud Ud0 cos α − ∆UX − ∆UR Ô − ∆URL − ∆UB . (3.17)
В выражении (3.17) учтены следующие падения напряжения
при протекании тока нагрузки Id:
– ∆Uх – индуктивное падение напряжения, вызванное явлением
коммутации;
∆Uх = ХкId;
– ∆URф– падение напряжения на активных сопротивлениях
трансформатора и вентильного блока выпрямителя (активное падение напряжения):
∆URф = kтIdRф, (3.18)
где Rф = Rтр+Rв.дин – сумма активных сопротивлений обмотки трансформатора Rтр и динамического сопротивления вентиля Rв.дин.
Rтр = R2+R1′,
где R2 – активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора; R1′ – активное сопротивление первичной обмотки, приведенное к виткам вторичной обмотки трансформатора;
– ∆URL – падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра (RLd);
∆URL = IdRLd; – ∆Uв – падение напряжения на открытом тиристоре;
42
(3.19)
∆Uв = kт∆Uв.пр, (3.20)
где kт – коэффициент тактности выпрямителя.
Следует отметить, что внешняя характеристика выпрямителя
соответствует соотношению (3.17) только для режима непрерывного тока нагрузки. При ограниченной величине индуктивности цепи
постоянного тока, углах регулирования αгр < α и малых токах нагрузки наступает режим прерывистых токов нагрузки, при которых
внешняя характеристика резко поднимается вверх (см. рис. 3.5).
Увеличение выпрямленного напряжения в этом случае происходит
за счет сокращения длительности работы тиристора в отрицательной области напряжения U2 вторичной обмотки трансформатора.
При холостом ходе (Id = 0) напряжение в режиме прерывистых
токов (αгр < α) может быть подсчитано по формуле (3.14).
Прерывистый характер тока имеет место при токах нагрузки Id:
0 < Id < Iгр.m.
=
Iãð.m
Ud0
π
π
ctg
sin α(1 −
), ωC Ld
kòm2
kòm2
(3.21)
где ωc = 2πfc; fc – частота сети, питающей выпрямитель; Ld – индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.
Принятые на рис. 3.5 обознаUda /Ud 0
чения:
– Udα/Ud0 – относительная ве1
1,0
α=0
личины напряжения на выходе
21
211
выпрямителя;
α=0
– Id/IdN – относительная вели- 0,8
1
чина тока нагрузки выпрямителя.
α=41
Для трехфазного мостового выпрямителя, а также для 0,6
всех схем, пульсность которых
1
α=60
p = kтm2 = 6, граничное значение
Граница
0,4
тока определяется по формуле
прерывестости
=
Iãð.m 0,0946
Ud0
sin α. (3.22)
ωC Ld
Коэффициент полезного действия выпрямителя
Pd
,
η=
Pd + ∑ ∆P
(3.23)
тока
0,2
1
α=70
I d /IdN
I dkp
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис. 3.5. Внешние характеристики управляемого выпрямителя
43
где Рd = UdId – полезная мощность выпрямителя, выделяемая на
нагрузке; ∑∆Р – суммарная мощность потерь выпрямителя.
∑ ∆Р = ∆Ртр+∆Рдр+ ∆Рв ;
∆Ртр = ∆Рc+ ∆Рм,
где ∆Ртр – потери в трансформаторе; ∆Рc – потери в стали трансформатора; ∆Рм – потери в меди трансформатора; ∆Рдр = Id2RL – потери
в меди дросселя; ∆Рв – потери в вентилях выпрямителя;
∆Рв = kтId∆U0.+kтIв2 Rв.дин,
где Iв – действующее значение тока, протекающего через вентиль.
Лабораторная работа № 2
Исследование однофазных однотактных (однополупериодных)
управляемых выпрямителей
Цель работы: исследование электромагнитных процессов, регулировочных и энергетических характеристик управляемых выпрямителей, выполненных по однофазной однотактной (однополупериодной) схеме выпрямления на обычных (незапираемых) и
запираемых тиристорах, при работе на активную и активно-индуктивную нагрузку.
Устройство и принцип работы однофазного однотактного
управляемого выпрямителя
На рис. 3.6 приведена схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу однофазного однотактного управляемого выпряa)
T
б)
VS
+
Ud Rd
−
U
Ud
α
0
Uу
π
2
Ud
π
2πω1t
U2
α
ω1t
Рис. 3.6. Схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу
однофазного однотактного управляемого выпрямителя
44
мителя. Рассмотрим работу управляемого однофазного однотактного выпрямителя на активную нагрузку.
Для открытия тиристора необходимо выполнить два условия:
– первое условие такое же, как и у диода – потенциал его анода
должен быть выше потенциала катода;
– второе условие – наличие импульса управления на его управляющем электроде.
Фазовый сдвиг импульса управления по отношению к точке
естественного зажигания называется углом управления (или регулирования) α. В рассматриваемой схеме точкой естественного зажигания является точка пересечения синусоиды напряжения вторичной обмотки трансформатора u2 с осью времени ω1t. Из рис. 3.6, б
видно, что регулируя угол α от нуля до 180°, можно регулировать
напряжение нагрузки в пределах от Ud0 = 0,45U2 до 0.
Выведем выражение регулировочной характеристики однофазного однотактного управляемого выпрямителя при активной нагрузке.
π
U
=
d
1
1
u2d=
ωt
U2 (1 + cos=
α) 0,225U2 (1 + cos α). (3.24)
∫
2π
π 2
α
Так же, как и у неуправляемого выпрямителя, среднее значение
тока нагрузки равно среднему значению тока вентиля:
=
Id I=
â.ñð
Ud
.
Rd
На интервале закрытого состояния вентиля к нему прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора в обратном,
т. е. запирающем направлении. Максимальная величина этого
напряжения равна амплитудному значению напряжения u2, т. е.
Uâ.îáð.m = 2U2 .
Описание лабораторной установки
В лабораторной работе используются следующие модули: «Тиристоры», «Вольтметры», «Измеритель мощности», а также двухканальный осциллограф.
Лицевая панель модуля тиристоров показана на рис. 3.7.
На лицевой панели приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: тиристор VD1, симметричный тиристор VD2 (в данной работе не используется), запираемый тиристор VD3, активное и индуктивное сопротивления нагрузки однополупериодного выпрямителя
45
(Rн = 150 Ом и Lн = Ld = 70 мГн).
Потенциометр RP1 служит для
+15В
изменения напряжения управХ1
Х2
Питание
А
SA1
ления. Система управления (СУ)
SA2
формирует управляющие имLн
V
пульсы, сдвигаемые по фазе, при
+15В
Rн
Х4
изменении входного управляюХ6
R Х5
VS1 VS2
щего напряжения Uупр = 0...10 В.
А
Х7
Х3
VS3 SA3
3
Х8
RР1 2
Х9
Шунт RЅ1 = 10 Ом служит для
V
1
4
-12В
осциллографирования
сигна0
5 V
Х11 RS1 Х12
ла, пропорционального току
Х10
через тиристор, а RЅ2 = 10 Ом
Х13 Х14
для осциллографирования тока
СУ
Х19
управления. Усилитель DА1 поХ15 SA4 VS1
Х21
RS2 Х16
VS2
зволяет усилить сигнал тока,
VS3
Х20
Х17 Х18
снимаемый с шунта RЅ1. Также
на передней панели размещены
гнезда для осуществления внешних соединений Х1–Х21, ручка
Рис. 3.7. Лицевая панель модуля
«Тиристоры»
потенциометра RP1, переключатель вида нагрузки ЅА1 (активной – положение вверх или активно-индуктивной – положение
вниз) и переключатель каналов подачи управляющих импульсов
на соответствующие тиристоры ЅА3.
Переключатель ЅА2 в данной работе подает на схему переменное
напряжение (~12 В). На мнемосхеме не показан понижающий трансформатор, от которого переменное напряжение U2 подается на схему.
Подача питания выполняется при включении сетевого выключателя, установленного на модуле.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
– изучить устройство, принцип работы, характеристики однофазного однотактного управляемого выпрямителя [1];
– изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы.
МОДУЛЬ ТИРИСТОРОВ
1. Исследование однофазного однополупериодного
управляемого выпрямителя на незапираемом тиристоре
Программа лабораторной работы
Собрать схему однополупериодного управляемого выпрямителя
на незапираемом тиристоре в соответствии с рис. 3.8. Дополнитель46
ные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему,
показаны штриховой линией. В табл. 3.2 приведены измерительные приборы, используемые в лабораторной работе, в соответствии
с принятыми обозначениями на схеме (см. рис. 3.7).
Переключить тумблер ЅА2 (см. рис. 3.7) в верхнее положение,
соответствующее активной нагрузке, а ЅА3 – в нижнее положение,
подключив цепь нагрузки тиристора VS1 к источнику переменного напряжения (~12 В). Переключатель ЅА4 установить в верхнее
положение, соответствующее управлению тиристором VS1. Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах
согласно табл. 3.2.
Таблица 3.2
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
Предел
прибора
измерения
Местоположение
прибора (название
модуля)
Действующие значения тока
I2, напряжения U2, активная
мощность Р2, полная мощность S2, коэффициент сдвига
cosϕ
W
U2~30 В
I2~0,2 А
Измеритель мощности
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud
V2
= 20 В
Мультиметры
Напряжение управления Uупр
V1
= 20 В
Мультиметры
А. Снять регулировочную характеристику системы импульснофазового управления
Регулировочная характеристика системы импульсно-фазового
управления (СИФУ) представляет собой зависимость угла управления α от напряжения управления Uупр, α = f (Uупр).
Порядок выполнения опыта
1. Подключить вход СН2 осциллографа к гнезду Х4, а корпус
(⊥) – к гнезду Х14 (напряжение на тиристоре ua). Включить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель
мощности».
2. Регулировать угол управления α, изменяя напряжение управления Uупр.
3. Снять регулировочную характеристику α = f(Uупр) при чисто
активной нагрузке.
47
Изменять:
– напряжение управления U упр.
Измерять:
– угол управления α.
Данные измерений занести в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Регулировочная характеристика СИФУ
U упр, В
0
α, град.
Величину угла управления α в этой лабораторной работе следует определять при помощи осциллографа по кривой напряжения на
тиристоре.
В дальнейшем, пользуясь этой характеристикой, можно определять угол управления α, не пользуясь осциллографом.
Б. Снять регулировочную и энергетические характеристики силовой схемы управляемого выпрямителя при активной нагрузке
(Lнг = 0)
Регулировочная характеристика силовой схемы управляемого
выпрямителя – это зависимость напряжения на выходе выпрямителя Ud от угла управления α.
Энергетические характеристики управляемого выпрямителя –
это зависимости Р 2 = f (α), Ѕ 2 = f (α), χ = f (α), η = f (α) и cosϕ = f (α).
Переключить тумблер ЅА1 (рис. 3.8) в верхнее положение, соответствующее активной нагрузке.
Изменять:
– напряжение управления (ручкой потенциометра RP1) Uупр.
Измерять:
– напряжение сети переменного тока U2;
– ток, потребляемый из сети переменного тока I2;
– активную мощность, потребляемую из сети переменного тока
Р2;
– полную мощность, потребляемую из сети переменного тока S2;
– коэффициент сдвига cosϕ;
– среднее значение выпрямленного напряжения Ud.
Вычислить:
– мощность, потребляемую нагрузкой Pd;
– коэффициент мощности на входе выпрямителя χ;
– коэффициент полезного действия выпрямителя η.
48
X1
SA1
W
Lн
X2
X2
V2
+
Rн
Rогр X5 X6 X6 X15
+10В
X6
V1
X10
RP1
−
X4
~10В
СУ
RS2 X16 X7
VS1
X11
CH2
RS1
CH1
Рис. 3.8. Схема для исследования однополупериодного управляемого
выпрямителя на незапираемом тиристоре
Расчетные соотношения:
2
2
=
Pd U=
=
; χ Ð2 /=
S2 ; η Pd / Ð2 .
í Rí Uí 150
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Регулировочная характеристика силовой схемы выпрямителя
при активной нагрузки (Lн = 0)
Uу, В
α, град
0
30 
60
90
120
150
180
Измерено
U2, В
I2, А
Р2, Вт
S2, ВА
cosϕ
ϕ
Вычислено
Ud, В
Pd, Вт
χ
η
49
В. Снять регулировочную и энергетические характеристики
управляемого выпрямителя в целом при активно-индуктивной нагрузке (Lн≠0)
Ud = f(α), Р 2 = f(α), Ѕ 2 = f(α), χ = f(α), η = f(α) и cosϕ = f(α).
Повторить опыт регулировочной характеристики, изменив характер нагрузки. Переключить тумблер ЅА1 (см. рис. 3.8) в нижнее
положение, разомкнув индуктивность нагрузки Lн. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.5.
Расчетные соотношения:
2
2
=
Pd U=
=
; χ Ð2 /=
S2 ; η Pd / Ð2 .
í Rí Uí 150
По данным табл. 3.4 построить на графике № 1 характеристики
Ud = f (α), χ = f(α), η = f (α) и cosϕ = f (α) при активной нагрузке.
По данным табл. 3.5 построить на графике № 2 характеристики
Ud = f (α), χ = f (α), η = f (α) и cosϕ = f (α) при активно-индуктивной нагрузке.
По формуле (3.24) выполнить расчет регулировочной характеристики при активном характере нагрузки. Результаты расчета свести в табл. 3.6. По данным табл. 3.6 построить на графике
№ 1 теоретически рассчитанную регулировочную характеристику
Ud = f(α).
Таблица 3.5
Регулировочная характеристика при активно-индуктивной
нагрузке (Lн≠0)
Uу, В
α, град
Измерено
U2, В
I2, А
Р2, Вт
S2, ВА
cosϕ
ϕ
Вычислено
Ud, В
50
Pd, Вт
χ
η
0
30 
60
90
120
150
180
Таблица 3.6
Теоретически рассчитанная регулировочная характеристика Ud = f(α)
α, град.
0
Ud, В
При активной нагрузке и заданном угле управления α снять
осциллограммы напряжения на тиристоре ua, (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х4, а корпус (⊥) – к гнезду Х14) и
анодного тока іa, (снимается с шунта RЅ1; вход СН1 осциллографа
подключить к гнезду Х13). Затем снять отдельно осциллограмму
выпрямленного напряжения ud (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду X2, а корпус (⊥) – к гнезду Х4, временно отключив
вольтметр V2 от измеряемой цепи).
Снять те же осциллограммы при заданном угле управления α и
активно-индуктивной нагрузке, сравнить осциллограммы.
Сравнить снятые регулировочные характеристики и, пользуясь
осциллограммами, объяснить причины их отличий.
Выключить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».
2. Исследование однофазного однополупериодного
управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре
Собрать схему в соответствии с рис. 3.8, а вместо тиристора VS1
включить запираемый тиристор VЅ3. Для этого подать на управляющий электрод VS3 импульсы от системы управления (СУ), переключив переключатель ЅА4 в крайне нижнее положение и соединив
перемычкой гнезда Х9–Х16. Переключить тумблер ЅА1 (см. рис.
3.8) в верхнее положение, замкнув индуктивность нагрузки Lн.
А. Снять регулировочную и энергетические характеристики
управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре при активной нагрузки (Lнг = 0)
Ud = f(α), Р 2 = f(α), Ѕ 2 = f(α), χ = f (α), η = f(α) и cosϕ = f(α).
Переключить тумблер ЅА1 (см. рис. 3.8) в верхнее положение,
соответствующее активной нагрузке.
Изменять:
– напряжение управления (ручкой потенциометра RP1) Uупр.
Измерять:
– напряжение управления Uупр;
51
– угол управления α;
– напряжение переменного тока на входе выпрямителя U2;
– ток на входе выпрямителя I2;
– активную мощность на входе выпрямителя Р2;
– полную мощность на входе выпрямителя S2;
– коэффициент сдвига сosϕ;
– угол фазового сдвига первой гармоники тока и напряжения на
входе выпрямителя ϕ;
– среднее значение напряжения нагрузки Ud.
Вычислить:
– мощность, потребляемую нагрузкой, Pd;
– коэффициент мощности на входе выпрямителя, χ;
– коэффициент полезного действия выпрямителя η.
Продолжительность работы запираемого тиристора установлен
равным λ = 60о. Угол выключения β для запираемого тиристора
принять равным α + 60о.
Измерение угла выключения β производится с помощью осциллографа.
Расчетные соотношения:
2
2
=
Pd U=
í Rí Uí 150; χ = Р2/S2; η = Pd/Р2.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя
на запираемом тиристоре при активной нагрузке (Lн = 0)
Uу, В
Измерено
α, град
U2, В
I2, А
Р2, Вт
S2, ВА
cosϕ
ϕ
Вычислено
Ud, В
52
Pd, Вт
χ
η
0
30
60
90
120
150
180
Расчетные соотношения:
2
2
=
Pd U=
=
; χ Ð2 / S
=
Pd / Ð2 .
í Rí Uí 150
2; η
Для случая активной нагрузки найти угол управления α, при
котором коэффициент мощности χ и коэффициент сдвига cosϕ преобразователя максимальны.
Б. Снять регулировочную и энергетические характеристику при
активно-индуктивной нагрузки (Lн ≠ 0)
Р2 = f(α), Ѕ2 = f(α), χ = f(α),
η = f(α) и cosϕ = f(α).
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.8.
Расчетные соотношения:
2
2
=
Pd U=
=
; χ Ð2 / S
=
Pd / Ð2 .
í Rí Uí 150
2; η
По данным табл. 3.7 построить на графике № 3 характеристики
Ud = f(α), χ = f(α), η = f(α) и cosϕ = f(α) при активной нагрузке.
По данным табл. 3.8 построить на графике № 4 характеристики
Ud = f(α), χ = f(α), η = f(α) и cosϕ = f(α) при активно-индуктивной нагрузке.
Таблица 3.8
Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя на запираемом тиристоре при активно-индуктивной нагрузки (Lн ≠ 0)
Uу, В
α, град
0
30
60
90
120
150
180
Измерено
U2, В
I2, А
Р2, Вт
S2, ВА
cosϕ
ϕ
Вычислено
Ud, В
Pd, Вт
χ
η
53
При активной нагрузке и заданном угле управления α снять осциллограммы:
– напряжения на тиристоре ua, (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х4, а корпус (⊥) – к гнезду Х14);
– анодного тока іa, (снимается с шунта RЅ1; вход СН1 осциллографа подключить к гнезду Х13);
– выпрямленного напряжения ud (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду X2, а корпус (⊥) – к гнезду Х4, временно отключив вольтметр V2 от измеряемой цепи).
Снять те же осциллограммы при заданном угле управления α и
активно-индуктивной нагрузке, сравнить осциллограммы.
Сравнить снятые регулировочные характеристики и, пользуясь
осциллограммами, объяснить наличие перенапряжений в схеме
с запираемым тиристором.
Выключить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– обработанные осциллограммы;
– выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 3, 4, 9.
Контрольные вопросы
1. Как работает однополупериодный управляемый выпрямитель?
2. Что такое угол управления? По какой осциллограмме его
можно определить?
3. На что влияет угол управления?
4. От чего зависит форма напряжения на нагрузке?
5. Можно ли выполнить управляемый выпрямитель на транзисторе? Если нет, то почему; если да, то как?
6. Как влияет вид нагрузки на осциллограммы напряжения и
тока?
7. Что такое угол проводимости вентилей?
8. Что такое регулировочная характеристика?
54
9. От чего зависит вид регулировочной характеристики?
10. Можно ли снять регулировочную характеристику на холостом ходу? Обоснуйте ответ.
11. Чем определяется диапазон изменения угла управления, необходимый для полного регулирования выпрямленного напряжения?
Лабораторная работа № 3
Исследование трехфазных управляемых выпрямителей
Цель работы: исследование характеристик и электромагнитных
процессов управляемых выпрямителей, выполненных по трехфазной однотактной схеме (kт = 1, m2 = 3) и трехфазной мостовой схеме
(kт = 2, m2 = 3), при работе на активную, активно-индуктивную нагрузку и активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС.
Устройство и принцип работы трехфазного
однотактного выпрямителя
Трехфазный однотактный выпрямитель, или трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, имеет в своем составе вентильный блок и сетевой трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду с выводом
нулевой точки этой обмотки. Тиристоры подключены к выводам
вторичных обмоток своими анодами, а катоды их соединены в общую точку. Нагрузка подключена между нулевой точкой вторичной обмотки и общей точкой
A
B
C
катодов вентилей. Общая точка
катодов вентилей служит положительным полюсом выходного напряжения, а нулевая точка
T
вторичной обмотки трансформа0
тора – отрицательным полюсом.
Ld
Вентили поочередно пропускают ток через цепь нагрузки. На
a
b
c
рис. 3.9 приведена электрическая
VS1 VS3 VS5
схема трехфазного однотактного
Rd
управляемого выпрямителя.
Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными
Рис. 3.9. Схема трехфазного
однотактного управляемого
на рис. 3.10. Токи в вентиле и совыпрямителя
ответствующей фазе вторичной
55
обмотки трансформатора равны iв = i2 (для конкретных фаз iв1 = iа,
iв3 = iв, iв5 = ic) и протекают только на одном полупериоде напряжения переменного тока в течение временного такта θ = 2π/3. Поэтому
этот преобразователь называют трехфазным однотактным. Начало
ведения тока вентилем определяется моментом подачи импульсов
управления uу.в на этот вентиль и характеризуется углом регулирования (или управления) α, отсчитываемым от точек пересечения
фазных напряжений k, l, m – точек естественного открытия вентилей, в сторону отставания. Опережение импульсами управления
точек k, l, m не приведет к естественной коммутации тока вентилей,
так как в таком случае ток должен переходить с вентиля, имеющего более высокий потенциал анода, на вентиль с меньшим анодным
потенциалом, что может быть осуществлено только с применением
устройств принудительной коммутации или двухоперационных и
полностью управляемых вентилей. На временной диаграмме рис. 3.9
принято α = 0. В каждый момент времени мгновенное значение
выпрямленного напряжения ud (утолщенная кривая на рис. 3.10)
определяется мгновенным значением кривой напряжения той
фазы, с которой соединен работающий вентиль. Среднее значение
выпрямленного напряжения Ud зависит от угла управления и от
режима работы схемы, который при этом имеет место. Так, для
режима, соответствующего активно-индуктивному характеру нагрузки (Ld = ∞) и α > π/6, прохождение анодного тока через вентиль
не прекращается в течение такта θ, несмотря на то, что к концу интервала работы вентиля в фазе вторичной обмотки трансформатора
появляется отрицательное напряжение. Это объясняется тем, что
возникающая в процессе снижения анодного тока положительная
ЭДС самоиндукции на Ld уравновешивает отрицательное фазное
напряжение, падение напряжения в вентиле и активное падение
напряжения в анодной цепи. Поэтому при Ld = ∞ ток непрерывен
при любом значений угла α и выражение для среднего значения
выпрямленного напряжения имеет вид
=
Udα
5
π+α
6
3
3 3
=
ua dωt
U
=
2 cos α kcxU2 cos α, ∫
2π 1
π 2
π+α
(3.25)
6
где Udα – среднее значение выпрямленного напряжения управляо; u
емого выпрямителя при α > 0
=
2U2 sin ωt; U2 – действующее
a
значение вторичного фазного напряжения трансформатора; kсх –
56
коэффициент преобразования схемы, для трехфазного однотактного выпрямителя kсх = 1,17.
Среднее за период значение тока вентиля
=
Iâ.cp
5
π+α
6
1
1
=
ia dωt
Id , ∫
2π 1
3
(3.26)
π+α
6
где iа – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора на интервале проводящего состояния вентиля VS1 равен току нагрузки:
ia = Id.
Действующее значение фазного тока схемной обмотки (вторичной) трансформатора и действующее значение тока вентиля
Iâ.ä = I2 =
5
π+α
6
1
2π 1
6
∫
ia2 dωt =
π+α
1
3
Id . (3.27)
Напряжение на каждом вентиле равно разности фазных напряжений – фазы, подключенной к аноду того вентиля, на котором определяет напряжение, и фазы, подключенной к аноду работающего
вентиля. Например, при работе вентиля VS3 напряжение на вентиле VSI uв1 = uа–uв, а при работе вентиля VS5 – uв1 = uа–uс (рис. 3.10).
Следовательно, максимальное значение обратного напряжения
на вентиле равно амплитуде линейного вторичного напряжения
трансформатора
Uâ m ax = 6U2 . (3.28)
При α = π/2 в соответствии с (3.25) Ud = 0, что и определяет диапазон изменения угла регулирования выпрямителя при активно –
индуктивном характере нагрузки (Ld = ∞): 0 ≤ α ≤ π/2.
При чисто активной нагрузке (Ld = 0) прерывистый ток получается при углах регулирования α > π/6, а среднее значение выпрямленного напряжения при α > π/6 определяется по формуле
π
Udα
=

3
3
π

ua dωt
U2 1 + cos  + α   . =
∫
2π 1
π 2 
6

6
(3.29)
π+α
57
α= 0
u
ua
k
ub
l
m
0
π
uc
ua
k
l
2π
θ= 2 π
3
Uyvs 1
ΔUв.пр.=0
ua –ub
i
Id
iv1= i a
4π
ωt
ωt
ωt
u v1
√2 √3 Uф
3π
Ud
ωt
Uyvs 3
Uyvs 5
u
ud
ωt
ua–uc
ωt
Рис. 3.10. Временные диаграммы, поясняющие работу
трехфазного однотактного выпрямителя
Нетрудно видеть, что в этом случае выходное напряжение будет
равно нулю только при α = 5π/6. Напомним, что временные диаграммы рис. 3.10 характеризуют работу трехфазного неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом при угле регулирования
α = 0.
Режим работы трансформаторов в этой схеме выпрямления так
же, как и в других схемах выпрямления, существенно отличается
от работы их в линейных цепях переменного тока. В основе этого
лежит несинусоидальность токов в схемных (вторичных) обмотках
и в ряде схем еще и однополупериодность (однотактность) протекания токов по фазам вторичных обмоток. В результате создаются
условия, приводящие к образованию постоянных составляющих
токов во вторичных обмотках трансформатора [см. рис. 3.10, кривую тока iв1 = iа = f(ωt)].
Несинусоидальность токов вторичных обмоток обуславливает
также несинусоидальность токов в фазах первичных обмоток, но
в токах этих обмоток отсутствуют постоянные составляющие. Дополнительной особенностью, связанной с различной формой первичных и вторичных токов, является различная величина действующих значений этих токов по отношению к среднему значению
58
выпрямленного тока Id и, следовательно, различная величина расчетной мощности обмоток трансформаторов.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного
однотактного выпрямителя fп = kтm2fc = 1·3 fc = 3fc.
Достоинства схемы:
1) cравнительно простая и дешевая силовая схема;
2) в каждый момент времени ток нагрузки проходит только через один вентиль, что снижает потери мощности в вентильном блоке и повышает КПД.
Недостатки схемы:
1) плохое использование трансформатора по мощности;
2) плохое использование вентилей по току и напряжению;
3) сравнительно низкая частота пульсаций выпрямленного напряжения.
Устройство и принцип работы трехфазного
мостового управляемого выпрямителя
В схеме трехфазного мостового выпрямителя (рис. 3.11) вентили объединены в две группы – катодную и анодную, при этом аноды
и катоды вентилей соответствующих групп соединяются попарно
и подключаются к трехфазной вторичной обмотке трансформатора. Следует отметить, что испольB
C
A
зование выпрямителя возможно
также без сетевого трансформатора Т при прямом подсоединении
вентильного блока к трехфазT
ной сети. Между общей точкой
катодов и общей точкой анодов
групп вентилей присоединяется
нагрузка. По отношению к внешVS4
VS1
ней цепи общая точка катодов
a
является положительным полюVS6
VS3
сом, а общая точка анодов – отb
рицательным. В данной схеме во
VS5
VS2
c
внекоммутационном интервале
одновременно работают два вентиля – по одному в катодной и
Rd
Ld
анодной группах. В результате
цепь нагрузки в любой момент
присоединена к питающим фазам Рис. 3.11. Трехфазный мостовой
управляемый выпрямитель
на линейное напряжение.
59
Предположим, что выпрямитель выполнен на неуправляемых
вентилях. В этом случае в каждый момент времени одновременно
будут вести ток два вентиля, находящиеся под наибольшим мгновенным линейным напряжением. В табл. 3.9 приведена очередность работы вентилей с учетом подачи напряжения на вентильный
блок (рис. 3.12). Как видно из табл. 3.9, естественное переключение
вентилей происходит через интервалы, равные π/3, составляющие
продолжительности такта θ, а каждый вентиль ведет ток в течение
двух тактов 2θ = 2π/3, коммутации нечетных и четных вентилей
сдвинуты относительно друг друга на один такт и чередуются на
периоде напряжения питающей сети. Схема рассматриваемого выпрямителя является трехфазной двухтактной с шестикратной частотой пульсаций выходного напряжения.
Таблица 3.9
Очередность работы вентилей в трехфазном мостовом выпрямителе
Показатель
Наибольшее
линейное
напряжение
Последовательность и время работы вентилей
Uав
Uас
Uвс
Uва
Uса
Uсв
Uав
Вентили катодной
VS1
группы
VS1
VS3
VS3
VS5
VS5
VS1
Вентили анодной
группы
VS6
VS2
VS2
VS4
VS4
VS6
VS6
Длительность
интервала ведения π/3
тока
π/3
π/3
π/3
π/3
π/3
π/3
Работа трехфазного мостового управляемого выпрямителя на
однооперационных идеальных вентилях при угле управления
α = π/6 характеризуется временными диаграммами, приведенными
на рис. 3.12:
– линейных напряжений вторичной обмотки трансформатора uab,
uac, ubc, uba, uca, ucb и выпрямленного напряжения при α = 30о и α = 0о;
– точки k, …, p, q являются точками естественного открытия вентилей;
– точки k’, …, p’, q’ определяют моменты открытия вентилей с заданным значением угла регулирования α;
– утолщенные кривые ud и uв1 представляют мгновенные величины выпрямленного напряжения и напряжения на вентиле соответственно;
60
– iу.в1, …, iу.в6 – импульсы управления вентилями сдвоенной
формы, что необходимо для надежного открытия вентилей во всех
установившихся и переходных режимах.
– iв1 – ток вентиля VS1;
– iа – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения определяется по
соотношению
=
Udα
2
π+α
3
3
3 2
=
uab dωt
=
U2ë cos α kcõ.ëU2ë cos α. ∫
π1
π
3
(3.30)
π+α
Здесь при расчете по линейным напряжениям коэффициент преобразования схемы kсх.л = 1,35, а при расчете по фазным напряжениям kсх.ф = 2,34. Напряжение на вентиле (кривая uв1 на рис. 3.12)
по форме кривой совпадает с соответствующим линейным напряжением.
U Ucb Ua b
α Ua c Ubc Uba Uca Ud
Ud
ωt
Uв 1max = √ 2 Uab
i у.в1
iу.в 2
ωt
ωt
i у.в 3
ωt
i у.в 4
ωt
i у.в 5
ωt
i у.в 6
ωt
iв1
id
ia
id
2π/ 3
ωt
ωt
2π/3 π/3
Рис. 3.12. Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного мостового управляемого выпрямителя
61
Среднее значение тока вентиля и действующее значение фазного
тока вторичной обмотки трансформатора определяются на основании построенных на рис.3.12 кривых iв1, iа:
=
Iâ.cp
1
=
Id ; I2
3
2
Id . 3
(3.31)
Максимальное значение обратного напряжения вентиля (см.
рис. 3.12)
Uâ.îáð ò = 2U2ë . (3.32)
Коэффициент использования вентиля по напряжению
=
ku
Uâ.îáð ò π 2U2ë
= = 1,05.
Ud0
3 2U2ë
Расчетная мощность трансформатора
Sòð =
Sòð1 + Sòð2
2
,
где Sтр1 = m1U1фI1ф – расчетная мощность первичной обмотки;
Sтр2 = m2U2фI2ф – расчетная мощность вторичной обмотки;
S=
òð1 S=
òð2 3
=
Sòð
π
2
π
Ud0 =
Id
Pd0 .
3
3
3 2
π
=
Pd0 1,05Pd0 , 3
(3.33)
где Pd0 = Ud0 IdN – номинальная мощность цепи постоянного тока
выпрямителя.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения
fï = kòm2fC ,
где kт – коэффициент тактности выпрямителя; m2 – число фаз вторичной обмотки.
Для трехфазного мостового выпрямителя
fï = 2 ⋅ 3 ⋅ fñ = 6fc . (3.34)
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения основной
гармоники, частота которой fп1 = 6fc, на всем рабочем диапазоне изменения угла регулирования α может быть определен по формуле
62
Um(1)
2 cos α
kï1 = =
1 + (kòm2 )2 tg2α . Ud
(kòm2 )2 − 1
(3.35)
Отметим достоинства и недостатки трехфазной мостовой схемы
выпрямления.
Достоинства:
1) хорошее использование вентилей по напряжению;
2) хорошее использование трансформатора по мощности, простое конструктивное исполнение трансформатора;
3) благоприятный характер внешней характеристики;
4) шестикратная пульсация выпрямленного напряжения.
Недостатки:
1) удвоенное падение напряжения на вентилях (2ΔUв.пр), что
способствует увеличению потерь мощности, снижению КПД выпрямителя. Особенно сильно это проявляется в низковольтных
сильноточных выпрямителях. Однако применение современных
вентилей с малым падением напряжения в прямом направлении
ΔUв.пр = 1 В в определенной мере позволяет снизить эти потери;
2) относительно большое действующее значение тока вентиля,
что способствует увеличению потерь мощности в вентилях.
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Тиристорный преобразователь» (ТП), «Нагрузка», «Модуль питания», «Измеритель мощности», «Модуль измерительный», «Мультиметры» и двухканальный осциллограф.
Передняя панель модуля «Тиристорный преобразователь» (ТП)
изображена на рис. 3.13. На ней показана мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы.
На мнемосхеме изображены трансформатор TV и реверсивный тиристорный преобразователь (ТП), состоящий из комплекта «Вперед» (UZ1) и комплекта «Назад» (UZ2). С помощью тумблера ЅА1
(см. рис. 3.13) устанавливаются заданные параметры трансформатора (фактически подключаются дополнительные реакторы). Параметры трансформатора в зависимости от положения тумблера
ЅАІ приведены в табл. 3.10.
Выбор исследуемой схемы выпрямителя (трехфазная с нулевым
выводом или трехфазная мостовая) осуществляется с помощью
тумблера ЅА3, который имеет два положения: М – мостовая схема,
Н – схема с нулевым выводом. Тумблер ЅА2 подключает встречный
63
Таблица 3.10
Параметры трансформатора в зависимости
от положения тумблера ЅАІ
Индуктивное
Активное сопПервичное Вторичное сопротивление расПоложение
ротивление, привенапряжение напряжение сеяния, проведенное
тумблера
денное к вторичной
U1, В
U2, В
к вторичной стороне
стороне rф, Ом
xф, Ом
L1
220 В
46
4,3
1,65
L2
220 В
46
0,3
1,5
мост (комплект «Назад»), давая возможность исследовать реверсивную схему «Р» при выполнении лабораторной работы «Исследование двухкомплектного реверсивного преобразователя».
Для исключения возможности переключения силовой схемы
ТП тумблерами ЅА2 и ЅА3 во время работы в схему внесены элементы блокировки, поэтому переключение ЅА2 и ЅА3 возможно
только при выключенном автомате QF2 модуля питания.
Т ИРИСТ О РН ЫЙ
ПРЕО БРАЗ ОВАТ Е ЛЬ
НА ГРУЗКА
Х1
Х1
Х2
Х2
Х3
TV
L1 P1
L2
Х3 Х4
Х7
Х5 Х6 UZ1
v
Х11 Х12 Х13
Х15
L2
L3
Х4
Х5
Х6
RP1
RP2
RP3
Х7
Х8
Х9
UZ2 Х8
Х10
Х11
Х12
Х9
C1
C2
C3
СУ Х10
Х13
Х14
Х15
Х14
Рис. 3.13. Модуль «ТП»
64
L1
Х16
Рис. 3.14. Модуль «Нагрузка»
Потенциометр RP1 служит для регулирования напряжения на
входе системы управления (СУ) с целью установки требуемого угла
управления α. Измерительный прибор Р1 служит для измерения
величины угла управления.
Для обеспечения безопасности при осциллографировании первичного тока применен трансформатор тока ТА, на вторичной стороне которого включен шунт RЅ1. Коэффициент передачи трансформатора тока вместе с шунтом Ктт = 0,1 мВ/мА.
Шунт RЅ2 (1 Ом) предназначен для осциллографирования тока
вентиля, а шунт RЅ3 (1 Ом) для осциллографирования выпрямленного тока. При этом масштаб по току
m
ìÀ
.
mi = u ,
Rø äåë.
На передней панели находятся гнезда для осуществления внешних соединений (Х1–Х16).
Нагрузкой для модуля «Тиристорный преобразователь» является модуль «Нагрузка» (рис. 3.14). Он обеспечивает работу исследуемого преобразователя на активную, активно-индуктивную нагрузку и на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (ПЭДС).
На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. В нагрузке регулируются
только активные сопротивления нагрузки, а индуктивности остаются неизменными. Регулирование производится переключателем
ЅА1. Значения резисторов, соответствующие положениям переключателя SA1, приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11
Значения сопротивления нагрузки в зависимости
от положения переключателя SA1
Положение
переключателя
1
2
3
4
5
6
Сопротивление
(Ом)
100
200
400
600
1000
1600
В данной работе используется одна фаза модуля «Нагрузка».
Сглаживающий реактор Ld (L1) индуктивностью 80 мГн вместе
с резистором RP1 (RP2, RP3) играют роль регулируемой активноиндуктивной нагрузки. Для уменьшения нагрева резисторов нагрузки рекомендуется 2 или 3 фазы активных сопротивлений нагрузки включить в параллель. Работа на ПЭДС имитируется под65
ключением параллельно активной нагрузке конденсаторов С всех
трех фаз. Емкость каждого конденсатора 10 мкФ.
Питание установки производится от трехфазной сети переменного напряжения (Uл = 380 В) через автоматический выключатель
QF2, установленный в «Модуле питания». Постоянное напряжение
для системы управления подводится сзади модуля.
Максимальный выпрямленный ток установки Id max = 1 А. Недопустимо превышение током нагрузки выпрямителя величины,
равной 1 А.
Модуль «Тиристорный преобразователь» снабжен защитой от
перегрузки, срабатывающей при токе Id, более 2 А и отключающей
модуль от сети.
Первичный ток, напряжение, мощности и cosϕ в одной фазе первичной обмотки трансформатора измеряются с помощью подключаемого модуля «Измеритель мощности».
В табл. 3.12 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на принципиальной схеме (рис. 3.15).
Паспортные данные стенда:
напряжение фазы вторичной обмотки E2 = U2 = 46 В;
Таблица 3.12
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
прибора
Предел
измерения
Месторасположение
прибора (название
модуля)
Среднее значение
выпрямленного
напряжения Ud
PV1
= 220 В
Мультиметры
Среднее значение
выпрямленного тока Id
PA1
= 2 А
Модуль
измерительный
Действующее значение
фазного напряжения
U1ф , первичного тока
трансформатора I1, активная P1ф, реактивная Q1ф,
полная S1ф мощность одной
фазы и cosϕ, угол сдвига ϕ
PW1
~300 В
~0,2 А
Измеритель
мощности
Действующее значение
вторичного напряжения
трансформатора
PV2
~200 В
Мультиметры
66
A
М оду ль питания
B C N
OF2
PW1 W
A
X1
B
TA
C
Т и ристо рный
пре образовате ль
RS1
X2
TV
X3 PV2 X4
V
X5 X6
RS2
PV1
V
SA1
X7
Uвx
X15
+10B
Х11
RР1
-10B
Х12
Х8
Х9
RS3
CY
Нагрузка
Х16 Х10 PА1
А
Х1
L1
RP1
Х6
Х5
RP2
Х7
Х8
Рис. 3.15. Схема для исследования трехфазных управляемых
выпрямителей при работе на активно-индуктивную нагрузку
пороговое напряжение тиристора U0 = 1,0 В; rв.д = 0,05 Ом;
индуктивность цепи нагрузки Ld = 80 мГн (хd = 63 Ом);
индуктивное сопротивление фазы первичной обмотки трансформатора (xф = 4,3 Ом; rф = 1,65 Ом или xф = 0,3 Ом; rф = 1,5 Ом).
Порядок включения установки
1. Собрать силовую схему эксперимента для выполнения лабораторной работы. Внимание! Для большей безопасности, сетевое
напряжение от «Модуля питания» следует подавать через защищенные провода. Дополнительные перемычки и измерительные
приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией
(см. рис. 3.15).
2. Проверить соответствие положений тумблеров и перемычек
заданной преподавателем схеме управляемого выпрямителя.
67
3. В модуле «Тиристорный преобразователь» переключить тумблер
ЅА1 в положение, соответствующее заданным параметрам трансформатора. Проверить наличие перемычки между гнездами Х11–Х12.
4. Установить переключатель ЅА1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение).
5. Включить автомат QF2 «Модуля питания», включить выключатель модуля «Измеритель мощности».
6. Установить угол управления потенциометром RP1 на модуле
«Тиристорный преобразователь».
7. Установить необходимое сопротивление на модуле «Нагрузка».
При включенном модуле питания запрещается переключать
тумблеры ЅА1, ЅА2, ЅА3 и производить другие пересоединения.
Изменение места включения измерительных приборов недопустимо.
Порядок выключения установки
1. Снизить ток нагрузки Іd до минимума .
2. Выключить автомат QF2 «Модуля питания».
При срабатывании защиты по току необходимо отключить автомат QF2 «Модуля питания», проверить схему, позвать преподавателя, выяснить и устранить причину отключения. После этого
включить автомат «Модуля питания».
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
– изучить устройство, принцип работы, характеристики трехфазного однотактного и трехфазного мостового управляемого выпрямителя [1];
– изучить программу лабораторной работы и подготовить черновик протокола лабораторной работы.
Программа лабораторной работы
В процессе выполнения лабораторной работы необходимо для
заданной преподавателем схемы управляемого выпрямителя, заданных параметров цепи нагрузки (Ld и Сн) и трансформатора (хф
и rф) снять:
– внешние характеристики;
– регулировочные характеристики;
– электромагнитные процессы, характеризующие работу выпрямителя;
– выполнить расчеты параметров и характеристик схемы выпрямления.
68
Порядок выполнения работы
1. Собрать заданную преподавателем схему управляемого выпрямителя (см. рис. 3.15 или рис. 3.16).
2. Установить переключатель ЅА3 в положение М (мостовая схема) или Н (нулевая схема) (в зависимости от заданной преподавателем схемы выпрямителя).
3. Установить с помощью переключателя ЅА1 модуля «Тиристорный преобразователь» заданные параметры трансформатора.
М оду ль питания
A B C N
OF2
A
X1
B C
TA
RS1
Ти ристо рный
преобразователь
X2
TV
X3
X4
X5 X6
RS2
PV1
V
SA1
X7
Uвx
+10B
Х11
RР1
X15 -10B
Х12
Х8
Х9
RS3
CY
Нагрузка
Х16Х10 PА1
А
Х1
L1
RP1
Х4
Х5
RP2
Х7
Х8
Х10 Х11
Х12
Х13 Х14
Х15
Рис. 3.16. Схема для исследования трехфазных управляемых
выпрямителей при работе на активно-индуктивную нагрузку
с противо-ЭДС
69
4. Установить перемычку между гнездами Х11, Х12 модуля
«Тиристорный преобразователь».
5. Установить ручку потенциометра RP1 модуля «Тиристорный
преобразователь» в среднее положение.
6. Включить автомат на модуле питания и выключатель модуля
«Измеритель мощности», при этом должны осветиться табло на модуле «Измеритель мощности».
7. Регулятором RP1 установить заданное значение угла α.
Для исследования работы выпрямителя на активную нагрузку
необходимо исключить из схемы нагрузки сглаживающий реактор
L1, соединив перемычкой гнезда Х1 и Х4–Х5 модуля «Нагрузка».
Для исследования работы выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (ПЭДС) необходимо параллельно активному сопротивлению нагрузки подключить конденсатор так,
как это показано на рис. 3.16.
Установить требуемые пределы измерений на измерительных
приборах согласно табл. 3.11.
А. Снять внешние характеристики
Внешние характеристики управляемого выпрямителя следует
снять для трех значений угла управления α1, α2, α3, для случая активно-индуктивного характера нагрузки (Ld = 0) и активно-индуктивной с противо-ЭДС при двух значениях параметров трансформатора (см. табл. 3.10).
Значения углов управления задаются преподавателем.
Поддерживать постоянным:
– заданный угол регулирования α.
Изменять:
– ток нагрузки Id.
При активно-индуктивной нагрузке ток нагрузки следует изменять путем регулирования величины сопротивления нагрузки Rd
от Rd = ∞ до значения, при котором ток нагрузки Id = IdN = 1 А).
Измерять:
– действующее значение фазного напряжения питающей сети
U1ф;
– действующее значение фазного тока питающей сети I1ф;
– активную мощность, потребляемую одной фазой первичной
обмоткой трансформатора P1ф;
– полную мощность, потребляемую одной фазой первичной обмоткой трансформатора S1ф;
– коэффициент сдвига cosϕ;
70
– угол сдвига первой гармоники тока первичной обмотки и напряжения фазы ϕэ;
– действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора U2ф;
– среднее значение выпрямленного напряжения Ud;
– среднее значение выпрямленного тока Id;
– угол коммутации γэ.
– граничное значение тока нагрузки Iгр. э.
Рассчитать:
– мощность, потребляемую нагрузкой Рd;
– активную мощность, потребляемую выпрямителем
из питающей сети Р1;
– полную мощность, потребляемую выпрямителем из питающей сети S1;
– угол коммутации (теоретический) γт
– угол сдвига первой гармоники тока первичной
обмотки и напряжения фазы (теоретический) ϕт;
– коэффициент мощности χ;
– коэффициент полезного действия η;
– граничное значение тока нагрузки Iгр. т.
Расчетные соотношения для обработки экспериментальных
данных: Рd = Ud Id; Р1 = 3 Р1ф; S1 = 3 S1ф; χ = Р1/ S1; η = Рd/ Р1;
Расчетные соотношения (теоретические):
xÔ


I − α; ϕò = α + γ ò / 2;
γ ò = arccos cos α −
π d
2U2 sin


m 2 

=
Iãð.ò
Ud0
π
π
ctg
sin α(1 −
).
ωC Ld
kòm2
kòm2
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.13.
По данным табл. 3.13 построить:
– на графике № 1 внешние характеристики Ud = f(Id) для заданных значений α = α1, α = α2, α = α3 при активно-индуктивной нагрузке (Ld = 0), на графике № 2 – при активно-индуктивной с противоЭДС;
– на графике № 3 зависимости cosϕ = f(Id) и χ = f(Id) для заданных
значений α = α1, α = α2, α = α3 при активно-индуктивной нагрузке
(Ld = 0), на графике № 4 – при активно-индуктивной с противо-ЭДС;
71
Таблица 3.13
Внешняя характеристика управляемого выпрямителя (kт = 1; m2 = 3
или kт = 2; m2 = 3) при (активно-индуктивной или активно-индуктивной
с противо-ЭДС) нагрузки и значении угла регулирования: α1 = 0о; α2 = ;
α3 = ; параметров цепи нагрузки: (Ld = мГн; Сн = мкФ) и параметров трансформатора: (xф = 4,3 Ом; rф = 1,65 Ом или xф = 0,3 Ом; rф = 1,5 Ом)
RН, Ом
1600
1000
600
400
200
100
U1ф, В
I1ф, А
Измерено
Р1ф, Вт
S1Ф, ВА
cosϕ
ϕэ
U2Ф, В
Ud, В
Id, А
γэ
Рd, Вт
Вычислено
Р1, Вт
S1, ВА
χ
η
γт
ϕт
– на графике № 5 зависимости γ э = f(Id) и γ т = f(Id) для заданных
значений α = α1, α = α2, α = α3 при активно-индуктивной нагрузке
(Ld = 0), на графике № 6 – при активно-индуктивной с противо-ЭДС;
– на графике № 7 зависимости ϕ э = f(Id) и ϕ т = f(Id) для заданных
значений α = α1, α = α2, α = α3 при активно-индуктивной нагрузке
(Ld = 0), на графике № 8 – при активно-индуктивной с противо-ЭДС;
– на графике № 9 зависимости η = f(Id) для заданных значений
α = α1, α = α2, α = α3 при активно-индуктивной нагрузке (Ld = 0), на
графике № 10 – при активно-индуктивной с противо-ЭДС.
72
Б. Снять регулировочные характеристики
Опыт производится для трех видов нагрузки:
– активная (Ld = 0);
– активно-индуктивная при индуктивности нагрузки Ld = L1;
– активно-индуктивная с противо-ЭДС.
Поддерживать постоянным:
– активное сопротивление нагрузки Rн.
Изменять:
– угол регулирования a от 0° до значения, при котором Ud = 0.
Измерять:
– действующее значение фазного напряжения питающей сети
U1ф;
– действующее значение фазного тока питающей сети I1ф;
– активную мощность, потребляемую одной фазой первичной
обмоткой трансформатора P1ф;
– полную мощность, потребляемую одной фазой первичной обмоткой трансформатора S1ф;
– коэффициент сдвига cosϕ;
– угол сдвига первой гармоники тока первичной обмотки и напряжения фазы ϕэ;
– действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора U2ф;
– среднее значение выпрямленного напряжения Ud;
– среднее значение выпрямленного тока Id;
– угол коммутации γэ.
Рассчитать:
– коэффициент мощности выпрямителя c;
– коэффициент полезного действия η;
– угол коммутации γт;
– фазовый сдвиг первой гармоники тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора ϕт.
Расчетные соотношения для обработки экспериментальных
данных Рd = Ud Id; Р1 = 3 Р1ф; S1 = 3 S1ф; χ = Р1/ S1; η = Рd/ Р1.
Расчетные соотношения (теоретические):
xÔ


γ ò = arccos cos α −
I − α, ϕò = α + γ / 2. ϕт = α+ γ/2.
π d
2U2 sin


m 2 

Результаты измерений и расчетов занести в табл. 3.14.
73
Таблица 3.14
Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя (kт = 1;
m2 = 3 или kт = 2; m2 = 3) при активной (активно-индуктивной или активно-индуктивной с противо-ЭДС) нагрузке и значении параметров цепи
нагрузки: Rн = Ом; Ld = мГн; Сн = мкФ) и параметров трансформатора:
(xф = 4,3 Ом; rф = 1,65 Ом или xф = 0,3 Ом; rф = 1,5 Ом).
α, град.
0о
30о
60о
90о
120о
150о
U1ф, В
I1ф, А
Измерено
Р1ф, Вт
S1Ф, ВА
cosϕ
ϕэ
U2Ф, В
Ud, В
Id, А
γэ
Вычислено
Рd, Вт
Р1, Вт
S1, ВА
χ
η
γт
ϕт
Расчетные соотношения см. в п. Б.
По данным табл. 3.14 построить:
– на графике № 11 регулировочные характеристики Ud = f(a) при
активной (Ld = 0), активно-индуктивной (Ld = L1) и активно-индуктивной с противо-ЭДС;
– на графике № 12 зависимости χ = f(a) и cosϕ = f(a) при активной (Ld = 0), активно-индуктивной (Ld = L1) и активно-индуктивной
с противо-ЭДС;
– на графике № 13 зависимости η = f(a) при активной (Ld = 0),
активно-индуктивной (Ld = L1) и активно-индуктивной с противоЭДС;
74
– на графике № 14 зависимости γэ = f(a) и γ т = f(a) при активной
(Ld = 0), активно-индуктивной (Ld = L1) и активно-индуктивной
с противо-ЭДС;
– на графике № 15 зависимости ϕэ = f(a) и ϕт = = f(a) при активной (Ld = 0), активно-индуктивной (Ld = L1) и активно-индуктивной
с противо-ЭДС.
В. Осциллографирование электромагнитных процессов
1. При снятии внешней характеристики для каждого из заданных значений угла управления α необходимо с помощью осциллографа наблюдать кривую тока нагрузки id с шунта RS3. При достижении током нагрузки граничного значения необходимо сфотографировать осциллограмму тока нагрузки и отметить в табл. 3.13
среднее значение тока Iгр. э, соответствующее этому режиму. Одновременно с током нагрузки целесообразно сфотографировать и напряжение нагрузки ud. Для этого соединить корпус осциллографа
с гнездом Х10, вход канала СН1 с гнездом Х9 и канала СН2 с гнездом Х7; сигнал подаваемый со входа СН2 нужно перевернуть (инвертировать), для чего нажать на кнопку СН2 INV.
2. Экспериментальное значение угла коммутации γэ определяется по осциллограмме тока тиристора c шунта RS2. Одновременно
с током тиристора целесообразно сфотографировать и анодное напряжение тиристора. Для этого подключить входы осциллографа
для измерения напряжения на вентиле ua и тока ia, соединив корпус осциллографа с гнездом Х6, вход канала СН1 с гнездом Х5 и
канала СН2 с гнездом Х4. Здесь и в дальнейшем рекомендуется
использовать канал СН1 для осциллографирования тока, а канал
СН2 – напряжения. На канал СН2 сигнал подается через делитель 1:10; проверить с помощью осциллографа соответствие угла
α заданному; записать масштабы по напряжению, току и времени
(углу); не забудьте учесть коэффициент деления выносного делителя осциллографа;
3. Сфотографировать осциллограмму тока первичной обмотки трансформатора і1. Для этого подключить вход осциллографа
для измерения первичного тока і1, соединив корпус осциллографа
с гнездом Х2, а вход канала СН1 с гнездом Х1; записать масштабы
по току и времени (углу).
4. Снять осциллограмму напряжения нагрузки при активно-индуктивном характере нагрузки с противо-ЭДС. Убедиться в наличии противо-ЭДС при заданном угле α и токе нагрузки. Обратить
внимание на величину пульсаций напряжения нагрузки.
75
Выключить автомат QF2.
После выполнения лабораторной работы осциллограммы обработать и выполнить сравнительную оценку влияния характера
нагрузки, величины угла регулирования, величины индуктивного
сопротивления фазы обмотки трансформатора, величины индуктивности цепи нагрузки на форму временных диаграмм осциллограмм.
Содержание отчета
Отчет дожен содержать:
– наименование и цель работы;
– принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– обработанные осциллограммы.
– сравнить осциллограммы и построенные диаграммы; сравнить
расчетное и экспериментальное значение угла γ; объяснить расхождения;
– сравнить соответствующие осциллограммы для разных схем и
объяснить различие; указать и определить на осциллограммах ua,
угол α;
– сделать выводы о влияние на внешние характеристики угла
коммутации, анодной индуктивности Lф, угла управления α и схемы выпрямления;
– сравнить регулировочные характеристики для разных схем;
указать различие и сходство.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные трехфазные схемы выпрямления.
2. Назовите основные величины, используемые при описании
работы выпрямителей.
3. Какова частота пульсации выпрямленного напряжения в изучаемых схемах?
4. Что такое непрерывный режим?
5. Что такое внешняя характеристика? От каких параметров зависит ее положение в непрерывном режиме?
6. Что такое регулировочная характеристика, от каких параметров зависит ее положение в непрерывном режиме?
76
7. Сравнить трехфазную нулевую и трехфазную мостовую схемы по основным показателям.
8. Как снимаются внешние и регулировочные характеристики?
9.Что такое коэффициент мощности выпрямителя?
10. Как определить коэффициент мощности выпрямителя экспериментально?
11.Как зависит коэффициент мощности от угла регулирования?
Почему?
12. Как зависит коэффициент мощности от тока нагрузки? Почему?
13. Как зависит КПД от угла регулирования?
14. Как зависит КПД от тока нагрузки?
14. Чем определяется угол сдвига ϕ в выпрямителе?
15. От чего зависит cosϕ?
16. Порядок включения и выключения лабораторной установки. Какие переключения и при каких условиях запрещается производить?
77
4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕВЕРСИВНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Полупроводниковые преобразователи с выходом на постоянном
токе находят широкое применение в электроприводах постоянного
тока. На практике находят применение тиристорные и транзисторные преобразователи.
Преобразователи могут быть нереверсивными и реверсивными.
Нереверсивные преобразователи находят применение в нереверсивных электроприводах, а реверсивные преобразователи применяются в реверсивных электроприводах постоянного тока.
Нереверсивный тиристорный преобразователь содержит один
управляемый выпрямитель. Характеристики этого преобразователя исследуются в лабораторной работе № 3. Тиристорный реверсивный преобразователь содержит два управляемых выпрямителя,
включенных по встречно-параллельной или перекрестной схеме [4].
Лабораторная работа № 4
Исследование реверсивного тиристорного
преобразователя
Цель работы: изучение регулировочных и внешних характеристик тиристорного реверсивного преобразователя при работе на активно-индуктивную нагрузку и активно-индуктивную с противоЭДС.
Наиболее распространенные схемы реверсивных тиристорных
преобразователей, выполненных по встречно-параллельной схеме,
приведены на на рис. 4.1 и рис. 4.2. На рис. 4.1 приведена схема реверсивного тиристорного преобразователя, в которой встречно-параллельно включены два трехфазных однотактных управляемых
B
T
H
Рис. 4.1. Реверсивная встречно-параллельная трехфазная
однотактная схема
78
T
M
B
H
Рис. 4.2. Реверсивная встречно-параллельная трехфазная
мостовая схема
выпрямителя. На рис. 4.2 приведена схема реверсивного тиристорного преобразователя, в которой встречно-параллельно включены
два управляемых выпрямителя, выполненные по трехфазной мостовой схеме. В лабораторной работе необходимо исследовать характеристики двух схем реверсивных тиристорных преобразователей, включенных по встречно-параллельной схеме и выполненных:
– по трехфазной однотактной схеме;
– трехфазной мостовой схеме.
Любой реверсивный тиристорный преобразователь содержит
в своем составе:
– систему импульсно-фазового управления (СИФУ);
– силовую схему.
Структурная схема СИФУ приведена на рис. 4.3. В состав СИФУ
входят:
– УВ – управляемый выпрямитель;
– УС – устройство синхронизации;
сеть
СИФУ
УС
ГПН
UУ
СС
ФСУ
ФИ
РИ
У
УВ
нагрузка
Рис. 4.3. Структурная схема аналоговой СИФУ
79
– ФСУ – фазосдвигающее устройство;
– ГПН – генератор пилообразного напряжения;
– СС – система сравнения;
– ФИ – формирователь импульсов;
– РИ – распределитель импульсов;
– У – усилитель.
Устройство синхронизации СИФУ должно обеспечивать фазосдвигающее устройство опорными сигналами, относительно которых сдвигается фаза импульсов управления.
Генератор пилообразного напряжения в соответствии с синхронизирующими импульсами (узкие импульсы) производит развертку опорного напряжения в пилообразное напряжение.
Фазосдвигающее устройство формирует управляющие импульсы в момент равенства пилообразного напряжения и напряжения
управления.
Формирователь импульсов формирует импульсы управления
определенной длительности с требуемой крутизной переднего
фронта, которые затем распределителем импульсов распределяются на соответствующие управляющие электроды тиристоров УВ.
Управление тиристорами УВ желательно осуществлять импульсами возможно меньшей длительности, так как увеличение длительности импульса управления приводит к возрастанию мощности схемы управления. С другой стороны длительность импульса
управления должна несколько превышать время включения тиристора, т. е. время перехода его из запертого состояния в открытое.
Регулировочная характеристика СИФУ представляет собой зависимость угла управления α от напряжения управления Uу, т. е.
α = f(Uупр).
При линейной зависимости изменения опорного сигнала во времени
uоп = Uоп m(1–2ωt/π). (4.1)
При ωt = α напряжение управления Uу равно опорному сигналу
uоп. В этот момент происходит формирование импульса управления. Формула (4.1) для этого момента времени принимает вид:
Uу = uоп = Uоп m(1–2α/π). (4.2)
Регулировочная характеристика СИФУ лабораторной установки имеет линейный характер и выполнена таким образом, что угол
начального согласования регулировочных характеристик СИФУ
группы вентилей «Вперед» и группы вентилей «Назад» α0, соответ80
α
эл. град.
135
Комплект
вентилей
«Назад»
Комплект
вентилей
«Вперед»
90
45
−9
−6
−3
0
3
6
9
Uупр , В
Рис. 4.4. Регулировочная характеристика СИФУ
реверсивного преобразователя
ствующий Uу = 0, принят равным 135о, т. е. α0 = 135о, и регулировочная характеристика СИФУ принимает вид
α = α0–(Δα/ΔUу) Uу. (4.3)
Напряжение управления Uу подставляется в формулу (4.3) с учетом знака. Согласованные регулировочные характеристики групп
вентилей «Вперед» и «Назад» приведены на рис. 4.4.
Расчет регулировочной характеристики силовой схемы реверсивного преобразователя с учетом падения напряжения на элементах схемы при активно-индуктивном характере нагрузки можно
выполнить по формуле
xô kòm2 

Ud ò = ± ( Ud0 − kò ∆U0 ) cos α −  kò rô + kò râ.ä +
 Id . (4.4)
2π 

Расчет регулировочной характеристики силовой схемы реверсивного преобразователя с учетом падения напряжения на элементах схемы при активном характере нагрузки следует выполнять по
формуле (4.4) для диапазона угла регулирования 0 < α < αгр, а для
диапазона угла регулирования αгр < α < αзап – по формуле (4.5):
=
Udò
Ud0
π
[1 − sin(α −
)] −
π
kTm2
2 sin
kTm2
xô kòm2 

−  kò rô + kò râ.ä +
 Idý .
2π 

(4.5)
81
Знак «+» перед выражением в круглых скобках относится
к комплекту «Вперед», а знак «–» к комплекту «Назад». При этом
для комплекта «Назад» должны представляться отрицательные
значения тока Id.
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Тиристорный преобразователь», «Нагрузка», «Модуль питания»,
«Модуль измерительный», «Мультиметры», и двухканальный осциллограф.
Описание лабораторной установки, а также порядок ее включения и выключения подробно описаны в лабораторной работе № 3.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
– изучить темы курса: «Реверсивные преобразователи», «Системы управления», содержание данной работы, включая программу
работы, и быть готовым ответить на все контрольные вопросы;
– рассчитать и построить регулировочные характеристики реверсивного преобразователя Ud = f (α) и реверсивного преобразователя вместе с системой управления Ud = f(Uу) в абсолютных единицах для непрерывного режима при заданной регулировочной характеристике системы импульсно-фазного управления (СИФУ), а
также заданном токе нагрузки Іd и пульсности силовой схемы kтm2.
kтm2 = 3 – для трехфазной однотактной схемы выпрямления;
kтm2 = 6 – для трехфазной мостовой схемы выпрямления.
А. Снять внешние характеристики
Внешние характеристики выпрямителя представляют собой зависимость Ud = f(Id) при постоянном угле регулирования α.
Порядок выполнения опыта
1. Собрать схему для исследования реверсивного преобразователя, выполненного по мостовой схеме выпрямления, при работе на
активно-индуктивную нагрузку с ПЭДС в соответствии с рис. 4.5.
Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией. При исследовании
характеристик реверсивного преобразователя на активно-индуктивную нагрузку необходимо снять перемычки, с помощью которых емкость была подключена к нагрузке.
2. Подключить группу вентилей «Назад» параллельно группе
вентилей «Вперед». Для этого переключатель ЅА2 переключить
в положение Р. Переключатель ЅА3 переключить в положение М
82
М оду ль питания
A B C N
OF2
A
X1
B C
TA
Тиристорный
преобразователь
RS1
X2
TV
X3
X5
X4
X6
RS2
SA2
PV1
V
SA3
X7
Uвx
Х8
+10B
Х11 Х12
RР1
X15 -10B
V
RS3
CY
Х13
PV2
Х14
Х9
Нагрузка
Х16 Х10 PА1
А
Х1
L1
Х4
RP1
RP2
Х7
Х5
Х8
Х10 Х11
Х12
Х13 Х14 Х15
Рис. 4.5. Принципиальная схема исследования реверсивного
преобразователя при работе на активно-индуктивную
нагрузку с ПЭДС
при исследовании мостовой схемы выпрямления. При исследовании трехфазного однотактного выпрямителя переключатель ЅА3
переключить в положение Н. Переключить тумблер ЅА1 в положение «1», соответствующее большому индуктивному сопротивлению рассеяния обмоток трансформатора хф = 4,3 Ом.
В табл. 4.1 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис. 4.5). Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно
табл. 4.1.
83
Таблица 4.1
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
прибора
Предел
измерения
Местоположение
прибора (название
модуля)
Среднее значение выпрямительного напряжения Ud
PV1
= 200 В
Мультиметры
Среднее значение выпрямительного тока Id
PA1
–2…0 … +2 А
Модуль измерительный
Напряжение управления
Uупр
PV2
= 20 В
Мультиметры
Внешние характеристики реверсивного преобразователя следует снять для двух значений угла управления α1, α2 для случая активно– индуктивного характера нагрузки (Ld = 0) и активно-индуктивной с противо-ЭДС для одного из значений параметров трансформатора (см. табл. 3.10) и выбранной схемы преобразователя
(трехфазной однотактной или трехфазной мостовой).
Углы управления групп вентилей «Вперед» αв и «Назад» αн задаются равными: αв1 = αн1 = α1 и αв2 = αн2 = α2. Значения углов управления задаются преподавателем.
Потенциометром RРІ в модуле «Тиристорный преобразователь»
установить заданное значение угла управления при работе комплекта вентилей «Вперед» αв1 = α1, (по прибору Р1).
Значение угла управления αн1 = α1 устанавливается путем вращения ручки потенциометра RР1 в модуле «Тиристорный преобразователь» в сторону отрицательного напряжения управления. При
этом происходит переключение с комплекта вентилей «Вперед» на
комплект вентилей «Назад». Аналогично следует установить и значение углов αв2 = αн2 = α2.
Поддерживать постоянным:
– заданный угол регулирования α.
Изменять:
– ток нагрузки Id.
Ток нагрузки следует изменять посредством переключателя
ЅА1 в модуле «Нагрузка», регулируя величину сопротивления нагрузки Rd(PR1) от Rd = ∞ до значения, при котором ток нагрузки
Id = IdN = 1 А.
84
Измерять:
– среднее значение выпрямленного напряжения Udэ;
– среднее значение выпрямленного тока Idэ.
Рассчитать:
– внешние характеристики преобразователя при активно-индуктивном характере нагрузки для заданных значений угла регулирования и значений тока нагрузки Idэ, установленных при выполнении опыта.
Расчетные соотношения:
– для диапазона угла регулирования 0 < α < αгр
xô kòm2 

Ud ò = ± ( Ud0 − kò ∆U0 ) cos α −  kò rô + kò râ.ä +
 Id ý ;
2π 

– для диапазона угла регулирования 0 < α < αгр
=
Ud ò
xô kòm2 

Ud0
π
[1 − sin(α −
)] −  kò rô + kò râ.ä +
 Idý .
π
2π 
kòm2

2 sin
kòm2
Значения параметров схемы:
– напряжение вторичной обмотки E2 = U2 = 46 В;
– пороговое напряжение тиристора U0 = 1,0 В; rв.д = 0,05 Ом;
– индуктивное сопротивление фазы первичной обмотки трансформатора (xф = 4,3 Ом; rф = 1,65 Ом или xф = 0,3 Ом; rф = 1,5 Ом);
– Ud0 = kсхU2ф; kсх = 1,17 – для трехфазного однотактного выпрямителя;
– kсх = 2,34 – для трехфазного мостового выпрямителя;
– kт = 1 – для трехфазного однотактного выпрямителя;
– kт = 2 – для трехфазного мостового выпрямителя.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Внешняя характеристика реверсивного преобразователя (kт = 1; m2 = 3
или kт = 2; m2 = 3) при (активно-индуктивной или активно-индуктивной
с противо – ЭДС) нагрузке и значении угла регулирования: αв1 = αн1 = α1
или αв2 = αн2 = α2. Параметры цепи нагрузки: (Ld = мГн; Сн = мкФ) и параметры трансформатора: (xф = 4,3 Ом; rф = 1,65 Ом или xф = 0,3 Ом; rф = 1,5 Ом)
Idэ, А
Udэ, В
Udт, В
85
По данным табл. 4.2 построить:
– на графике № 1 внешние характеристики Ud = f(Id) (эксперименальные и расчетные) для заданных значений αв1 = αн1 = α1 и
αв2 = αн2 = α2 при активно-индуктивной нагрузке (Ld = 0), на графике
№ 2 – при активно-индуктивной с противо-ЭДС.
Б. Снять регулировочные характеристики СИФУ и преобразователя в целом
Регулировочная характеристика СИФУ представляет зависимость α = f(Uу), а регулировочная характеристика преобразователя
в целом представляет зависимость Ud = f(Uу).
Порядок выполнения опыта
Собрать схему, приведенную на рис. 4.5.
Регулировочная характеристика снимается для двух значений
сопротивления нагрузки:
– максимально возможном сопротивлении нагрузки, обеспечивающим режим близкий к режиму холостого хода;
– минимально возможном сопротивлении нагрузки, обеспечивающим режим непрерывного тока нагрузки и значение тока не более 1 А.
Величина сопротивления нагрузки устанавливается с помощью
переключателя ЅА1 в модуле «Нагрузка».
Изменять:
– напряжение управления СИФУ Uу от значения, при котором
угол управления равен 0о до значения, при котором угол управления равен 135о для комплекта вентилей «Вперед», а затем переключить комплект вентилей и изменять α в том же диапазоне.
Измерять:
– напряжение управления Uу;
– угол управления α;
– напряжение нагрузки Ud.
Рассчитать:
– регулировочную характеристику СИФУ (по формуле 4.3, приняв Δαmax = 135о и ΔUуN = 9 В);
– рассчитать регулировочную характеристику преобразователя
в целом, используя формулы (4.3) и (4.4).
Результаты эксперимента и расчета занести в табл. 4.3.
Выключить автомат QF2 «Модуля питания».
По данным табл. 4.3 построить:
– на графике № 3 экспериментальную и теоретическую регулировочную характеристику СИФУ αэ = f(Uу) и αт = f(Uу);
86
Таблица 4.3
Регулировочная характеристика СИФУ и преобразователя в целом
Вычи- Измерено
слено
Группа «Вперед»
Группа «Назад»
Uу, В
αэ, град 0
30
60
90
120 150
0
30
60
90
120
150
Ud э, В
αт, град
Ud т, В
– на графике № 4 экспериментальную и теоретическую регулировочную характеристику преобразователя в целом Ud э = f(Uу)
и = Udт = f(Uу).
В. Осциллографирование электромагнитных процессов
Подключить входы осциллографа для измерения выпрямленного напряжения ud и тока іd, соединив корпус осциллографа с гнездом Х10, вход канала СН1 с гнездом Х9 и канала СН2 с гнездом Х7.
Сфотографировать осциллограммы выпрямленного напряжения ud и тока іd реверсивного преобразователя для заданного тока
нагрузки Іd и углов управления αв = α1, а также αн = α1.
Сфотографировать осциллограмму тока первичной обмотки
трансформатора і1. Для этого подключить вход осциллографа для
измерения первичного тока і1, соединив корпус осциллографа
с гнездом Х2, а вход канала СН1 с гнездом Х1; записать масштабы
по току и времени (углу).
Сфотографировать осциллограмму напряжения нагрузки ud при
активно-индуктивном характере нагрузки с ПЭДС. Убедиться в наличии ПЭДС при заданном угле α и токе нагрузки. Обратить внимание на величину пульсаций напряжения нагрузки.
Выключить автомат QF2.
Дома осциллограммы обработать и выполнить сравнительную
оценку влияния характера нагрузки, величины угла регулирования, величины индуктивного сопротивления фазы обмотки трансформатора, величины индуктивности цепи нагрузки на форму временных диаграмм тока и напряжения.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
87
– предварительные расчеты и построения;
– исходные данные, принципиальную силовую схему;
– обработанные осциллограммы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики (регулировочные и внешние);
– сравнение расчетных и экспериментальных регулировочных
и внешних характеристик. Объяснить причины их расхождения.
Выводы по работе:
– пояснить, чем отличаются осциллограммы комплектов вентилей «Вперед» и «Назад››;
– указать причины отличий регулировочных характеристик,
снятых при различных видах нагрузки (активно-индуктивной и
ПЭДС);
– объяснить влияние тока нагрузки Іd на вид регулировочных
характеристик.
Контрольные вопросы
1. Почему в реверсивном преобразователе предусматривается
два комплекта вентилей?
2. В чем различие совместного и раздельного управления?
3. Каковы отличительные признаки силовых схем при раздельном и совместном управлении?
4. Чем отличаются системы управления при совместном и раздельном управлении?
5. Каков вид регулировочных характеристик реверсивного преобразователя при различных формах опорных напряжений СИФУ?
6. Почему применяют нелинейное согласование характеристик?
7. Почему при раздельном управлении при Uупр = 0 угол управления α0 должен быть больше 90°?
8. Для чего вводятся ограничения в регулировочной характеристике системы управления и в регулировочной характеристике всего преобразователя вместе с системой управления?
9. Как снимаются регулировочные и внешние характеристики
реверсивного преобразователя?
10. Изменится ли величина и форма первичного тока трансформатора при переключении комплектов вентилей и сохранении угла
управления и тока нагрузки?
88
5. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ
ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Регулирование величины напряжения переменного тока осуществляется посредством тиристорных регуляторов напряжения
(ТРН). Эти регуляторы находят применение для плавного регулирования напряжения переменного тока осветительных приборов
в киноконцертных залах, в электроприводов переменного тока,
включая устройства плавного пуска асинхронных двигателей и
т.п. [1].
Лабораторная работа № 5
Исследование однофазного регулятора
переменного напряжения
Цель работы: изучение принципа работы тиристорных регуляторов напряжения; исследование электромагнитных процессов,
регулировочных и энергетических характеристик однофазного регулятора переменного напряжения при работе на активную и активно-индуктивную нагрузку.
Устройство и принцип работы, основные расчетные
соотношения тиристорного регулятора напряжения
Схемы и временные диаграммы однофазного ТРН приведены на
рис. 5.1.
Силовая часть однофазного ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по так называемой встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке
в оба полупериода напряжения сети U1. Тиристоры получают импульсы управления от системы импульсно-фазового управления
СИФУ, которая обеспечивает их фазовый сдвиг на угол управления
α в функции внешнего сигнала управления Uу [1].
Если на тиристоры VS1 и VS2 не подаются импульсы управления от СИФУ, то они закрыты и напряжение на нагрузке Uрег равно
нулю. При подаче на тиристоры импульсов управления с углом
управления α = 0 они будут полностью открыты и к нагрузке будет
приложено все напряжение сети U1 = Uрег. Если осуществлять подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой
относительно предельного режима (угол управления α > 0), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети (см. рис. 5.1, б).
Изменяя угол управления α от нуля до π, можно регулировать
89
VS1
а)
VS2
∼u
д)
iн
Rн
iн
uн
Lн
∼u
Rн
е)
u
б)
u
uн
u
π
0
α
2π
ψ
ж)
в)
uV
π
0
2π
uн
π
δ
α
uV
iH
ωtt
u
ωt
u
π
ωt
г)
2π
ψ
2π
ωt
з)
iH
π
2π
ωt
π
2π
ωt
Рис. 5.1. Схемы (а, д) и временные диаграммы однофазного ТРН
при активной (б, в, г) и активно-индуктивной (е, ж, з) нагрузки
напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля.
На рис. 5.1, в приведено напряжение на встречно – параллельно
включенных тиристорах, а на рис. 5.1, г приведена временная диаграмма тока нагрузки. Форма тока нагрузки повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора происходит при смене полярности напряжения на нем. На рис. 5.1, д приведена схема
однофазного ТРН и временные диаграммы (5.1, е, ж, з) при активно-индуктивном характере нагрузки. Как видно из рис. 5.1, з при
активно-индуктивном характере нагрузки форма тока нагрузки не
повторяет форму напряжения нагрузки. Выключение тиристора
90
происходит в момент спада тока, протекающего через тиристор, до
нуля.
Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки Uнг от угла α, т. е.
Uнг = f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U = UN = const)
и постоянном токе нагрузки (Iнг = const) (рис. 5.2).
При чисто активном характере нагрузки зависимость Uнг = f(α)
находят из соотношения
π
1
( 2U)2 sin2 ωtdωt .
π∫
Uíã
=
α
В относительных единицах регулировочная характеристика
ТРН имеет вид
1
(π − α + 0,5 sin 2α), π
Uíã
=
U
(5.1)
где U − действующее значение переменного напряжения на входе
ТРН.
Наличие индуктивности в цепи нагрузки вносит отличие в характер изменения тока нагрузки и напряжения.
Действующее значение напряжения нагрузки определяются по
формуле
Uí
=
1
π
π+δ
∫
( 2U)2 sin2 ωtdωt .
α
Uн /U
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
α°
20
60
100
140
180
Рис. 5.2. Регулировочная характеристика однофазного ТРН
при активной нагрузке
91
В относительных единицах
Uí
=
U
1
1
1

π – (α – δ) + sin 2α − sin 2δ  . 
2
2
π

(5.2)
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) гармонике, P(1), к полной мощности S, потребляемой ТРН от питающей сети, т. е.
=
χ
P(1)
= kèñê k ñäâ , S
(5.3)
где kиск – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети; kсдв– коэффициент сдвига: kсдв = cosϕ.
=
χ
1
(π − 2α + sin 2α). π
(5.4)
Отметим, что и для двустороннего фазового регулирования коэффициент мощности также определяется по формуле (5.4). При
этом коэффициент сдвига равен единице, а коэффициент искажения соответствует выражению (5.4).
Нетрудно видеть, что в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному значению напряжения нагрузки, т. е. χ = Uнг/U, и связан с ним линейной
зависимостью (рис. 5.3).
Внешняя характеристика ТРН представляет собой зависимость напряжения Uнг от тока Iнг, т. е. Uнг = f(Iнг) при постоянном
напряжении питающей сети, (U1 = UN = const) и постоянном угле регулирования (α = const) (рис. 5.4).
Uнг = Uнг0–∆U, (5.5)
где Uнг0 – действующее значение напряжения на выходе ТРН при
холостом ходе нагрузке, т. е. при Iнг = 0:
U=
íã 0 U
1
(π – α + 0,5 sin 2α);
π
∆U – падение напряжения на элементах ТРН при токе Iнг ≠ 0:
92
∆U = ∆Uв. пр+IнгRэ; (5.6)
χ
Uн /U
0,8
1,0
0,6
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
α=90 °
α=125 °
0,2
0
0
α 1= 0
0,2
0,4
0,6
0,8
Uн /U
Рис. 5.3. Зависимость коэффициента
мощности ТРН от относительного
напряжения на нагрузке для одиночного преобразователя
Iн /I нN
Рис. 5.4. Внешние характеристики ТРН при активной нагрузки
Rэ – эквивалентное активное сопротивление схемы, равное сопротивлению соединительных проводов: Rэ = Rс.п.
Описание лабораторной работы
В лабораторной работе используются следующие модули: «Тиристоры», «Миллиамперметры», «Мультиметры», «Измеритель мощности», а также двухканальный осциллограф. Подробное описание
лабораторной установки приведено в лабораторной работе № 2.
Порядок выполнения лабораторной
работы
Перед выполнением лабораторной работы необходимо:
– изучить тему курса «Тиристорные регуляторы переменного
напряжения», содержание данной работы, включая программу работы, и быть готовым ответить на все контрольные вопросы;
– рассчитать и построить (по формуле 5.1) регулировочную характеристику ТРН Uн = f (α) при заданном токе нагрузки Ін.
Собрать схему однофазного преобразователя переменного напряжения на симисторе в соответствии с рис. 5.5. Дополнительные
перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
93
X1
SA1
X2
W
X2
Lн
V2
+
+10 В
Rн
R огр X5 X6 X6 X15
RP1
-
X6
V1
X10
СУ
X4
~12В
VS2
RS2 X16 X8
CH2
X11
RS1
CH1
Рис. 5.5. Схема для исследования однофазного преобразователя
переменного напряжения на симисторе
Таблица 5.1
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
прибора
Действующее значение
напряжения U2, тока I2 и
мощности на выходе
Предел
измерения
Месторасположение
прибора (название
модуля)
U2 ~ 30 В
I2 ~ 0,2 А
Измеритель мощности
Действующее значение напряжения на нагрузке Uн
V2
~ 20 В
Мультиметры
Напряжение управления
Uупр
V1
= 20 В
Мультиметры
В табл. 5.1 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на схеме (см. рис. 5.5).
Переключить тумблер SA1 в верхнее положение, соответствующее активной нагрузке, а SA2 – в нижнее положение, подключив
в цепь нагрузки симистора VS2 переменное напряжение (~12 В).
Переключатель SА3 установить в среднее положение, соответствующее управлению симистором VS2. Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл. 5.1.
94
Программа лабораторной работы
А. Снять регулировочную характеристику СИФУ α = f(Uу)
Подключить вход CH2 осциллографа к гнезду Х4, а корпус (⊥) –
к гнезду Х14 (напряжение на тиристоре иа). Включить питание
модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности». Регулировать угол управления α, изменяя напряжение
управления Uупр.
Изменять:
– напряжение управления СИФУ Uу.
Измерять:
– напряжение управления Uу;
– угол управления α.
Результаты эксперимента занести в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Регулировочная характеристика СИФУ
Uу, В
α, град.
0
30
60
90
120
150
180
Угол управления α определять при помощи осциллографа:
=
α
α äåë.
Òäåë.
360°,
где α – угол управления симистора (град.); αдел – угол управления
на экране осциллографа в делениях; Тдел – длительность периода
напряжения на экране осциллографа в делениях.
В дальнейшем, пользуясь этой характеристикой, можно определять угол управления α, не пользуясь осциллографом.
По данным табл. 5.2 построить на графике № 1 регулировочную
характеристику СИФУ ТРН α = f(Uу).
Б. Снять регулировочную характеристику ТРН Uн = f(Uу)
Регулировочная характеристика ТРН снимается при двух видах
нагрузки:
– нагрузка активная;
– нагрузка активно-индуктивная.
При активной нагрузке переключатель SA1 находится в нижнем положении; при активно-индуктивной нагрузке переключатель SA1 находится в верхнем положении.
95
Поддерживать постоянным:
– активное сопротивление нагрузки Rн.
Изменять:
– угол регулирования a от 0° до значения, при котором Uн = 0.
Измерять:
– действующее значение напряжения питающей сети U1;
– действующее значение тока питающей сети I1;
– активную мощность, потребляемую преобразователем из питающей сети … P1;
– полную мощность, потребляемую преобразователем из питающей сети S1;
– коэффициент сдвига cosϕ;
– действующее значение напряжения нагрузки Uн.
Вычислить:
– коэффициент мощности ТРН c;
– коэффициент полезного действия η.
Расчетные соотношения для обработки экспериментальных
данных: χ = Р1/ S1; η = Рн/Р1.
Ðí =
Uí2
Rí
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Регулировочная характеристика ТРН для двух видов нагрузки:
1. Rн = 150 Ом; Lн = 0; 2. Rн = 150 Ом; Lн = 75 мГн
Uу, В
U1, В
I1, А
Р1, Вт
S1, ВА
cosϕ
Uн, В
χ
η
По данным табл. 5.3 построить:
– на графике № 2 зависимости Uн = f(Uу), cosϕ = f(Uу), χ = f(Uу),
η = f(Uу) для активной нагрузки, а на графике № 3 те же зависимости для активно-индуктивной нагрузки.
96
В. Осциллографирование электромагнитных процессов
При активной нагрузке и заданном угле управления α снять осциллограммы напряжения на симисторе uа (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду Х4, а корпус (⊥) – к гнезду Х14) и анодного
тока iа (снимается с шунта RS1; вход СН1 осциллографа подключить к гнезду Х13). Затем снять отдельно осциллограмму напряжения на нагрузке uн (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду
Х2, а корпус (⊥) к гнезду Х4, временно отключив мультиметр V2 от
измеряемой цепи). Определить коффициент мощности в этой точке
χ = Р1/S1. Активную Р1 и полную S1 мощности измерить модулем
«Измеритель мощности».
Переключить тумблер SА1 в нижнее положение, разомкнув индуктивность нагрузки Lн. Снять те же осциллограммы при заданном угле управления α и активно-индуктивной нагрузке, сравнить
осциллограммы.
Сравнить снятые регулировочные характеристики и, пользуясь
осциллограммами, объяснить причины их отличий.
Выключить питание модуля «Тиристоры» и тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности».
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– временные диаграммы и характеристики, построенные предварительно;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– обработанные осциллограммы;
– выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 3, 4, 6.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение преобразователей переменного напряжения?
2. Что такое угол управления? По какой осциллограмме его
можно определить?
3. На какие энергетические показатели влияет угол управления?
4. От чего зависит форма напряжения на нагрузке?
97
5. Что такое регулировочная характеристика?
6. От чего зависит вид регулировочной характеристики?
7. Можно ли снять регулировочную характеристику ТРН на холостом ходу? Обоснуйте ответ.
98
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО
ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Преобразователи постоянного тока в постоянный ток (преобразователи DC/DC) находят широкое применение в источниках вторичного питания вычислительных и радиоэлектронных устройств,
системах автоматического управления, устройствах бытовой техники и т.п. Преобразователи выполняются на полностью управляемых полупроводниковых приборах – транзисторах. Широкое
применение находят однотактные преобразователи DC/DC с широтно-импульсным способом управления, выполненные как по бестрансформаторной схеме, так и с промежуточным высокочастотным трансформатором. Рабочая частота преобразователей DC/DC
лежит в пределах от десятков до сотен кГц.
Лабораторная работа № 6
Исследование однотактного преобразователя постоянного тока
с последовательным ключевым элементом (ОППТ-1)
Цель работы: изучение характеристик транзисторных преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения, работающих
в импульсном режиме, выполненных на биполярных, полевых и
ІGВТ-транзисторах. Сравнение ключевого режима работы транзисторов различного типа при активно-индуктивной нагрузке, шунтированной диодом.
Основные расчетные соотношения и характеристики
импульсного преобразователя с последовательным
ключевым элементом
Преобразователь постоянного напряжения (ППН) содержит
в своем составе один транзистор. ППН могут быть выполнены с последовательным включением транзистора или с параллельным
включением транзистора [3].
В лабораторном стенде реализован преобразователь постоянного тока с последовательным включением транзистора ППН-1.
На рис. 6.1 приведена схема ППН-1 с входным фильтром (L1–С1)
и сглаживающим фильтром (L2–С2). Эта схема находит широкое
применение во вторичных источниках питания.
Основным режимом работы ППН-1 является режим непрерывного тока в дросселе цепи нагрузки, L2. Однако при малой величине коэффициента заполнения импульса D или малом выходном
99
VT
L1
i вх
Uвх
C1
L2
Uyv т
+
i нг
iL
VD
C2
+
U нг
R нг
Рис. 6.1. Схема ППН-I с входным фильтром (L1–С1)
и сглаживающим фильтром (L2–С2)
u yvT
T
ik
2T
Imax
t
Imin
t
i VD 1
t
u вх.ф
Uп
t
i L2
I
t
u L2
t
∆ Uc
u НГ
U2
IВх(1)
i вх
0
tu
IВх ..m(1)
T
2T
t
t
Рис. 6.2. Временные диаграммы, поясняющие работу ППН-1
токе такой регулятор может перейти в режим прерывистого тока
в дросселе [3].
Режим непрерывного тока в дросселе. Временные диаграммы
токов и напряжений ОППН-1 для режима непрерывного тока приведены на рис. 6.2.
100
На рисунке обозначено: uу VT – напряжение управления транзистора; iк – ток коллектора транзистора VТ; iVD – ток диода VD;
uвх.ф – напряжение на входе сглаживающего фильтра; iдр2 – ток
дросселя сглаживающего фильтра; uдр2 – напряжение на обмотке
дросселя сглаживающего фильтра; uнг – напряжение нагрузки;
iвх – ток входной цепи преобразователя.
Длительность открытого состояния транзистора tи регулируется
в пределах 0 < tи < T, где T – период следования импульсов.
Величина выходного напряжения ППН-1
Uвых = Uвхtи/T = UвхD,
(6.1)
где D = tи/T –коэффициент заполнения импульса; Uвх – среднее значение напряжения питания ППН-1.
В относительных единицах
=
Uí
Uí
= D.
Uâõ
Таким образом, величина выходного напряжения ППН-1 регулируется в пределах от Uвх до нуля.
Формула (6.1) является выражением регулировочной характеристики ППН-1 для режима непрерывного характера тока.
Среднее значения тока через транзистор VT
Iк.ср = IнD.
(6.2)
Среднее значение тока через диод VD
Iñð=
VD
1
T
tï
)dt
∫ i2 (t=
Ií (1 − D). (6.3)
0
Напряжение на транзисторе Uкэ и на шунтирующем диоде UVD
в выключенном состоянии равно напряжению на входе преобразователя:
Uкэ = UVD = Uвх. (6.4)
На рис. 6.3 приведена регулировочная характеристика ППН-1
для режима непрерывного тока нагрузки.
Расчетная мощность транзистора Рк, показывающая степень использования транзистора по отношению к мощности нагрузки, при
пренебрежении пульсациями тока в дросселе:
Рк = Uк maxIк max = Рнг/D. (6.5)
101
Uн
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,2
0,4 0,6
0,8 1,0
D
Рис. 6.3. Регулировочная характеристика ППН-1 при непрерывном
токе нагрузки
Отсюда следует, что наилучшее использование транзистора
по мощности имеет место при коэффициенте скважности D → 1.
Найдем критическое значение тока нагрузки, которое
при заданной индуктивности
дросселя L2 еще поддерживает
режим непрерывного тока нагрузки. С этой целью полагаем
Imin = 0, тогда
Iн.кр = UвхD(1 – D)/(2L2ƒ). (6.6)
Коэффициент
пульсации
тока нагрузки определим из (6.6):
=
kï.ò
∆I Uâõ D(1-D)
=
Ií
2L2fIí
(6.7)
Внешняя характеристика реального ППН-1 в режиме непрерывного тока зависит от тока нагрузки, что обусловлено наличием
активного сопротивления обмотки дросселя RL [5]. Эту характеристику ППН-1 определим из условия равенства вольт-секундных
площадей в установившемся режиме, действующих на индуктивности дросселя на интервалах tи и tп, в предположении, что сопротивление обмотки дросселя RL отлично от нуля. Тогда
(Uвх – Uнг – IнгRсх)tи = (Uнг+ IнгRсх)tп.
В относительных единицах внешняя характеристика имеет вид
Uнг/Uвх = D – IнгRсх/Uвх, (6.8)
где Rсх – активное сопротивление элементов схемы, по которым течет ток нагрузки. В данной схеме Rсх равно активному сопротивлению обмотки дросселя, т. е. Rсх = RL.
Эти характеристики показаны на рис. 6.4 штриховыми линиями в области 2.
Выходное сопротивление ППН-1
Rвых = –ΔUн/ ΔIн = Rсх.
Пульсации выходного напряжения. При расчете сглаживающего фильтра всегда необходимо установить значения коэффициента
102
пульсаций напряжения на вхоUн
де фильтра kп1 и коэффициента
3
пульсаций напряжения на выходе
фильтра kп2.
D3
Коэффициент пульсаций на2
пряжения на входе сглаживаюD2
щего фильтра без учета падения
напряжения на активном сопро1
тивлении обмотки дросселя опреD1
деляется отношением амплитуды
основной (первой) гармоники пеIнг
ременной составляющей напряжения пульсаций Uпm(1) к средне- Рис. 6.4. Внешние характеристики ППН-1 при различных D
му значению выходного напрядля режимов прерывистого
жения преобразователя Uнг т. е.
(область 1) и непрерывного
kп1 = Uп m(1)/Uнг.
(область 2) тока
Поскольку Uп m(1) = [2/π]Uвхsin
(180оD), а Uнг = UвхD, то коэффициент пульсаций на входе сглаживающего фильтра
kп1 = [2/(πD)]sin (180оD). (6.9)
Зависимость амплитуды пульсаций напряжения нагрузки, которое равно амплитуде пульсаций напряжения на конденсаторе
фильтра С2, ΔUC2, от параметров фильтра можно установить, определив заряд ΔQ в фильтрующем конденсаторе С2, обусловливающий изменение выходного напряжения от минимального его значения до максимального:
ΔQ = [0,5(Uвх–Uнг)tи/2L]T/2.
Учитывая, что ΔQ = С2 ΔUC2, находим
ΔUС2 = UвхD(1–D)/(8LC2f2) = Uнг(1–D)/(8LC2f2).
(6.10)
Из соотношения (6.10) легко определить величину коэффициента пульсаций kп2 при уже известных параметрах сглаживающего
фильтра, значении частоты f и значении коэффициента заполнения импульса D:
kп2 = (1 – D)/(8LC2f2). (6.11)
Обобщенная функциональная схема управления ОППН-1 приведена на рис. 6.5. Она содержит генератор (Г), генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения (СС) и усилитель (У).
103
ГПН
Uу
СС
Г
Uвх
У
ШИП
Н
Рис. 6.5. Обобщенная функциональная схема управления ППН-1
а)
UГ
б)
UГПН
UУ
в)
t
t
UСС
г)
UН
t
t
Рис. 6.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы
схемы управления ППН-1
Как правило, на выходе усилителя включены элементы гальванической развязки (оптотранзисторы).
Временные диаграммы, поясняющие работы схемы управления
ШИП, приведены на рис. 6.6.
Импульсы, вырабатываемые генератором (рис. 6.6, а) поступают
на вход генератора пилообразного напряжения. Выходные импульсы генератора пилообразного напряжения (рис. 6.6, б) поступают на
вход схемы сравнения. На второй вход схемы сравнения поступает
напряжение управления Uу. При равенстве амплитуды выходного
импульса генератора пилообразного напряжения и напряжения
управления происходит срабатывание схемы сравнения. На выходе схемы сравнения появляется импульс прямоугольной формы
104
(рис. 6.6, в). Длительность импульса, как это видно из рис. 6.6, определяется уровнем напряжения управления Uу.
В схеме управления ППН-1 этот импульс требуется лишь усилить, а затем подавать на силовой транзистор ППН-1.
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Преобразователь постоянного напряжения», «Модуль измерительный», «Мультиметры», а также двухканальный осциллограф.
Установка является универсальной, на ней можно производить
исследования ППН-1, а также импульсного стабилизатора постоянного напряжения. В качестве регулирующего элемента может быть
применен любой из существующих типов транзисторов – биполярный, полевой и ІGВТ, что позволяет сравнить эти транзисторы при
их работе в ключевом режиме.
ПРЕ ОБРАЗ О ВАТЕ ЛЬ
Лицевая панель модуля «ПреПО С Т О ЯННО ГО Н АПРЯЖЕ НИ Я
образователь постоянного на~ 220В
X1 X2
пряжения» показана на рис. 6.7.
ИП
RP1
(0 … 27В)
3
2
На ней изображена мнемосхема
X8
4
и установлены коммутирующие,
A
0
X9
регулирующие и измерительные
X11
X10
V
элементы. Силовая часть схемы
X12 X14
состоит из источника питания
Cф
PA1
X13
ИП, на выходе которого включен
VT1
VT2
VT3
X16
конденсатор фильтра СФ, силовых
X15 X17
RS1
транзисторных ключей VТ1, VT2
3
2
и VT3, диода VD, шунтирующего
X18
4 X6 X7
1
X19
активно-индуктивную нагрузку
RS2
RP2 0
+
X21
X20
Rн, Lн. Параллельно резистору Rн,
X3 X4 Uи
V
X22
с помощью тумблера ЅАЗ может
СУ
Uз
VD RS4
X5
Рег
подключаться конденсатор Сн. РеX25
X24
10
S A2 X23
RS3
зистор Rн выполнен регулируеСта б
X26
S A1
3
Uос
2
5
мым. Напряжение на выходе ис4 A X27
1
точника питания ИП регулирует0
X28
Lн
Rн
1
ся с помощью потенциометра RP1.
S A3
0
Система управления СУ выдает
Cн
на выходе управляющие импульсы, подаваемые на входы силовых
Рис. 6.7. Модуль «Преобразоватранзисторов. Частота управляютель
постоянного напряжения»
щих импульсов (5 кГц или 10 кГц)
ППН-1
изменяется тумблером ЅА1.
105
В режиме «Регулирование постоянного напряжения» тумблер
ЅА2 модуля «Преобразователь постоянного тока» переключается
в положение «Рег». При этом длительность управляющих импульсов, а следовательно, и напряжение на нагрузке, регулируется потенциометром RР2. Относительная длительность включения транзисторов – коэффициент заполнения D измеряется прибором РА1,
установленным на лицевой панели (см. рис. 6.7).
В режиме «Стабилизация постоянного напряжения» тумблер
ЅА2 переключается в положение «Стаб». При этом величина стабильного выходного напряжения также устанавливается потенциометром RР2.
Для осциллографирования тока на входе силового транзистора
установлен шунт RЅ1 = 10 Ом. Для осциллографирования токов силовых транзисторов (эмиттера, истока) іVT, нагрузки ін и диода ід установлены шунты (RЅ2, RЅ3 и RЅ4). Сопротивления этих шунтов 1 Ом.
Внимание! Земля (корпус) осциллографа должна быть постоянно приближена к общей точке соединения RЅ2, RЅ3 и RЅ4, обозначенной «⊥». Поэтому корпус осциллографа «⊥» последовательно
подключается к гнездам Х20, Х24, Х25 при измерении соответствующих токов. При применении двухканального осциллографа вход
канала СН1 используется для измерения токов, а вход канала СН2,
подключаемый через выносной делитель (kд = 10), используется для
измерения напряжений в схеме. При указанном подключении осциллограмма тока нагрузки ін имеет отрицательную полярность.
Это нужно учесть, указывая направление оси і на осциллограмме.
При подаче сигналов с шунтов через инструментальный усилитель
(гнезда Х12–Х14), расположенный на панели, осциллограммы могут быть сориентированы правильно. При измерении напряжений
осциллограммы могут быть правильно сориентированы с помощью
кнопки СН2 INV расположенной на лицевой панели осциллографа.
Порядок выполнения работы
Собрать схему для исследования преобразователя постоянного
напряжения в соответствии с рис. 6.8. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны
штриховой линией.
В табл. 6.1 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на принципиальной схеме (см. рис. 6.8).
При исследовании ППН-1 с полевым транзистором в режиме
регулирования напряжения и работе на активно-индуктивную на106
Таблица 6.1
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые
величины
Обозначение
прибора
Предел
измерения
Месторасположение
прибора (название
модуля)
Напряжение на
входе Uвх
PV1
= 200 В
Мультиметры
Ток на входе Iвх
PA1
–
Модуль
измерительный
Напряжение на
нагрузке Uн
PV2
= 200 В
Мультиметры
Ток нагрузки Iн
PA2
–
Модуль
измерительный
грузку необходимо сделать сдедующее.
Гнездо Х15 соединить с Х17,
подключив в схему полевой
транзистор VТ2. Тумблером SА1
(см. рис. 6.7) установить заданную частоту ШИМ f = 5кГц. Тумблер SА2 установить в положение «Рег», а SА3 – в положение
«0» (конденсатор Сн отключен).
Ручки потенциометров RР1, RР2
и реостата Rн установить в положение «0». Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно
табл. 6.1. Включить автомат QF1
«Модуля питания стенда», а затем переключатель питания модуля «Преобразователь постоянного напряжения».
При исследовании ППН-1
с биполярным транзистором
необходимо гнездо Х15 соединить с Х16, а при работе с IGBTтранзистором Х15 необходимо
соединить с Х18.
~220В
X1 X2
RP1
ИП
X8
A PA1
PV1
RP2
X3 X4
Uз
X5
СУ
X9
V
X10
X11
Cф
RS1
VT1
X16
X15 X17
VT2
VT3
X6 X7 X18
SA2
X21
VD
RS2
X22
PV1
V
X20
RS4
X23 X24
Lн
X19
X25
RS3
Rн
Cн
X26
X27
A PA2
X28
SA3
X29
Рис. 6.8. Принципиальная схема
для исследования ППН-1
107
При работе с частотой ШИМ 10 кГц необходимо тумблер SA1
установить в положение 10 кГц.
Для подключения конденсатора Сн параллельно Rн необходимо
включить тумблер SA3.
Программа лабораторной работы
А. Снять внешние характеристики
Внешние характеристики ППН-1 в режиме регулирования напряжения следует снять для двух значений коэффициента заполнения импульса D = D1, D = D2;
– для случая индуктивного характера фильтра (Сн = 0);
– для случая индуктивно-емкостного характера фильтра (Сн = 0);
– при значении частоты ШИМ f = 5 кГц;
– при значении частоты ШИМ f = 10 кГц.
Поддерживать постоянным:
– заданный коэффициент заполнения импульса D = D1, D = D2;
– напряжение на входе преобразователя Uвх;
– частоту ШИМ f = 5 кГц (или f = 10 кГц).
Изменять:
– ток нагрузки Iн.
Измерять:
– напряжение на входе преобразователя Uвх;
– ток на входе преобразователя Iвх;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн;
– амплипуду пульсации тока нагрузки ΔIн.
Вычислить:
– мощность, потребляемую от источника питания Рвх;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Pн;
– КПД преобразователя η;
– коэффициент пульсации тока нагрузки kп.т.э.
Рассчитать:
– коэффициент пульсации тока нагрузки (по формуле 6.7) kп.т.т.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 6.2.
По данным табл. 6.2 построить на графике № 1 зависимости
Uн = f(Iн), η = f(Iн), kп.т.э = f(Iн), kп.т.т = f(Iн).
Расчетные соотношения:
Рнг = Uн Iн, Рвх = Uвх Iвх, η = Рнг/Рвх, kп.т.э = ΔI/Iн;
108
Таблица 6.2
Измерено
Внешние характеристики ППН-1
(D = , Сн = мкФ, L = мГн, f = Гц, Uвх = В)
Iн, А
Uн, В
Iвх, А
Uвх, В
Вычислено
Δ Iн, о.е.
Рнг, Вт
Рвх, Вт
η
kп.т.э
kп.т.т
=
kï.ò.ò
∆I Uâõ D(1-D)
=
.
Ií
2L2fIí
Б. Снять регулировочную характеристику
Регулировочная характеристика Uн = f (D) и энергетические показатели Рнг = f (D), Рвх = f (D), η = f (D) снимаются при постоянном
сопротивлении нагрузки Rн и заданном напряжении Uвх. Сопротивление Rн следует установить таким, чтобы ток нагрузки достиг
максимально допустимого значения при коэффициенте заполнения импульса D = 1.
Величина коэффициента заполнения импульса γ регулируется
потенциометром RP2.
Выполнить теоретический расчет регулировочной характеристики с учетом падения напряжения на элементах схемы, воспользовавшись формулой (6.8):
Uнг.т = Uвх D – IнгRсх.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 6.3.
Расчетные соотношения:
Рнг = Uн Iн, Рвх = Uвх Iвх, η = Рнг/Рвх, kп.т.э = ΔI/Iн;
=
kï.ò.ò
∆I Uâõ D(1-D)
.
=
Ií
2L2fIí
109
Таблица 6.3
Регулировочные характеристики ППН-1
(Rн = , Сн = мкФ, L = мГн, f = Гц, Uвх = В)
Измерено
D
Iн, А
Uн.э, В
Iвх, А
Uвх, В
Вычислено
Δ Iн, о.е.
Рнг, Вт
Рвх, Вт
η
kп.т.э
kп.т.т
Uн.т, В
По данным табл. 6.3. построить на графике № 2 экспериментальную и теоретическую регулировочную характеристики Uн.э = f(D),
Uн.т = f(D)) и зависимости η = f(D); kп.т.э = f(D); kп.т.т = f(D).
В. Исследование электромагнитных процессов
1. Снять осциллограммы напряжения на транзисторном ключе uvт и тока через транзистор ivт. Для этого установить заданные
значения напряжения на входе Ud и коэффициента заполнения
D ручкой потенциометров RР1 и RР2 соответственно. Ручкой реостата Rн по амперметру РА2 установить заданное значение тока
нагрузки Iн. Канал СН1 осциллографа подключить к шунту RS2
(«+» – гнездо Х19, корпус осциллографа «⊥» – гнездо Х20), а канал
СН2 – к гнезду X11 (напряжение на транзисторном ключе). Сфотографировать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы.
Определить масштабы по напряжению, току и времени.
2. Снять осциллограммы напряжения на нагрузке ин и тока через
диод iд при тех же заданных значениях Uвх, D и Iн. Для этого канал
CH1 осциллографа подключить к шунту RS4 («+» – гнездо Х23, корпус осциллографа «⊥»– гнездо Х24), а канал СН2 к гнезду Х21 (напряжение на нагрузке). Для получения положительного отклонения
напряжения ин нажать кнопку СН2 INV на осциллографе. Сфотографировать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы.
110
3. Снять осциллограммы напряжения на нагрузке ин и тока нагрузки iн при тех же заданных значениях Uвх, D и Iн. Для этого канал СН1 осциллографа подключить к шунту RS3 («+» – гнездо Х25,
корпус осциллографа «⊥» – гнездо Х26), а канал СН2 к гнезду Х21
(напряжение на нагрузке). Зарисовать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы. По осциллограмме iн определить в каком
режиме работает схема (непрерывный или прерывистый ток в нагрузке).
4. Выполнить исследование влияние частоты ШИМ преобразователя на коэффициент пульсаций kп.т тока нагрузки Iн. Для этого переключить канал СН1 осциллографа на открытый вход «АС»
(переменная составляющая входного сигнала). Замерить двойную
амплитуду пульсаций тока нагрузки ΔI. Определить коэффициент пульсаций kп.т.э = ΔI/(2Iн), сравнив его с расчетным значением
kп.т.т. Переключить тумблер SA1 в другое положение и снова определить коэффициент пульсаций kп.т.э при другой частоте ШИМ.
5. Подключить емкость сглаживающего фильтра Сн тумблером
SAЗ и посмотреть осциллограммы ин и iн при тех же заданных значениях Uвх, D и Iн. Обратить внимание на то, что формы кривых ин
и iн практически не изменяются. Снимите также осциллограммы
напряжения на резисторе Rн при подключенном и отключенном
конденсаторе Сн.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– предварительные расчеты и построения;
– исходные данные, принципиальную силовую схему установки;
– обработанные осциллограммы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики (регулировочные, внешние и энергетические);
– выводы по работе: пояснить влияние частоты ШИМ преобразователя на коэффициент пульсаций тока нагрузки kп.т; объяснить
влияние коэффициента заполнения D на КПД преобразователя;
объяснить влияние тока нагрузки Iн на вид внешних и энергетических характеристик ОППН-1;
– оценка влияния частоты ШИМ на КПД преобразователя с различными транзисторными ключами.
111
Контрольные вопросы
1. Сравните ключевой и линейный режимы работы транзистора.
2. Преимущества ключевого режима.
3. Преимущества и недостатки импульсных и непрерывных стабилизаторов.
4. Что такое регулировочная и внешняя характеристика преобразователя постоянного напряжения? Как вид они имеют?
5. Как определить коэффициент пульсаций тока нагрузки?
6. Как определить КПД преобразователя?
7. Как снять осциллограммы токов и напряжений в схеме?
8. На что влияет подключение конденсатора Сн?
9. Как подключать входы двухканального осциллографа при осциллографировании токов и напряжений?
112
7. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Многие потребители электрической энергии постоянного тока
требуют стабилизированного по величине напряжения при отклонениях питающего напряжения и широком изменении тока нагрузки. Решить эту задачу можно с помощью полупроводниковых
стабилизаторов постоянного тока, работающих, как правило, в импульсном режиме. Для реализации режима стабилизации выходного напряжения преобразователя DC/DC необходимо ввести отрицательную обратную связь по напряжению нагрузки.
Лабораторная работа № 7
Исследование стабилизатора постоянного напряжения,
выполненного по схеме ППН-1
Устройство и принцип работы
стабилизатора напряжения
С целью поддержания напряжения на выходе преобразователя на требуемом уровне при возможных возмущениях, связанных
с изменением величины тока нагрузки и с отклонениями напряжения питания преобразователя, в систему вводят обратную связь по
напряжению нагрузки. Система работает в режиме стабилизации
напряжения нагрузки. Преобразователь, работающий в этом режиме, называется стабилизатором напряжения [3].
Схема ППН-I, работающего в режиме стабилизатора напряжения, показана на рис. 7.1.
Выходное напряжение преобразователя (Uосн) сравнивается с напряжением источника опорного напряжения ИОН (Uз), полученная
разность (UΔ) усиливается усилителем и возбуждает ШИМ, который в свою очередь управляет транзистором. Энергия, запасенная
в дросселе, зависит от соотношения времени, когда ключ открыт, и
U вх
-
LФ
VT
+
C1
+
VD
ШИМ МОДУЛЯТОР
+
+
+
C2
ИОН
U вых
-
Рис. 7.1. Схема ППН-I с обратной связью
по напряжению нагрузки
113
времени, когда он закрыт. При непрерывном характере тока нагрузки ток через дроссель протекает как на интервале импульса (через
транзистор VT), так и на интервале паузы (через диод VD).
Соотношения между параметрами схемы:
UΔ = Uз– Uосн;
(7.1)
Uосн = kд.нUн; (7.2)
Uу = kп.уUΔ; (7.3)
Епр = kпрUу ; (7.3) Епр = Uн N+Iн NRcx+ΔUкэ.нас = Uн N + ΔUн.р, (7.4)
где kд.н – коэффициент передачи датчика напряжения; kп.у – коэффициент усиления предварительного усилителя; kпр – коэффициент усиления силовой схемы преобразователя; Uу – напряжение на
выходе предварительного усилителя; Епр – ЭДС на выходе преобразователя; Rcx – активное сопротивление элементов схемы, по которым протекает ток нагрузки. Величина Rcx практически определяется активным сопротивлением обмотки сглаживающего дросселя,
RL; ΔUкэ.нас– падение напряжения на открытом транзисторе.
Суммарное падение напряжения на элементах схемы разомкнутой системы ΔUн.р = Iн NRcx+ΔUкэ.нас.
Для поддержания выходного напряжения на заданном уровне
стабилизатор должен обладать необходимым коэффициентом усиления. Требуемый коэффициент усиления замкнутой по напряжению системы К определяется из соотношения:
ΔUн.р/ΔUнг.з = К + 1.
(7.5)
(7.6)
К = (ΔUн.р/ΔUнг.з) – 1 = kп.уkд.н kпр.
Коэффициент усиления преобразователя определяется из (7.3):
kпр = Епр/ Uу.
Далее необходимо определить значение коэффициентов kпу и
kдн. Поскольку неизвестны значения двух коэффициентов, необходимо еще одно уравнение в дополнение к уравнению kп.у kд.нkпр = К.
Это уравнение можно вывести из вышеприведенных уравнений:
kп.у = Uy/UΔ = Uу max/(Uз – kд.нUн N). (7.7)
Приняв Uз = 5 В и зная значения Uу max и Uн N, можно определить
необходимые значения коэффициентов kп.у и kд.н.
114
Точность стабилизации выходного напряжения определяется
коэффициентом стабилизации
kст = (ΔUвх/Uвх N)/(ΔUн.з/UнN). (7.8)
Величина эквивалентного выходного сопротивления стабилизатора определяется по формуле:
Rвых = ΔUн.з/ΔIн при условии Uвх = const. (7.9)
Из (7.9) следует, что чем выше уровень стабилизации выходного напряжения, тем меньше эквивалентное сопротивление стабилизатора.
При отсутствии обратной связи по напряжению выходное сопротивление преобразователя равно Rсх: ΔUн.р/ΔIн = Rсх .
Совершенно очевидно, что Rвых < Rсх. Таким образом, введение
в систему отрицательной обратной связи по напряжения способствует уменьшению внутреннего сопротивления схемы преобразователя и уменьшению падения
~220В
напряжения.
X1 X2
RP1
Описание лабораторной
установки
ИП
PV1
V
X8
A PA1
X9
В комплект лабораторной устаX10
X11
Cф
новки входят следующие модули:
VT1
«Преобразователь
постоянного
X16
VT2
напряжения», «Модуль измериX3 X4
RS1 X15 X17
RP2
СУ
VT3
тельный», «Мультиметры», а такUз
же двухканальный осциллограф.
X5
X6 X7 X18
Установка является универX19
SA2
сальной, на ней можно произвоRS2
PV1
X20
X21
X22
дить исследования ППН-1, а такV
же импульсного стабилизатора
VD
RS4
постоянного напряжения. В качестве регулирующего элемента
X25
X23 X24
RS3
может быть применен любой из
X26
X27
существующих типов транзиA PA2
сторов – биполярный, полевой
Rн
Lн
X28
и ІGВТ, что позволяет сравнить
эти транзисторы при их работе
SA3
Cн
X29
в ключевом режиме.
Лицевая панель модуля «Пре- Рис. 7.2. Схема стабилизатора наобразователь постоянного напряпряжения постоянного ток
115
жения» показана на рис. 6.7. На ней изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы.
Силовая часть схемы состоит из источника питания ИП, на выходе которого включен конденсатор фильтра СФ, силовых транзисторных ключей VТ1, VT2 и VT3, диода VD, шунтирующего активно-индуктивную нагрузку Rн, Lн. Параллельно резистору Rн
с помощью тумблера ЅАЗ может подключаться конденсатор Сн.
Резистор Rн выполнен регулируемым. Напряжение на выходе источника питания ИП регулируется с помощью потенциометра RP1.
Система управления СУ выдает на выходе управляющие импульсы, подаваемые на входы силовых транзисторов. Частота управляющих импульсов (5 кГц или 10 кГц) изменяется тумблером ЅА1.
Относительная длительность включения транзисторов – коэффициент заполнения γ измеряется прибором РА1, установленным
на лицевой панели (см. рис. 6.7).
Для осциллографирования тока на входе силового транзистора
установлен шунт RЅ1 = 10 Ом. Для осциллографирования токов силовых транзисторов (эмиттера, истока) іVT, нагрузки ін и диода ід установлены шунты (RЅ2, RЅ3 и RЅ4). Сопротивления этих шунтов 1 Ом.
Внимание! Земля (корпус) осциллографа должна быть постоянно приближена к общей точке соединения RЅ2, RЅ3 и RЅ4, обозначенной «⊥». Поэтому корпус осциллографа «⊥» последовательно
подключается к гнездам Х20, Х24, Х25 при измерении соответствующих токов. При применении двухканального осциллографа
вход канала СН1 используется для измерения токов, а вход канала
СН2, подключаемый через выносной делитель (kд = 10), используется для измерения напряжений в схеме. При указанном подключении осциллограмма тока нагрузки ін имеет отрицательную полярность. Это нужно учесть, указывая направление оси і на осциллограмме. При подаче сигналов с шунтов через инструментальный
усилитель (гнезда Х12 – Х14), расположенный на панели, осциллограммы могут быть сориентированы правильно. При измерении
напряжений осциллограммы могут быть правильно сориентированы с помощью кнопки СН2 INV, расположенной на лицевой панели
осциллографа.
Параметры измерительных приборов схемы приведены в табл. 6.1.
Подготовка к выполнению лабораторной работы
Собрать схему стабилизатора напряжения постоянного тока и
замкнуть обратную связь по напряжению, включив тумблер SA2
116
(cм. рис. 7.2). Напряжение на входе стабилизатора Uвх регулируется регулятором RP1. Стабилизатор работает на активно-индуктивную нагрузку (Rн – Lн). Задание уровня выходного напряжения
стабилизатора осуществляется регулятором RP2.
При выполнении лабораторной работы необходимо:
– выполнить исследование характеристик стабилизатора;
– выполнить исследование характеристик трех транзисторных
ключей различного типа – биполярного (VT1), полевого (VT2) и
IGBT (VT3) транзистора.
В режиме «Стабилизация постоянного напряжения» тумблер
ЅА2 переключается в положение «Стаб». При этом задание величины выходного напряжения устанавливается потенциометром RР2.
Порядок выполнения лабораторной
работы
1. Собрать схему для исследования преобразователя постоянного напряжения в соответствии с рис. 7.2. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
2. При исследовании ППН-1 с полевым транзистором в режиме регулирования напряжения и работе на активно-индуктивную нагрузку необходимо гнездо Х15 соединить с Х17, подключив в схему полевой транзистор VТ2. Тумблером SА1 (см. рис.
6.7) установить заданную частоту ШИМ f = 5кГц. Тумблер SА2
установить в положение «Рег», а SА3 в положение «0» (конденсатор Сн отключен). Ручки потенциометров RР1, RР2 и реостата
Rн установить в положение «0». Установить требуемые пределы
измерений на измерительных приборах согласно табл. 6.1. Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда», а затем переключатель питания модуля «Преобразователь постоянного напряжения».
3. При исследовании ППН-1 с биполярным транзистором
необходимо гнездо Х15 соединить с Х16, а при работе с IGBTтранзистором Х15 необходимо соединить с Х18.
При работе с частотой ШИМ 10 кГц необходимо тумблер SA1
установить в положение 10 кГц.
Для подключения конденсатора Сн параллельно Rн необходимо
включить тумблер SA3.
117
Программа лабораторной работы
А. Снять эксплуатационные характеристики стабилизатора
Эксплуатационные характеристики стабилизатора определяют зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного напряжения Uвых = f(Uвх) при постоянном напряжении задания
Uз = const и постоянном сопротивлении нагрузки Rнг = const:
– при значении частоты ШИМ f = 5 кГц;
– при значении частоты ШИМ f = 10 кГц.
По заданию преподавателя установить:
– значение напряжения на входе стабилизатора Uвх N;
– значение напряжения на выходе стабилизатора Uн N;
– значение тока нагрузки Iн.
Напряжение на входе стабилизатора выставляется регулятором
RP1. Напряжение на выходе стабилизатора выставляется регулятором RP2. Заданное значение тока нагрузки Iн при выставленных
параметрах UвхN и UнN устанавливается потенциометром Rн. На
протяжении всего опыта не трогать положение ручки потенциометра Rн.
Поддерживать постоянным:
– сопротивление нагрузки Rн;
– частоту ШИМ f = 5 кГц (или f = 10 кГц).
Изменять:
– напряжение на входе стабилизатора (регулятором RP1) Uвх.
(от нуля до возможно максимального значения)
Измерять:
– напряжение на входе преобразователя Uвх;
– ток на входе преобразователя Iвх;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн;
– коэффициент заполнения импульса (по прибору PА1) D.
– Вычислить:
– мощность, потребляемую от источника питания Рвх;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Pн;
– КПД преобразователя η;
– отклонение выходного напряжения от заданного значения ΔUн;
– отклонение напряжение на входе преобразователя ΔUвх;
– коэффициент стабилизации выходного напряжения kст.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 7.1.
По данным табл. 7.1 построить на графике № 1 зависимости
Uн = f(Uвх), η = f(Uвх), kст = f(Uвх); D = f(Uвх).
118
Таблица 7.1
Измерено
Эксплуатационная характеристика стабилизатора
Uвх, В
Iвх, А
Uн, В
Iн, А
D
Вычислено
Рнг, Вт
Рвх, Вт
η
ΔUн, В
ΔUвх, В
kст
Расчетные соотношения:
Рнг = Uн Iн; Рвх = Uвх Iвх; η = Рнг/Рвх; kст = (ΔUвх/Uвх N)/(ΔUн.з/Uн N).
На графике отметить значение входного напряжения, при котором преобразователь выходит из режима стабилизации напряжения.
Б. Снять внешнюю характеристику
Внешняя характеристика стабилизатора – это зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки Uн = f(Iн) при постоянном напряжении на входе стабилизатора Uвх = const.
Поддерживать постоянным:
– напряжение на входе стабилизатора Uвх;
– частоту ШИМ f = 5 кГц (или f = 10 кГц).
Изменять:
– ток нагрузки (регулятором Rн) Iн.
Измерять:
– напряжение на входе преобразователя Uвх;
– ток на входе преобразователя Iвх;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн.
– Вычислить:
– мощность, потребляемую от источника питания Рвх;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Pн;
– КПД преобразователя η;
119
Таблица 7.2
Внешняя характеристика стабилизатора
Измерено
Uвх, В
Iвх, А
Uн, В
Iн, А
Вычислено
D
Рнг, Вт
Рвх, Вт
η
ΔUн, В
ΔUн/ Uн N
– отклонение выходного напряжения от заданного значения ΔUн;
– коэффициент стабилизации выходного напряжения kст.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 7.2.
По данным табл. 7.2 построить на графике № 2 зависимости
Uн = f(Iн), η = f(Iн), ΔUн/ Uн N = f(Iн).
Расчетные соотношения:
Рнг = Uн Iн; Рвх = Uвх Iвх; η = Рнг/Рвх.
В. Экспериментальное исследование транзисторных ключей
при активно-индуктивной нагрузке
Сравнительная оценка быстродействия транзисторов
Для заданных значений входного напряжения (Uвх = В), напряжения нагрузки (Uн = В) и тока нагрузки (Iн = А) снять осциллограммы напряжения на транзисторе uVT и ток через транзистор iVT
для всех трех типов транзисторов (биполярного, полевого и IGBT).
Для этого сначала установить перемычку между гнездами X15–
X16, подключив выход системы управления СУ к биполярному
транзистору. Канал СН1 осциллографа подключить к шунту RS2
(«+» – гнездо X19, корпус осциллографа «» – гнездо Х20), а канал
СН2 – к гнезду X11 (напряжение на транзисторном ключе). Сфотографировать осциллограммы для биполярного транзистора VT1.
Проделать аналогичные действия для других типов транзисторов,
последовательно переключая выход СУ к входам VТ2 и VТ3. Определить масштаб оси времени на осциллограммах. Обратить особое
120
внимание на начало и конец импульса тока – определить время
включения и выключения транзисторов. Результаты измерений
занести в табл. 7.3.
Испытания провести для двух значений частоты ШИМ f = 5 кГц,
f = 10 кГц.
Результаты измерений занести в табл. 7.3.
По результатам измерений выполнить сравнительную оценку
быстродействия трех типов транзисторов
Сравнительная оценка потерь мощности в транзисторах
Испытания провести для двух значений частоты ШИМ f = 5 кГц
и f = 10 кГц.
Результаты испытаний занести в табл. 7.4. и 7.5.
По результатам измерений выполнить сравнительную оценку
потерь мощности трех типов транзисторов, оценить влияние частоты на потери каждого из типов транзисторов.
Таблица 7.3
Результаты измерений времени включения и выключения
транзисторов Iн = А
f = 5 кГц
Частота ШИМ
Тип транзистора
tвкл, мкс
f = 10кГц
tвыкл, мкс
tвкл, мкс
tвыкл, мкс
Биполярный
Полевой
IGBT
Таблица 7.4
Потери мощности стабилизатора при различных типах
транзисторов и f = 5 кГц
Биполярный
Полевой
IGBT
Iвх, А
Uвх, В
Iн, А
Uн, В
Рвх, Вт
Рн, Вт
η
121
Таблица 7.5
Потери мощности стабилизатора при различных типах
транзисторов и f = 10 кГц
Биполярный
Полевой
IGBT
Iвх, А
Uвх, В
Iн, А
Uн, В
Рвх, Вт
Рн, Вт
η
Выключить переключатель питания модуля «Преобразователь
постоянного напряжения», а затем автомат QF1 «Модуля питания
стенда».
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– предварительные расчеты и построения;
– исходные данные, принципиальную силовую схему установки;
– обработанные осциллограммы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики (регулировочные, внешние и энергетические);
– определение коэффициента стабилизации и выходного сопротивления стабилизатора;
– выводы по работе: оценить влияние изменения входного напряжения на рабочий диапазон стабилизатора; оценить влияние
изменения входного напряжения на диапазон изменения коэффициента заполнения импульса; оценить влияние изменения тока нагрузки на уровень стабилизации выходного напряжения стабилизации; оценить влияние изменения входного напряжения на величину КПД; оценить влияние изменения тока нагрузки на величину
КПД; оценка влияния частоты ШИМ на КПД стабилизатора с различными транзисторными ключами; сравнение форм токов и напряжений в транзисторных ключах различных типов и пояснение
122
причин отличий; оценить влияние частоты на потери каждого из
типов транзисторов; привести сравнительную оценку быстродействия трех типов транзисторов.
Контрольные вопросы
1. Сравните ключевой и линейный режимы работы транзистора.
2. Преимущества ключевого режима.
3. Как определить потери мощности в транзисторном ключе? Из
каких составляющих складываются суммарные потери мощности?
4. Преимущества и недостатки импульсных и непрерывных стабилизаторов.
5. Что такое регулировочная и внешняя характеристика преобразователя постоянного напряжения? Какой вид они имеют?
6. До какого предела можно уменьшать напряжение источника
питания, чтобы напряжение на нагрузке стабилизатора еще могло
оставаться стабильным?
7. На что влияет изменение частоты ШИМ?
8. Как определить коэффициент пульсаций тока нагрузки?
9. Как определить КПД стабилизатора?
10. Как снять осциллограммы токов и напряжений в схеме?
11. На что влияет подключение конденсатора Сн?
12. Как подключать входы двухканального осциллографа при
осциллографировании токов и напряжений?
13. На что влияет изменение типа транзисторов?
123
8. ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА
НАПРЯЖЕНИЯ
Автономные, или независимые, инверторы – это полупроводниковые преобразователи электрической энергии постоянного тока
в электрическую энергию переменного тока, работающие на сеть
переменного тока, не имеющую других источников электрической
энергии, кроме рассматриваемого преобразователя. Инверторы напряжения находят широкое применение в электроприводах переменного тока, генераторах ветросиловых установок, источниках
бесперебойного питания и т. д. Шкала мощностей трехфазных инверторов находится в пределах от десятков Вт до МВт [2].
Работа № 8
Исследование трехфазного инвертора напряжения
Цель работы: исследование электромагнитных процессов и
энергетических характеристик трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН).
Устройство и принцип работы инвертора
напряжения
Рассмотрим устройство и принцип работы наиболее простой
схемы трехфазного транзисторного инвертора напряжения, схема
которого приведена на рис. 8.1. Полностью управляемые вентили
(VT1–VT6) называются группой вентилей прямого тока, а неуправляемые вентили (VD1–VD6) называются группой вентилей обрат+
Uп
VT1
Uy1
+
VD1
Uy3
A
Cф
VD6
VD3
VT4
VD5
Uy5
B
Uy6
C
VD6
Uy4
-
VT5
VT3
VT6
VD2
Uy 2
VT2
Нагрузка
Рис. 8.1. Схема трехфазного инвертора напряжения
124
ного тока. Нагрузка такого инвертора включается либо по схеме
«звезда», либо по схеме «треугольник». Как в первом, так и во втором случае переключение транзисторных ключей любой фазы инвертора вызывает изменение напряжения на всех фазах. Это обстоятельство сильно усложняет анализ электромагнитных процессов.
В инверторах напряжения входная индуктивность Ld отсутствует. Такие инверторы работают при постоянстве мгновенного значения входного напряжения. Для обеспечения этого условия на входе
инвертора напряжения устанавливают конденсатор Сф, допускающий пульсации входного тока инвертора и обеспечивающий практически постоянство мгновенных значений входного напряжения,
т. е. Uп = const. Этим условием и определяется общее название класса схем «инверторы напряжения».
Благодаря наличию группы вентилей обратного тока и конденсатора Сф в инверторе напряжения созданы условия свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником постоянного тока, что полностью исключает необходимость компенсации реактивной энергии нагрузки конденсаторами, включаемыми
в цепь нагрузки, как это реализуется в инверторах тока.
При расчете токов и напряжений силовой схемы следует учитывать особенности работы системы управления инвертора. Эти
особенности можно пояснить с помощью рис. 8.2, на котором изображены пилообразное (опорное) напряжение uоп, напряжение
управления uy1 (модулирующее напряжение) транзисторами одной
из трех фаз моста, а также функции состояния двух транзисторов
1-й фазы ki1 и 1–ki1.
Напряжения управления транзисторами двух других фаз uy2 и
uy3 на рис. 8.2 не изображены. Однако можно отметить, что в сим-
uоп=1
uоп= −1
uоп=1−∆uоп
uоп = −1+∆uоп
uy1
uоп
Tоп
ki1
1−ki1
Рис. 8.2. Опорное напряжение, напряжение управления и сигналы
управления, подаваемые на транзисторы одного плеча инвертора
в режиме синусоидальной ШИМ
125
метричном режиме работы они имеют ту же амплитуду и взаимно
сдвинуты по фазе на 120 электрических градусов.
Если напряжения управления синусоидальные и их амплитуда
не превышает амплитуду опорного напряжения, то считается, что
преобразователь работает в режиме синусоидальной ШИМ без перемодуляции.
В реальных установках вследствие дискретности микропроцессорных устройств управления напряжения управления имеют
ступенчатую форму с «гладкими» составляющими, близкими по
форме к синусоиде. Длительность цикла работы микропроцессорных систем управления Δty во многих случаях принимается равной
периоду Tоп пилообразного напряжения. В пределах этого периода
напряжения управления всех фаз неизменны. Временные диаграммы, приведенные на рис. 8.2, построены с учетом этой особенности
системы управления.
В моменты равенства опорного напряжения и напряжений
управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально допустимое время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напряжения (участвующую в формировании импульсов управления) на величину ∆uоп сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения
принять равной 1, то в соответствии с рис. 8.2 активная зона напряжений управления находится в пределах от (–1+Δuоп) до (1–Δuоп).
Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне пилообразного напряжения, то в течение периода Tоп
в данной фазе происходит одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение
и одно выключение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны пилообразного напряжения, то в данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак.
При работе в режиме ШИМ «гладкие» составляющие выходных
напряжений инвертора в первом приближении подобны напряжениям управления фаз (при условии постоянства напряжения
в цепи постоянного тока инвертора).
На рис. 8.3 изображены опорное напряжение uоп и напряжение
управления uy1 одной фазы при выходе напряжения управления на
некоторых отрезках времени за пределы активной зоны опорного
напряжения (ограниченной пунктирными линиями). В рассматриваемом случае АИН работает в режиме перемодуляции.
126
u
uоп =1− ∆ uоп
uy1
uоп
uоп = −1+ ∆uоп
u
uоп =1− ∆ uоп
uоy1
uоп
uоп = −1+ ∆uоп
Рис. 8.3. Опорное напряжение и напряжения управления
транзисторами инвертора в режиме перемодуляции
На тех отрезках времени рис. 8.3, на которых напряжения
управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения, переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими
по границам рабочей зоны на уровне (–1+Δuоп ) или (1–Δuоп). При
этом, как изображено на рис. 8.3, фактическое напряжение управления uоy1 приближается по форме к трапеции.
При работе в режиме перемодуляции «гладкие» составляющие
выходных напряжений инвертора в первом приближении подобны
указанным трапецеидальным (усеченным) напряжениям управления фаз.
При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления uy1 трапецеидальное напряжение uоy1 приближается к прямоугольной форме. Инвертор переходит в режим работы так называемой фазной коммутации, при которой длительность открытого
состояния транзисторов не регулируется.
В режимах перемодуляции и фазной коммутации амплитуда
основных гармонических составляющих напряжений управления
может быть больше 1. Соответственно в выходных напряжениях
инвертора амплитуда основных составляющих превышает амплитуду «гладких» составляющих.
Основные расчетные соотношения трехфазного инвертора
напряжения при синусоидальной ШИМ
Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ при формировании фазных напряжений с помощью пространственного вектора
127
U
U
UË =
µ d ; Uô =
µ d. 2
6
(8.1)
Действующее значение линейного напряжения нагрузки инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ при формировании фазных напряжений на выводах по отношению к средней точке источника питания
Uíã.ë
=
3
2 2
µUd, (8.2)
где Ud – среднее значение напряжения на входе инвертора; μ – коэффициент модуляции.
Пользуясь (8.1) и (8.2) можно определить требуемое значение напряжения постоянного тока на входе инвертора, если задано значение линейного напряжения нагрузки (например, асинхронного двигателя):
Ud =
2 2 Uíã.ë N
,
3 µmax
где Uнг.л N – номинальное значение линейного напряжения нагрузки; μmax– максимальное значение коэффициента скважности.
При практических расчетах можно принять μmax = 0,9.
Обратим внимание на то, что при синусоидальной широтно-импульсной модуляции действующее значение выходного напряжения инвертора (Uнг.л) даже при коэффициенте модуляции, равном
единице, меньше того значения выходного напряжения инвертора,
которое имеет место быть при управлении инвертора с постоянной
длительностью сигнала управления транзистора (λи.у = 180о). Действительно,
3
2 2
UË 
2
3
UË .
Среднее значение тока транзистора, Ivт ср:.
Ivò ñð =
Iôm
2π
(1 +
πµ
cos ϕíã ).
4
(8.3)
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока транзистора
имеет максимальное значение:
Ivт ср max = Iф m(1+μ)/2. (8.4)
128
Максимальное значение тока коллектора, Iк
его следует выбирать:
max,
по которому
Iê =
2Iô , (8.5)
max I=
ôm
где Iф – действующее значение тока фазы инвертора.
Выбирать диоды обратного тока следует по среднему значению
тока, Ivд ср:
Ivä ñð =
Iô m
2π
(1 −
πµ
cos ϕíã ). 4
(8.6)
При малых значениях частоты модулирующего сигнала (частоты выходного напряжения) среднее значение тока диода имеет
максимальное значение:
Ivд ср max = Iф m(1–μ)/2. (8.7)
Максимальное напряжение на транзисторах и диодах обратного
тока можно принять равным максимальному значению напряжения, питающего инвертор, т. е.
Uкэ = Uvд = Ud max. (8.8)
При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя)
возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию
в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть
найдена по следующей формуле [2]:
t +∆t
∫
C0 =
t
id dt
∆Uc
,
(8.9)
где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока id направлен от инвертора к источнику; ΔUc – допустимое
перенапряжение на конденсаторе.
Решая уравнение (8.9), получим формулу для расчета величины
емкости компенсирующего конденсатора:
C0 =
ϕíã(1) − π / 6
3 µIíã m
sin
,
2 fíåñ ∆Uc
2
(8.10)
129
где μ– коэффициент модуляции (0 < μ < 1); Iнг m–амплитудное значение тока нагрузки; fнес.– несущая частота ШИМ; ϕнг(1) – фазовый
угол между первыми гармониками напряжения и тока.
Расчетное соотношение (8.10) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте.
Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость
компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ
всегда меньше, чем у инверторов без ШИМ.
Напомним, назначение емкости С0 – обеспечение свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания
инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя
между выпрямителем и инвертором необходимо установить L-C
сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного
напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего
фильтра величина этой емкости должна быть выбрана не менее того
значения, которое определяется формулой (8.10).
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется с использованием двух модулей: модуля «Преобразователь частоты»; модуля «Нагрузка».
Модуль «Преобразователь частоты» обеспечивает преобразование переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц в трехфазное
напряжение с регулируемыми значениями напряжения и частоты.
Лицевые панели модулей «Преобразователь частоты» и «Нагрузка» показаны на рис. 8.4 и 8.5, соответственно.
Модуль «Преобразователь частоты» (см. рис. 8.1) содержит:
– преобразователь частоты Е2-МINI-SP5L;
– силовые гнезда для подачи однофазного входного напряжения
А и N и снятия выходного напряжения A1, В1 и С1;
– силовые гнезда выпрямленного напряжения Ud «+» гнездо Х5
и «–» –Х6;
– потенциометр задания сигнала управления RР1 для одновременного регулирования частоты и величины выходного напряжения;
– кнопку SВ1 «Сброс» для сброса ошибки после срабатывания
защиты;
– переключатель SА1, изменяющий чередование фаз (направление вращения);
130
– частотомер для измерения частоты на выходе АИН;
– светодиоды, сигнализирующие подачу питания, нормальную
работу и срабатывание защиты;
– датчик напряжения (ДН) и тока (ДТ) для осциллографирования и измерений напряжений и токов в схеме.
Питание модуля осуществляется от сети переменного тока через
разделительный трансформатор ТV, обеспечивающий потенциальную развязку от сети.
Модуль «Преобразователь частоты» состоит из двух звеньев (см.
рис. 8.4). Первое звено преобразователя частоты (ПЧ) – неуправляемый выпрямитель на диодах (UZ1), выполненный по однофазной
мостовой схеме. Второе звено – трехфазный АИН (UZ2), выполненный на IGBT-транзисторах. На входе АИН включен емкостной
фильтр.
В модуле «Преобразователь частоты» установлены датчики тока
(ДТ) и напряжения (ДН), служащие для осциллографирования и
измерения напряжений и токов в схеме.
На гнезда X10 и Х11 подаются сигналы напряжения, а на гнезда
Х13 и Х14 – сигналы тока. Гнезда Х9, Х12 и общий провод «⊥» служат для подключения выходных цепей ДН и ДТ к осциллографу
или модулю напряжения (ДН), служащие для осциллографирования и измерения «Ввод-вывод».
Коэффициент преобразования датчика напряжения kДН = 40
В/В, коэффициент преобразования датчика тока kДТ = 0,25 А/В.
Фактические значения напряжения и тока определяются умножением значений, измеренных при помощи осциллографа, на соответствующий коэффициент датчика.
С помощью тумблеров SА2 и SАЗ модуля «Преобразователь частоты» изменяется полоса пропускания датчиков, что позволяет
наблюдать на экране осциллографа или компьютера либо ШИМсигнал (положение «2»), либо его первую гармонику (положение «1»).
Питание модуля «Преобразователь частоты» осуществляется
через гнезда А и N источника трехфазного переменного напряжения через автомат QF2, расположенный в модуле питания.
В качестве нагрузки АИН используется модуль «Нагрузка» (см.
рис. 8.5), содержащий реакторы (L1– L3), резисторы (RР1–RР3) и
конденсаторы (С1–СЗ).
В модуле «Нагрузка» регулируются только активные сопротивления фаз (RР1–RРЗ), а реактивные элементы остаются неизменными. Регулирование производится переключателем SА1. Зна131
ПРЕ ОБРАЗ О ВАТ Е ЛЬ ЧАСТО Т Ы
А
N
050
TV
Питание
Х1
Х2
З ащита
Х3
НА ГРУЗКА
Х1
Х2
L1
3
2
1
Х5
4
Х4
L3
Х4
Х5
Х6
RP1
RP2
RP3
Х7
Х8
Х9
Х6
0
Х7 Х8
L2
Х3
СУ
SA1
Впер ед
SA1
На за д
A1 B1 C1
Д АТЧИ КИ ТО КА И НА ПРЯЖЕ НИ Я
1
2
1
2
Х9 SA2 Х10 Х12 SA3 Х13 Х14
ДН
Х11
Х10
Х11
Х12
C1
C2
C3
Х13
Х14
Х15
ДТ
Рис. 8.4. Модуль «Преобразователь частоты»
Рис. 8.5. Модуль«Нагрузка»
чения резисторов, соответствующие положениям переключателя,
приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Значение сопротивления нагрузки в зависимости
от положения переключателя SA1
Положение переключателя
SA1
1*
2*
3
4
5
Сопротивление нагрузки (Ом)
100
200
400
600
1000
6
1600
Примечание: знаком «*» отмечены запрещенные положения
переключателя. Индуктивности (LI–L3) равны 300 мГн, а емкости
(С1–С3) – 10 мкФ.
132
Для получения трехфазной активно-индуктивной нагрузки необходимо установить перемычки между гнездами X7–X8 и Х8–Х9
(нулевая точка нагрузки).
Порядок включения и выключения установки
1. Собрать схему эксперимента для выполнения лабораторной
работы.
2. В модуле «Преобразователь частоты» установить тумблер SА1
(«Направление вращения») – в среднее положение, потенциометр
задания частоты RР1 – в нулевое положение.
3. Установить переключатель SA1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение).
4. Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда» (трехфазный), включить автомат QF2 «Модуля питания» (трехфазный), а
также кнопку «Сеть» модуля «Ввод-вывод».
5. Включить тумблер «Питание» модуля «Измеритель мощности».
6. В модуле «Преобразователь частоты» переключить тумблер
SА1 в верхнее положение. При этом засветится светодиод «Работа».
7. Потенциометром RР1 установить требуемую частоту f и соответствующее ей напряжение на нагрузке. При этом выполняется
закон U/f = const.
8. Установить переключателем SА1 необходимое сопротивление
в модуле «Нагрузка».
Порядок выключения: выключить тумблер SF1 модуля «Преобразователь частоты», а затем кнопку «Сеть» модуля «Ввод-вывод»,
выключить автомат QF2 «Модуля питания» (трехфазный).
Экспериментальное исследование трехфазного АИН
Собрать схему для исследования трехфазного АИН при работе
на активно-индуктивную нагрузку в соответствии с рис. 8.6. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
В табл. 8.2 приведены измерительные приборы в соответствии
с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис. 8.6).
Подключить осциллограф к датчику тока ДТ (канал СН2 – гнездо Х12, корпус осциллографа соединить с гнездом «⊥» ДТ) и датчику напряжения ДН (канал СH1 – гнездо Х9).
Тумблеры SА2 и SАЗ датчиков напряжения ДН и тока ДТ установить в положение «2» (фильтр выключен). Установить требу133
Модуль питания A B C N
OF2
Преобразователь частоты
A
TV
Х1
Х3
N
UZ1
PA1 A
Х5
RP1
V
Х5 PV1
С
UZ2
Х7 Х8
Х6
СУ
Х19
Х11
ДК
Х10
RP1
L1
Х8
RP2
L2
Х8
Х9
RP3
L3
Х7
Нагрузка
Х1
PW1
W
Х14
Х12
ДТ
А1 В1
С1
Х13
Х2
Х3
Рис. 8.6. Принципиальная схема для исследования автономного инвертора напряжения при осциллографировании тока и напряжения на выходе
Таблица 8.2
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
прибора
Предел измерения
Месторасположение прибора (название модуля)
Постоянное напряжение на
входе АИН Ud
PV1
= 1000 В
Мультиметры
Постоянный ток на входе
АИН Id
PA1
= 2 А
Модуль измерительный
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения Uнф(1) и фазного
тока Iнф(1) на выходе АИН
PW1
134
Uнф(1) ~ 300 В Измеритель мощIнф(1) ~ 2,0 А
ности
Модуль питания A B C N
QF2
Преобразователь частоты
A
TV
Х1
Х3
Х14
Х12
PA1
RP1
Х7 Х8
RP1
L1
Х8
RP2
L2
Х8
Х9
RP3
L3
Х7
Х1
Нагрузка
ДТ
Х13
A
UZ1
Х4 Х10
Х5
N
Х9
ДН
Х11
V
Х5 PV1
UZ2
С
Х6
СУ
PW1
W
А1 В1
С1
Х2
Х3
Рис. 8.7. Принципиальная схема для исследования автономного
инвертора напряжения при осциллографировании тока
и напряжения на входе
емые пределы измерений на измерительных приборах согласно
табл. 8.2.
Прогорамма выполнения лабораторной работы
А. Снять регулировочную и энергетические характеристики
Регулировочные характеристики – это зависимости Uнф(1) = f(f)
и μ = f(f).
Энергетические характеристики – это зависимости Pd = f(f),
Pн = f(f), Sн = f(f), cosϕн = f(f), ηи = f(f).
Регулировочные характеристики выполняются при реализации
частотного закона U/f = const и двух значениях сопротивления на135
грузки Rн1 и Rн2. Значение сопротивления нагрузки задается преподавателем. Частоту изменять в диапазоне 10–50 Гц. Для повышения точности измерения за счет устранения помех соединить
нулевую точку модуля «Нагрузка» (гнездо Х7) с землей (гнездо N
модуля питания).
Поддерживать постоянным:
– активное сопротивление нагрузки (переключатель SA1
в модуле «Нагрузка») Rн;
– напряжение на входе инвертора Ud.
Изменять:
–частоту выходного напряжения (потенциометром RP1) f.
Измерять:
– фазное напряжение на выходе инвертора Uнф(1);
– фазный ток на выходе инвертора Iнф(1);
– активную мощность фазы нагрузки Рн.ф;
– полную мощность фазы нагрузки Sн;
– коэффициент мощности нагрузки сosϕн.
Вычислить:
– мощность на входе инвертора Pd;
– активную мощность нагрузки Рн;
– полную мощность нагрузки Sн;
– КПД инвертора ηи;
– коэффициент модуляции μ.
Таблица 8.3
Регулировочная характеристика инвертора
Измерено
f, Гц
Причечание
Ud, В
Id, А
Uн.ф(1), В
Iн.ф(1), А
Рн.ф, Вт
Вычислено
сosϕн
136
Pd, Вт
Pн, Вт
Sн, ВА
ηи
μ
Rн = Результаты измерений и вычислений занести в табл. 8.3
Расчетные соотношения:
Pd = Ud Id; Pн = 3Рн.ф; Sн = 3Uн.фIн.ф.
Коэффициент полезного действия инвертора: ηи = Pн/Pd;
Коэффициент модуляции:
=
µ
UËm
=
Ud
2 3Uô.í
.
Ud
Повторить опыт при другом значении Rн2 (заполнить новую
табл. 8.3).
По данным табл. 8.3 на графике № 1 построить зависимости
Uнф(1) = f(f) и μ = f(f). Pd = f(f), Pн = f(f), Sн = f(f), cosϕн = f(f), ηи = f(f) для
случая Rн = Rн1, а на графике № 2 построить те же зависимости для
случая Rн = Rн2.
Б. Снять внешние и энергетические характеристики
Внешняя характеристика инвертора – это зависимость
Uн.ф(1) = f(Iн.ф(1)), а энергетические характеристики – это зависимости Pd = f(Iн.ф(1)), Pн = f(Iн.ф(1)), Sн = f(Iн.ф(1)), cosϕн = f(Iн.ф(1)),
ηи = f(Iн.ф(1)) при заданном значении частоты f.
Для этого потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты f (по прибору частота) и изменять ток нагрузки Iнф переключателем SА1 в модуле «Нагрузка».
Поддерживать постоянным:
– частоту выходного напряжения f;
– напряжение на входе инвертора Ud.
Изменять:
–сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– фазное напряжение на выходе инвертора Uнф(1);
– фазный ток на выходе инвертора Iнф(1);
– активную мощность фазы нагрузки Рн.ф;
– полную мощность фазы нагрузки Sн;
– коэффициент мощности нагрузки сosϕн.
Вычислить:
– мощность на входе инвертора Pd;
– активную мощность нагрузки Рн;
– полную мощность нагрузки Sн ;
– КПД инвертора ηи;
137
– коэффициент модуляции μ.
Результаты измерений и вычислений занести в табл.8.4.
Расчетные соотношения:
Pd = Ud Id; Pн = 3Рн.ф; Sн = 3Uн.фIн.ф.
Коэффициент полезного действия инвертора: ηи = Pн/Pd;
Коэффициент модуляции
=
µ
UËm
=
Ud
2 3Uô.í
.
Ud
Повторить опыт при другом значении частоты f (заполнить
вновь табл. 8.4).
Таблица 8.4
Внешняя характеристика
Rн, Ом
Причечание
Измерено
Ud, В
Id, А
Uнф(1), В
Iнф(1), А
Рнф, Вт
cosϕ
f = Вычислено
Pd, Вт
Pн, Вт
Sн, ВА
ηи
По данным табл. 8.4 на графике № 3 построить зависимости
Uнф(1) = f(f) и μ = f(f). Pd = f(f), Pн = f(f), Sн = f(f), cosϕн = f(f), ηи = f(f)
для случая f = f1, а на графике № 4 построить те же зависимости для
случая f = f2.
Выключить тумблер SА1 модуля «Преобразователь частоты»,
тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности», а также автоматы QF2 модуля питания и QF1 модуля питания стенда.
138
Исследование электромагнитных процессов инвертора
1. Снять с выходов ДН и ДТ осциллограммы первой гармоники
фазного напряжения uнф(1) и тока iнф(1) на выходе АИН при помощи
осциллографа для заданного сопротивления нагрузки Rн и частоты управления f. Выполнить необходимые операции, указанные
в порядке включения установки. Потенциометром RP1 в модуле
«Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты
управления f, а переключателем SA в модуле «Нагрузка» – заданное значение сопротивление нагрузки Rн.
Вначале посмотреть на осциллограммы при широкой полосе
пропускания датчиков (положение «2» тумблеров SА2 и SАЗ, а затем, переключив тумблеры SА2 и SАЗ датчиков в положение «1»,
зафотографитровать осциллограммы первых гармоник фазного напряжения uнф(1) и тока iнф(1). Обратить внимание на фазовый сдвиг
между ними (угол ϕ), а также на изменение фазового сдвига при изменении частоты управления f. Не забудьте определить масштабы
по напряжению, току и времени с учетом коэффициентов датчиков.
2. Снять осциллограммы напряжения иd и тока id на входе АИН
при тех же значениях сопротивления нагрузки Rн и частоты управления. Для этого переключить датчики тока и напряжения в соответствии с рис. 8.5. Подключить осциллограф к датчику тока ДТ
(канал СН2 – гнездо Х12, корпус осциллографа соединить с гнездом «⊥» ДТ) и датчику напряжения ДН (канал СН1 – гнездо Х9).
Выполнить необходимые операции, указанные в порядке включения установки. Потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь
частоты» установить заданное значение частоты управления f, а
переключателем SA1 в модуле «Нагрузка» – заданное значение сопротивление нагрузки Rн. Объяснить импульсный характер тока,
потребляемого АИН от источника постоянного тока.
Выключить тумблер SА1 модуля «Преобразователь частоты», а
также автомат QF2 модуля питания.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– принципиальные электрические схемы для выполнения экспериментов;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
139
– обработанные осциллограммы;
– сравнение результатов экспериментов и предварительных расчетов;
– выводы по работе: указать какой способ модуляции использован в АИН; объяснить влияние тока нагрузки на регулировочные
характеристики АИН; объяснить влияние частоты управления и
тока нагрузки на энергетические показатели АИН.
Контрольные вопросы
1. В чем отличие ведомого и автономного инвертора?
2. Чем отличается автономный инвертор напряжения от автономного инвертора тока?
3. Зачем в инверторах напряжения включаются обратные диоды?
4. Зачем на входе АИН стоит конденсатор?
5. Как изменить частоту выходного напряжения автономного
инвертора?
6. Что зависит от несущей частоты?
7. Покажите контуры протекания тока в трехфазном АИН.
8. Как регулируется форма и величина напряжение в АИН?
9. Сравните способы формирования фазных, напряжений
в трехфазных АИН по предельно-достижимым напряжениям и
коммутационным потерям.
10. Какие автономные инверторы наиболее перспективны
в электроприводе в настоящее время?
11. Каков вид внешней характеристики АИН? От чего зависит
наклон характеристики?
12. Как снять внешнюю характеристику?
13. Что такое регулировочная (частотная) характеристика автономного инвертора?
14. Какой вид и почему имеет регулировочная (частотная) характеристика АИН для электропривода?
15. Как снять регулировочную (частотную) характеристику?
16. От чего зависит коэффициент несинусоидальности кривой
тока нагрузки?
17. Как определить КПД АИН?
18. Порядок включения и выключения лабораторной установки.
140
9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Преобразователи частоты (ПЧ) преобразуют электрическую
энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию
переменного тока другой частоты. Причем выходная частота преобразователя может быть регулируемой или стабилизированной.
Преобразователи с регулируемой выходной частотой применяются
в электроприводах переменного тока, а преобразователи со стабилизированной выходной частотой – в технологических установках,
в источниках питания, включая и источники бесперебойного питания [2].
Таким образом, область применения преобразователей частоты весьма широка, а мощности этих преобразователей от десятков
Ватт до нескольких мегаватт.
Лабораторная работа № 9
Исследование преобразователя частоты
со звеном постоянного тока
Цель работы: исследование электромагнитных процессов, характеристик и энергетических показателей преобразователя частоты со звеном постоянного тока,
Устройство и принцип работы
преобразователей частоты
К преобразователям частоты, предназначенным для частотного
управления электроприводами, предъявляются следующие основные требования:
– независимое регулирование величины и частоты выходного
напряжения;
– возможность двухстороннего обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью;
– устойчивость протекания динамических режимов частотного
управления электропривода;
– быстродействующая защита и эффективная диагностика;
– достаточно высокий коэффициент полезного действия;
– высокая симметрия фазных напряжений и токов;
– отсутствие постоянных составляющих и субгармоник в преобразованных напряжениях и токах;
141
– минимальные искажения напряжения питающей сети, низкий уровень радиопомех и шума;
– возможность форсировать кратковременные перегрузки по
току и напряжению для форсирования переходных процессов двигателя;
– поддержание с требуемой точностью значений частоты, напряжения (тока) в установившихся режимах работы электропривода.
По принципу работы преобразователи частоты разделяются на
преобразователи частоты со звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи
частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей
сети) [2]. Можно отметить, что преобразователи частоты со звеном постоянного тока имеют несколько каскадов преобразования
электрической энергии, что влечет за собой увеличение потерь
мощности и снижение КПД. Преобразователи частоты без звена
постоянного тока имеют только один каскад преобразования электрической энергии, поэтому их КПД выше, чем у преобразователей
частоты со звеном постоянного тока.
На лабораторном стенде можно провести исследование преобразователя частоты со звеном постоянного тока, поэтому далее рассмотрим работу этого преобразователя. ПЧ со звеном постоянного
тока имеют в своем составе выпрямитель и инвертор. Выпрямитель
преобразует электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, а инвертор преобразует электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока. Очевидным достоинством ПЧ со звеном постоянного
тока является независимость частоты выходного напряжения на
выходе ПЧ от частоты питающей сети.
ПЧ со звеном постоянного тока могут выполняться по схеме
с инвертором напряжения (рис. 9.1) или инвертором тока. Регулирование частоты выходного напряжения ПЧ осуществляется путем
изменения частоты переключения полупроводниковых ключей
(транзисторов или полностью управляемых тиристоров) автономного инвертора. Величина выходного напряжения в этих схемах
Вход ПЧ
u1
f1
Выход ПЧ
УВ
ИН
u2
f2
Рис. 9.1. ПЧ с управляемым выпрямителем
и инвертором напряжения
142
может регулироваться путем регулирования величины выходного
напряжения управляемого выпрямителя (этот способ называется
амплитудным способом).
В настоящее время в большей мере находит применение широтно-импульсный метод регулирования выходного напряжения
инвертора, реализуемый путем применения соответствующего алгоритма управления вентилями автономного инвертора. Выпрямитель в этом случае выполняется неуправляемым. Описание работы
инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией приведено в разделе «Краткие теоретические сведения» лабораторной
работы № 8 «Исследование инвертора напряжения». Там же приведены расчетные соотношения, устанавливающие связь между
напряжением цепи постоянного тока инвертора напряжения и напряжением переменного тока на выходе инвертора.
Действующее значение линейного выходного напряжения инвертора с синусоидальной ШИМ
Uíã
=
.ë
3
µUd . (9.1)
2 2
где Ud – среднее значение напряжения на входе инвертора; μ – коэффициент модуляции.
В ПЧ со звеном постоянного тока при генераторном режиме работы асинхронной машины необходимо обеспечить перевод управляемого выпрямителя в режим зависимого инвертирования. Поскольку тиристоры управляемого выпрямителя обладают односторонней проводимостью, в режиме инвертирования необходимо
изменить полярность напряжения в цепи постоянного тока ПЧ.
Схема ПЧ с инвертором напряжения (см. рис. 9.1) содержит в цепи
постоянного тока L–C сглаживающий фильтр. Поскольку полярность напряжения на конденсаторе фильтра изменять нельзя,
управляемый выпрямитель в этой схеме ПЧ не может быть переведен в режим инвертирования.
Для электроприводов переменного тока, у которых случаи рекуперации электрической энергии в питающую сеть достаточно
редки, возможно применение схемы ПЧ, приведенной на рис. 9.2.
В этой схеме энергия нагрузки, рекуперируемая в цепь постоянного тока, рассеивается на балластном сопротивлении Rб при включении транзистора VT. Транзистор VT, который часто называют
чоппером, включается сигналом системы управления в том случае,
когда напряжение на конденсаторе фильтра С повышается выше
143
заранее установленного предела. Повышение напряжения на конденсаторе С происходит при переходе нагрузки в генераторный режим. Совершенно очевидно, что при частых переходах электропривода в генераторный режим мощность, рассеиваемая на балластном
сопротивлении, существенно возрастает, а КПД ПЧ в целом уменьшается. Невзирая на этот факт, можно найти примеры реализации
этой схемы при мощности нагрузки до единиц мегаватт.
При питании инвертора напряжения от источника постоянного напряжения с односторонней проводимостью (от выпрямителя)
возникает необходимость в установке на входе инвертора компенсирующего конденсатора, который должен принимать энергию
в моменты времени, когда ток направлен от инвертора к источнику питания. Емкость компенсирующего конденсатора может быть
найдена по следующей формуле [2]:
t +∆t
∫
id dt
C0 = t
∆Uc
,
(9.2)
где Δt – интервал времени, в течение которого ток цепи постоянного тока id направлен от инвертора к источнику; ΔUc – допустимое
перенапряжение на конденсаторе.
Решая уравнение (9.2), получим формулу для расчета величины
емкости компенсирующего конденсатора:
C0 =
ϕíã(1) − π / 6
3 µIíã m
sin
,
2 fíåñ ∆Uc
2
m1
u1
f1
(9.3)
AD
В
ИН
Rт
Рис. 9.2. Преобразователь частоты с рекуперацией электрической
энергии в цепь тормозного резистора RТ
144
где μ – коэффициент модуляции (0 < μ < 1); Iнг m – амплитудное значение тока нагрузки; fнес – несущая частота ШИМ; ϕнг(1) – фазовый
угол между первыми гармониками напряжения и тока.
Расчетное соотношение (9.3) показывает, что емкость компенсирующего конденсатора не зависит от выходной частоты. Это обстоятельство позволяет использовать инверторы с ШИМ для работы
на очень низких выходных частотах. Далее, емкость компенсирующего конденсатора обратно пропорциональна несущей частоте.
Благодаря тому, что несущая частота достаточно высока, емкость
компенсирующего конденсатора в инверторах напряжения с ШИМ
всегда меньше, чем у инверторов без ШИМ.
Напомним, назначение емкости С0 – обеспечение свободного обмена реактивной энергией между нагрузкой и источником питания
инвертора. При питании инвертора напряжения от выпрямителя
между выпрямителем и инвертором предпочтительно установить
L–C сглаживающий фильтр для подавления пульсаций выпрямленного напряжения и тока. При расчете и выборе емкости сглаживающего фильтра величина этой емкости должна быть выбрана
не менее того значения, которое определяется формулой (9.3).
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Преобразователь частоты», «Нагрузка», Модуль питания, «Модуль измерительный», «Мультиметры», «Измеритель мощности»,
а также двухканальный осциллограф.
Описание лабораторной установки, а также порядок ее включения и выключения подробно описаны в работе № 8.
Напомним, что в модуле «Нагрузка» регулируются только активные сопротивления фаз (RР1–RРЗ), а реактивные элементы
остаются неизменными. Регулирование производится переключателем SА1. Значения резисторов, соответствующие положениям
переключателя, приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Значение резисторов модуля «Нагрузка» в зависимости
от положения переключателя SA1
Положение переключателя
SA1
1*
2*
3
4
5
6
Сопротивление нагрузки (Ом)
100
200
400
600
1000
1600
145
Примечание: знаком «*» отмечены запрещенные положения
переключателя. Индуктивности (LI–L3) равны 300 мГн, а емкости
(С1–СЗ) – 10 мкФ.
Для получения трехфазной активно-индуктивной нагрузки необходимо установить перемычки между гнездами X7–X8 и Х8–Х9
(нулевая точка нагрузки).
Исследование преобразователя частоты
со звеном постоянного тока
Собрать схему для исследования ПЧ при работе на активно-индуктивную нагрузку в соответствии с рис. 9.3. Дополнительные
перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
В табл. 9.2 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на принципиальной схеме (см. рис. 9.3).
Из табл. 9.2 видно, что для измерения действующего значения
первой гармоники фазного напряжения на активном сопротивлении нагрузки UнфR(1) применяется вольтметр переменного напряжения РV1, установленный в «Модуле измерительном». Индуктивность нагрузки служит фильтром, который отфильтровывает
высокочастотную составляющую в выходном ШИМ-сигнале ПЧ.
При этом формы кривых тока через нагрузку и напряжения на активном сопротивлении нагрузки близки к синусоидальным.
Таблица 9.2
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
ОбозначеПредел
Месторасположение приние
измерения бора (название модуля)
прибора
Действующее значение
напряжения U и тока I на
входе ПЧ
PW1
Действующее значение
первой гармоники фазного
напряжения на активном
сопротивлении нагрузки
Uнф(1)
PV1
–
Модуль
измерительный
Действующее значение
первой гармоники фазного
тока нагрузки Iнф(1)
PA3
–
Модуль
измерительный
146
U ~ 300 В
Измеритель мощности
I ~ 2,0 А
Модуль питания A B C N
OF2
A
Преобразователь частоты
PW1
W
Х2
Х3
Х4
Х5
RP1
Х7 Х8
N
TV
Х1
UZ1
С
UZ2
СУ
Х19
ДН
Х11
Х10
PV1
V
Х7
Х4
RP1
L1
Х7
Х1
Х8
RP2
Х8
Х9
RP3
Нагрузка
L3
PА1
А
Х12
Х14
ДТ
А1 В1
С1
Х13
Х2
Х3
Рис. 9.3. Принципиальная схема для исследования преобразователя
частоты со звеном постоянного тока при осциллографировании тока
и напряжения на выходе ПЧ
А. Снять регулировочную и энергетические характеристики
Регулировочная характеристика ПЧ – это зависимость выходного напряжения Uн.ф(1) от частоты f: Uн.ф(1) = f(f).
Энергетические характеристики – это зависимости Pвх = f(f),
Sвх = f(f), cosϕвх = f(f), χвх = f(f), Рн = f(f), cosϕн = f(f), ηпч = f(f).
Характеристики необходимо снять при изменении частоты
в диапазоне от 10 Гц до 50 Гц и регулировании напряжения в соответствии с законом U/f = const при двух значениях сопротивления
нагрузки Rн1 и Rн2 .
147
Модуль питания A B C N
OF2
A
Преобразователь частоты
Х12
ДТ
Х13
Х3
Х4
Х5
Х7
PV1
V
Х7 Х8
L1
RP2
L2
RP3
L3
Х7
Х8
Х8
Х9
Х1
Нагрузка
UZ2
Х1
Х10
Х2
Х2
ДН
Х11
UZ1
С
СУ
Х4
RP1
Х9
PW1 Х1
W
Х14
RP1
N
TV
PА3
А
А1 В1
С1
Х2
Х3
Рис. 9.4. Принципиальная схема для исследования преобразователя частоты со звеном постоянного тока при осциллографировании тока
и напряжения на входе ПЧ
Для повышения точности измерения за счет устранения помех
соединить нулевую точку модуля «Нагрузка» (гнездо А7) с землей
(гнездо N модуля питания).
Программа лабораторной работы
Поддерживать постоянным:
– активное сопротивление нагрузки (переключатель SA1 в модуле «Нагрузка») Rн.
Изменять:
– частоту выходного напряжения (потенциометром RP1) f.
148
Измерять:
– активное сопротивление фазы нагрузки (из табл. 9.1) Rн;
– фазное напряжение на активном сопротивлении нагрузки
Uн.фR(1);
– фазный ток нагрузки Iнф(1);
– активная мощность входной сети преобразователя Рвх;
– ток входной сети преобразователя Iвх;
– напряжение входной сети преобразователя Uвх;
– коэффициент сдвига входной сети преобразователя сosϕвх.
Вычислить:
– активную мощность нагрузки Pн;
–напряжение фазы нагрузки Uн.ф(1);
–полная мощность входной сети преобразователя Sвх;
– КПД преобразователя ηпч;
– коэффициент мощности на входе преобразователя χвх.
Расчетные соотношения:
– полная мощность входной сети преобразователя: Sвх = Uвх Iвх;
– активная мощность нагрузки:
Pí =
2
3Uô.íR(1)
Rí
;
– напряжение фазы нагрузки: Uн.ф(1) = Uн.фR(1)/cosϕн; cosϕн = Rн/
=
Rí2 + (ωLí )2 ; ω = 2πf.
Zн; Z
í
КПД преобразователя: ηпч = Pн/Рвх;
Коэффициент мощности на входе преобразователя: χ = Рвх/ Sвх.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 9.3.
Повторить опыт при другом значении Rн2 (заполнить снова
табл. 9.3).
По данным табл. 9.3 на графике № 1 построить зависимости
Uнф(1) = f(f); cosϕвх = f(f); Pвх = f(f), Sвх = f(f); cosϕн = f(f), Pн = f(f),
χвх = f(f); ηпч = f(f) для случая Rн = Rн1, а на графике № 2 построить те
же зависимости для случая Rн = Rн2.
Б. Снять внешнюю и энергетические характеристики
Внешняя характеристика преобразователя – это зависимость
Uн.ф(1) = f(Iн.ф(1)), а энергетические характеристики – это зависимости Pвх = f(Iн.ф(1)), Sвх = f(Iн.ф(1)), cosϕвх = f(Iн.ф(1)), χвх = f(Iн.ф(1)),
Рн = f(Iн.ф(1)), cosϕн = f(Iн.ф(1)), ηпч = f(Iн.ф(1)) при двух значениях частоты f1 и f2.
149
Таблица 9.3
Регулировочная характеристика преобразователя
Измерено
f, Гц
Примечание
Uвх, В
Iвх, А
Uн.ф(1), В
Iн.ф(1), А
Рвх, Вт
сosϕвх
Вычислено
Sвх, ВА
Rн = Pн, Вт
Zн, Ом
cosϕн
Uн.ф(1), В
ηпч
χвх
Для этого потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты f (по прибору частота) и изменять ток нагрузки Iнф переключателем SА1 в модуле «Нагрузка».
Поддерживать постоянным:
– частоту выходного напряжения f;
– напряжение на входе преобразователя Uвх.
Изменять:
– сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– фазное напряжение на активном сопротивлении нагрузки
Uн.фR(1);
– фазный ток нагрузки* Iнф(1);
– активная мощность входной сети преобразователя Рвх;
– ток входной сети преобразователя Iвх;
– напряжение входной сети преобразователя Uвх;
– коэффициент сдвига входной сети преобразователя сosϕвх.
Вычислить:
– активную мощность нагрузки Pн;
– напряжение фазы нагрузки Uн.ф(1);
– полную мощность входной сети преобразователя Sвх;
150
– КПД преобразователя ηпч.
Расчетные соотношения:
– полная мощность входной сети преобразователя: Sвх = Uвх Iвх;
– активная мощность нагрузки:
Pí =
2
3Uô.íR
Rí
;
– напряжение фазы нагрузки: Uн.ф(1) = Uн.фR(1)/cosϕн; cosϕн = Rн/
=
Rí2 + (ωLí )2 ; ω = 2πf.
Zн; Z
í
КПД преобразователя: ηпч = Pн/Рвх.
Коэффициент мощности на входе преобразователя: χ = Рвх/Sвх.
*При высоких сопротивлениях нагрузки R вследствие нечувн
ствительности амперметра переменного тока РА3 действующее
значение первой гармоники фазного тока нагрузки можно определить из выражения Iнф(1) = Uн.ф(1)/Rн.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 9.4.
Таблица 9.4
Внешняя характеристика преобразователя
Измерено
Rн, Ом
Примечание
Iн.ф(1), А
Uн.ф(1), В
Uвх, В
Iвх, А
Рвх, Вт
сosϕвх
Вычислено
Sвх, ВА
f = f1 = Гц
Pн, Вт
Zн, Ом
cosϕн
Uн.ф(1), В
ηпч
χвх
Повторить опыт при другом значении частоты f (заполнить
вновь табл. 9.4).
По данным табл. 9.4 на графике № 3 построить внешнюю характеристику Uн.ф(1) = f(Iн.ф(1)), и энергетические характеристи151
ки: Pвх = f(Iн.ф(1)), Sвх = f(Iн.ф(1)), cosϕвх = f(Iн.ф(1)), χвх = f(Iн.ф(1)),
Рн = f(Iн.ф(1)), cosϕн = f(Iн.ф(1)), ηпч = f(Iн.ф(1)) для частоты f = f1, а на
графике № 4 построить те же зависимости для частоты f = f2.
Выключить тумблер SА1 модуля «Преобразователь частоты»,
тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности», а также автоматы QF2 модуля питания и QF1 модуля питания стенда.
Исследование электромагнитных процессов
преобразователя
1. Тумблеры SА2 и SАЗ датчиков напряжения ДH и тока ДТ
установить в положение «2» (фильтр выключен). Подключить осциллограф к датчику тока ДТ (канал СН2 – гнездо Х12, корпус осциллографа соединить с гнездом «⊥» ДТ) и датчику напряжения
ДН (канал СН1 – гнездо Х9).
Снять с выходов ДН и ДТ осциллограммы первой гармоники
фазного напряжения uнф(1) и тока iнф(1) на выходе ПЧ при помощи
осциллографа для заданного сопротивления нагрузки Rн и частоты управления f. Выполнить необходимые операции, указанные
в порядке включения установки (см. работу № 8). Потенциометром
RР1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты управления f, а переключателем SА1 в модуле «Нагрузка» заданное значение сопротивление нагрузки Rн.
Вначале посмотреть на осциллограммы при широкой полосе
пропускания датчиков (положение «2» тумблеров SА2 и SАЗ, а затем, переключив тумблеры SА2 и SАЗ датчиков в положение «1»,
сфотографировать осциллограммы первых гармоник фазного напряжения uнф(1) и тока iнф(1). Обратить внимание на фазовый сдвиг
между ними (угол ϕ), а также на изменение фазового сдвига при изменении частоты управления f. Не забудьте определить масштабы
по напряжению, току и времени с учетом коэффициентов датчиков.
2. Снять осциллограммы напряжения ивх и тока iвх на входе
ДПЧ при тех же значениях сопротивления нагрузки Rн и частоты
управления f. Для этого переключить датчики тока и напряжения
в соответствии с рис. 9.4. Подключить осциллограф к датчику тока
ДТ (канал СН2 – гнездо XI2, корпус осциллографа соединить с гнездом «⊥» ДТ) и датчику напряжения ДН (канал СH1 – гнездо Х9).
Выполнить необходимые операции, указанные в порядке включения установки. Потенциометром RР1 в модуле «Преобразователь
частоты» установить заданное значение частоты управления f, а
переключателем SA1 в модуле «Нагрузка» – заданное значение сопротивление нагрузки Rн. Обратить внимание на формы тока и на152
пряжения, оценить приближенно сдвиг по фазе тока относительно
напряжения.
Выключить тумблер SA1 модуля «Преобразователь частоты»,
тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности», а также автоматы QF2 модуля питания и QF1 модуля питания стенда.
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– принципиальные электрические схемы для выполнения экспериментов;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– обработанные осциллограммы;
– сравнение результатов экспериментов и предварительных расчетов;
– выводы по работе: указать какой способ модуляции использован в ПЧ; объяснить влияние тока нагрузки на регулировочные характеристики ПЧ; объяснить влияние частоты управления и тока
нагрузки на энергетические показатели ПЧ.
Контрольные вопросы
1. Как изменить частоту выходного напряжения ПЧ?
2. Какие ПЧ наиболее перспективны в электроприводе в настоящее время?
3. Каков вид внешней характеристики ПЧ? От чего зависит наклон характеристики?
4. Как снять внешнюю характеристику?
5. Что такое регулировочная (частотная) характеристика ПЧ?
6. Какой вид и почему имеет регулировочная (частотная) характеристика ПЧ для электропривода?
7. Как снять регулировочную (частотную) характеристику?
8. Как определить КПД ПЧ?
9. Назначение элементов силовой схемы преобразователя частоты.
10 Сравните двухзвенный и непосредственный преобразователи
частоты.
11. Порядок включения и выключения лабораторной установки.
153
10. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ
НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С КОРРЕКТОРОМ
КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
В блоках питания вычислительной и радиоэлектронной техники находят применение однофазные выпрямители с емкостным
фильтром, отличительной особенностью которых является импульсное потребление тока из питающей сети. В результате этого
в сети оказалось множество нелинейных маломощных потребителей, которые одновременно работают в режиме импульсного потребления тока вблизи экстремальных значений напряжения сети, и
их суммарная мощность оказывается значительной, а негативное
влияние на сеть ограниченной мощности ощутимым. Повышение
энергетических показателей блоков питания с маломощными однофазными выпрямителями является актуальной задачей силовой
электроники.
Лабораторная работа № 10
Исследование однофазного мостового выпрямителя
с корректором коэффициента мощности
Цель работы: изучение характеристик и режимов работы неуправляемого однофазного мостового выпрямителя, работающего
на емкостной фильтр без корректора коэффициента мощности и
с корректором коэффициента мощности (ККМ).
Основные расчетные соотношения и характеристики
однофазного мостового выпрямителя
При работе неуправляемого однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку:
– среднее значение выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме:
π
=
Ud
1
2 2
2
dωt
u1=
=
U1
U
=
1m 0,9U1, ∫
π
π
π
(10.1)
0
где u1 = U1msinωt –напряжение сети переменного тока, подаваемое
на вход выпрямителя;
– максимальное значение обратного напряжения на закрытом
вентиле равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора:
154
π
=
Ud 1,57Ud ; 2
– среднее значение тока вентиля
I
Iâ.ñð = d ;
2
Uîáð
=
m
=
2U1
(10.2)
– действующее значение тока вентиля
π
Iâ.ä = Id ;
4
– ток, потребляемый выпрямителем при чисто активной нагрузке i1, повторяет форму напряжения, и действующее значение этого
тока I1 можно определить как
=
I1
I1m
π
=
Id . 2 2 2
(10.3)
Частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза больше частоты питающей сети: fп = kтm2 fc = 2 fc.
Важным энергетическим показателем, характеризующим работу выпрямителя, является коэффициент мощности χ.
Коэффициент мощности определяется как произведение коэффициента сдвига (kсдв) и коэффициента искажения формы потребляемого выпрямителем тока (kиск), т. е. χ = kсдв kиск.
Коэффициент сдвига управляемого выпрямителя kсдв = cos(α+
γ/2), где α – угол регулирования; γ – угол коммутации.
В неуправляемых выпрямителях α = 0, поэтому коэффициент
сдвига в неуправляемых выпрямителях практически не оказывает существенного влияния на величину коэффициента мощности и
может быть принят равным 1.
Коэффициент искажения формы тока определяется как отношение действующего значения первой (основной) гармоники тока I1(1)
к действующему значению полного тока I1: kèñê = I1(1) I1 .
Поскольку в неуправляемом однофазном мостовом выпрямителе, работающем на активную нагрузку, форма тока, потребляемого
выпрямителем из питающей сети, остается синусоидальной, коэффициент искажения формы тока равен 1. Таким образом, коэффициент мощности неуправляемого однофазного мостового выпрямителя при активном характере нагрузки практически равен 1.
Стремление к улучшению массогабаритных показателей блоков
питания радиоэлектронной аппаратуры, снижению стоимости, по155
вышению технологичности привело к широкому использованию
однофазных выпрямителей с С-фильтром (рис. 10.1, а). Пульсации
выпрямленного напряжения в этом случае определяются по формуле
Idí
,
(10.4)
kï2 =
2kòm2fCUdí
где Idн – среднее значение тока нагрузки; Udн и – среднее значение
напряжения нагрузки; kт – коэффициент тактности выпрямителя;
m2 – число фаз питающей сети; f – частота питающей сети; C – емкость конденсатора фильтра; kт m2 – пульсность выпрямителя.
Для однофазной мостовой схемы пульсность равна 2.
Ток от сети переменного тока в нагрузку проходит только на тех
интервалах времени, когда амплитуда напряжения сети превышает напряжение на конденсаторе, т. е. вблизи экстремальных значений сетевого напряжения. Ток, потребляемый из сети переменного тока имеет вид коротких импульсов, приведенных на рис.10, б.
Кривая тока оказывается существенно отличной от синусоиды. Коэффициент искажения формы тока снижается до значения 0,3–0,5.
Именно коэффициент искажения формы тока и оказывает основное влияние на величину коэффициента мощности неуправляемого
выпрямителя с емкостной нагрузкой. Выпрямитель имеет в связи
с этим крайне низкий коэффициент мощности (χ = 0,3 – 0,5).
Поскольку суммарная мощность блоков питания современных
устройств вычислительной и радиоэлектронной техники оказывается значительной, а негативное влияние на сеть ограниченной
мощности ощутимым, возникла необходимость в устройствах, способных повысить коэффициент мощности каждого потребителя
электрической энергии, работающего в режиме импульсного потребления тока. Наибольшее распространение на практике полуНВ
а)
Фаза
N
С
Zн
б)
Ток
фазы
Рис. 10.1. Схема (а) и временная диаграмма тока, потребляемого
выпрямителем из питающей сети (б) при емкостном фильтре
156
L
iL
i
D
uL1
u
uв
С
V
uп1
Zн
ud
Рис. 10.2. Схема ККМ с повышающим преобразователем
напряжения
чили корректоры коэффициента мощности (ККМ). Формирование
синусоидального сетевого тока, синфазного напряжению сети в выпрямителях с ККМ основано на применении широтно-импульсной
модуляции.
В лабораторной работе выполняется исследование ККМ на базе
повышающего регулятора напряжения. Схема ККМ изображена на
рис. 10.2. На рис. 10.3 изображена схема замещения устройства.
К дросселю L приложена разность напряжений
uL1 = uв – uп1,
(10.5)
где uв = Um sinωt – напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя, a uп1 > 0 – напряжение ключевого блока, представляющее
собой ШИМ-последовательность импульсов. Временная диаграмма uп1(θ) приведена на рис. 10.4, а. При замкнутом ключе V uп1 = 0,
напряжение uL положительно, ток iL нарастает. При разомкнутом
ключе V uп1 = Ud > 2U , напряжение uL отрицательно, ток дросселя
уменьшается.
Работа неуправляемого выпрямителя характеризуется переключающей функцией
=
Fâ if (sin ωt > 0,1, −1).
(10.6)
iL
Умножим все члены выражения
(10.1) и ток iL1 на Fв, получим
uL =uL1 Fâ =uâ Fâ − uï1 Fâ =
(10.7)
=
u + uï , i =
iL Fâ .
На рис. 10.4 приведены входящие
в выражение (10.6) напряжения и
токи.
L
uв
u п1
Рис. 10.3. Схема замещения
ККМ с повышающим
преобразователем
напряжения
157
400
Uп1 200
0
0
1
2
3
0
1
2
3
0
1
2
3
Θ
4
5
6
4
5
6
4
5
6
500
Uп
0
500
Θ
40
i
20
0
− 20
− 40
Θ
Рис. 10.4. Временные диаграммы, поясняющие работу ККМ
Напряжение uп представляет собой однополярную ШИМпоследовательность. Нетрудно видеть, что процесс формирования
тока сети в рассматриваемом ККМ очень напоминает процесс формирования сетевого тока в ККМ на базе мостового инвертора напряжения с однополярной модуляцией. Различие в кривых uп заключается в том, что смена полярности импульсов в рассматриваемом
ККМ происходит при смене знака сетевого напряжения, а в схеме
инвертора напряжения с однополярной модуляцией – при смене
знака основной гармоники напряжения преобразователя.
Преимуществом ККМ (см. рис. 10.2) по сравнению с ККМ на
базе инверторов напряжения является минимальное число управляемых ключей.
Недостатками схемы являются:
– однонаправленный поток энергии от сети в цепь постоянного
тока;
– наличие контура протекания тока конденсатор-диод-транзистор (C-VD-VT) в течение восстановления диодом VD запирающих
158
КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Сеть
X8 L1 X9 VD1 X11
X1
W
X3
A
X13
Cф
UZ1
U
VT1
Rн
RP1
C1
V
X4 X5
X2
RS1
X6 X7
X10
X12
RS2
Фильтр
U
Вкл
X14
Rн
СУ
Рис. 10.5. Модуль «Корректор коэффициента мощности
свойств, что приводит к выбросам тока во время коммутации и увеличению коммутационных потерь.
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Корректор коэффициента мощности», «Модуль измерительный»,
«Мультиметры», «Измеритель мощности», а также двухканальный осциллограф.
Лицевая панель модуля «Корректор коэффициента мощности»
изображена на рис. 10.5.
На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы, а также
гнезда для внешних соединений (XI-XI4).
Питание модуля осуществляется через понижающий трансформатор, непоказанный на мнемосхеме (см. рис. 10.5). Переменное напряжение ~U с выхода вторичной обмотки трансформатора поступает на диодный мост UZ1, далее установлены высокочастотный дроссель малой индуктивности L1, блокирующий диод VD1, полевой
транзистор VТ1, работающий в ключевом режиме, и конденсатор
фильтра С1. Управление транзистором осуществляется от системы
159
управления (СУ), включить которую позволяет тумблер «Вкл». При
выключении тумблера «Вкл», т. е. переключение его в нижнее положение, схема переходит в режим неуправляемого выпрямителя,
работающего на емкостной фильтр (индуктивность L1 очень мала и
не влияет на процессы в неуправляемом выпрямителе).
Потенциометром RР1 осуществляется регулирование напряжения на выходе ККМ, а переменным резистором Rн – регулирование
тока в цепи нагрузки.
Переключение тумблера «Фильтр» в верхнее положение позволяет подключить сетевой фильтр Сф и уменьшить вредное влияние
ККМ на форму напряжения сети, обусловленное его работой в режиме широтно-импульсной модуляции.
Для осциллографирования токов применяются шунты RS1 и
РS2, сопротивление которых равно 0,22 Ом.
Перед выполнением лабораторной работы необходимо: изучить
темы курса: «Неуправляемые выпрямители», «Фильтры», «Корректор коэффициента мощности»; программу данной работы и
быть готовым ответить на все контрольные вопросы.
Порядок выполнения лабораторной работы
Собрать схему для исследования неуправляемого выпрямителя
с емкостным фильтром в соответствии с рис.10.6. Дополнительные
перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
X8
L1
X9
W
X3
Фильт р
Cф
X2
PА1
VD1
PW1
X1
X11
X11
А
X13
X13
UZ1
Вкл
VT1
C1
RP1
Rн
PV1
V
СУ
RS1
X14
X4
X5
RS2
X8
X7
X12
X14
X10
Рис. 10.6. Принципиальная схема для исследования неуправляемого
выпрямителя с емкостным фильтром и ККМ
160
В табл. 10.1 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на принципиальной схеме (см. рис. 10.6).
Тумблеры «Фильтр» и «Вкл» переключить в нижнее положение
(фильтр Сф и система управления ККМ выключены). Ручку реостата Rн перевести в крайнее правое положение, соответствующее
максимально возможному сопротивлению нагрузки. Установить
требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл.10.1. Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда», а
затем тумблеры «Сеть» в модулях «Корректор коэффициента мощности» и «Измеритель мощности».
Таблица 10.1
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые величины
Обозначение
прибора
Предел
измерения
Месторасположение
прибора (назначение
модуля)
Действующее значение
напряжения U1, тока I1
и мощности на входе
PW1
U1 ~ 30 В
I1 ~ 2,0 А
Измеритель
мощности
Напряжение на
нагрузке Udн
PV1
= 200 В
Мультиметры
Ток нагрузки Idн
PA1
–
Модуль
измерительный
А. Снять внешнюю и энергетические характеристики неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром
Внешняя характеристика – это зависимость UdN = f(Id н).
Энергетические характеристики – это зависимости Р1 = f(Id н);
S1 = f(Id н); Pн = f(Id н); cosϕ = f(Id н); χ = f(Id н); η = f(Id н).
Поддерживать постоянным:
– емкость конденсатора фильтра Сф.
Изменять:
– сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– ток, потребляемый выпрямителем из питающей сети I1;
– активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети P1;
– полная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей
сети S1;
– коэффициент сдвига cosϕ;
161
– среднее значение тока нагрузки Id;
– среднее значение напряжение нагрузки Ud.
Вычислить:
– мощность, потребляемую нагрузкой Pd;
– коэффициент полезного действия η;
– коэффициент мощности χ.
Расчетные соотношения: S1 = U1I1; Pd = UdId; η = Pd/P1; χ = P1/S1.
Результаты измерения и расчетов занести в табл.10.2.
Таблица 10.2
Внешняя и энергетические характеристики неуправляемого
выпрямителя с емкостным фильтром
Измерено
U1, В
I1, А
P1, Вт
Udн, В
Idн, А
Вычислено
cosϕ
S1, ВА
Pd н, Вт
χ
η
По данным табл.10.2 построить на графике № 1 внешнюю характеристику UdN = f(Id н) и энергетические характеристики Р1 = f(Id н);
S1 = f(Id н);
Pн = f(Id н); cosϕ = f(Id н); χ = f(Id н); η = f(Id н).
Б. Снять внешнюю и энергетические характеристики неуправляемого выпрямителя с емкостным фильтром и корректором коэффициента мощности
Собрать схему выпрямителя с корректором коэффициента мощности в соответствии с рис. 10.6. Тумблеры «Фильтр» и «Вкл» переключить в верхнее положение (фильтр СФ и система управления
ККМ включены). Ручку реостата Rн перевести в крайнее правое
положение, соответствующее максимально возможному сопротивлению нагрузки. Включить тумблер «Сеть» в модуле «Корректор
коэффициента мощности».
162
Поддерживать постоянным:
– емкость конденсатора фильтра Сф.
Изменять:
– сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– ток, потребляемый выпрямителем из питающей сети I1;
– активную мощность, потребляемую выпрямителем из
питающей сети P1;
– полную мощность, потребляемую выпрямителем из
питающей сети S1;
– коэффициент сдвига cosϕ;
– среднее значение тока нагрузки Id;
– среднее значение напряжение нагрузки Ud.
Вычислить:
– мощность, потребляемую нагрузкой Pd;
– коэффициент полезного действия η;
– коэффициент мощности χ.
Расчетные соотношения: S1 = U1I1; Pd = UdId; η = Pd/P1; χ = P1/S1.
Результаты измерения и расчетов занести в табл. 10.3.
Таблица 10.3
Внешняя и энергетические характеристики неуправляемого
выпрямителя с емкостным фильтром и корректором
коэффициента мощности
Измерено
U1, В
I1, А
P1, Вт
Udн, В
Idн, А
Вычислено
cosϕ
S1, ВА
Pd н, Вт
χ
η
163
По данным табл. 10.3 построить на графике № 2 внешнюю характеристику UdN = f(Id н) и энергетические характеристики Р1 = f(Id н);
S1 = f(Id н); Pн = f(Id н); cosϕ = f(Id н); χ = f(Id н); η = f(Id н).
В. Определить коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
При заданных значениях тока нагрузки Idн измерить с помощью
осциллографа двойную амплитуду пульсаций напряжения нагрузки (полный размах пульсаций) ΔUн m.
Для этого переключить канал СН2 осциллографа на открытый
вход «АС» (переменная составляющая входного сигнала). Замерить двойную амплитуду пульсаций напряжения на нагрузке при
заданном токе нагрузки Iн.
Поддерживать постоянным:
– среднее значение тока нагрузки Iн.
Измерять:
– двойную амплитуду пульсаций напряжения нагрузки (полный размах пульсаций) ΔUн m;
– среднее значение напряжения нагрузки Uн.
Вычислить:
– коэффициент пульсаций напряжения нагрузки kп2 э.
Рассчитать:
– коэффициент пульсаций (по формуле (10.4)) kп2 т.
Расчетные соотношения:
kп2 э = ΔUн m/(2Uн);
kï2ò =
Idí
,
2kòm2fCUdí
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 10.4.
Таблица 10.4
Расчет пульсаций выпрямленного напряжения
Iн, А
Измерено
ΔUн m, В
Uн, В
Вычислено
kп2 э
kп2 т
Построить на графике № 3 зависимости kп2 э = f(Iн); kп2 т = f(Iн).
164
Исследование электромагнитных процессов
А. Неуправляемый выпрямитель с емкостным фильтром
1. Снять осциллограммы напряжения u1 и тока i1 на входе ККМ.
Для этого вход осциллографа СН1 подключить к гнезду ХЗ (напряжение u1), а вход СН2 – к гнезду Х5 (ток i1), корпус осциллографа
«⊥» соединить с гнездом Х4. Реостатом Rн установить заданный ток
нагрузки Iн. Сфотографировать с экрана осциллографа требуемые
осциллограммы. Определить и записать масштабы по напряжению, току и времени.
2. Снять осциллограммы выпрямленного напряжения иd и выпрямленного тока id, подключив вход осциллографа СН1к гнезду
X8 (напряжение иd), а вход СН2 – к гнезду Х7 (ток id), корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом Х6. Зарисовать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы.
3. Снять осциллограмму напряжения на конденсаторе С1 (нагрузке) иdн, подключив вход СН2 осциллографа к гнезду X11, а
корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом Х10. Зарисовать осциллограмму.
Б. Неуправляемый выпрямитель с емкостным фильтром и ККМ
1. Снять осциллограммы напряжения u1 и тока i1 на входе ККМ.
Для этого вход оcциллографа СН1 подключить к гнезду ХЗ (напряжение u1), а вход СН2 – к гнезду X5 ( ток i1), корпус осциллографа
«⊥» соединить с гнездом Х4. Потенциометром RР1 установить заданное напряжение на нагрузке Udн, а реостатом Rн – заданный ток
нагрузки Idн. Значение напряжения на нагрузке Udн ручкой потенциометра RР1 не изменять во всех опытах. Сфотографировать
с экрана осциллографа требуемые осциллограммы. Определить
и записать масштабы по напряжению, току и времени. Отключив сетевой фильтр Сф, исследовать его влияние на вид осциллограмм;
2. Снять осциллограммы выпрямленного напряжения иd и выпрямленного тока id, подключив вход осциллографа СН1к гнезду
X8 (напряжение иd), а вход СН2 – к гнезду Х7 (ток id), корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом Х6. Зарисовать с экрана осциллографа требуемые осциллограммы;
3. Снять осциллограмму напряжения на конденсаторе С1 (нагрузке) иdн, подключив вход СН2 осциллографа к гнезду X11, а
корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом Х10. Зарисовать осциллограмму.
165
Выключить тумблеры «Сеть» в модулях «Корректор коэффициента мощности» и «Измеритель мощности», а затем автомат QF1
«Модуля питания стенда».
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– предварительные расчеты;
– принципиальную силовую схему установки;
– обработанные осциллограммы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– выводы по работе: пояснить влияние на осциллограммы сетевого фильтра; объяснить влияние тока нагрузки Iн на коэффициент
пульсаций kп выпрямителя с емкостным фильтром и корректором
коэффициента мощности; сравнить основные энергетические показатели cosϕ и χ выпрямителя с емкостным фильтром и корректором коэффициента мощности; указать, чем отличаются внешние
характеристики неуправляемого выпрямителя с корректором коэффициента мощности и без него.
Контрольные вопросы
1. Как работают однофазные схемы выпрямления?
2. Каково назначение фильтров в преобразовательной технике?
3. Принцип действия, преимущества, недостатки и область применения емкостных фильтров.
4. Принцип работы неуправляемого выпрямителя, работающего на емкостной фильтр.
5. От каких параметров зависит коэффициент пульсаций k выпрямителя, работающего на емкостной фильтр? Как изменяется
коэффициент kп2 при увеличении тока нагрузки и почему?
6. Перечислите основные энергетические показатели выпрямителей.
7. Назначение и принцип работы корректора коэффициента
мощности.
8. Сформулируйте главное условие работы неуправляемого выпрямителя с ККМ.
9. Зачем в схеме ККМ используется выпрямительный диод
VD1?
166
10. Проведите сравнительную оценку выпрямителя с емкостным фильтром и корректором коэффициента мощности по основным энергетическим показателем (cosϕ и χ).
11. Что такое внешняя характеристика и какой вид она имеет
для выпрямителя с емкостным фильтром и корректором коэффициента мощности?
Параметры стенда:
– напряжение на входе выпрямителя U1 = 16 В;
– частота питающей сети f = 50 Гц;
– пульсность выпрямителя kт m2 = 2;
– емкость конденсатора фильтра С1 = 1880 мкФ;
– внутреннее сопротивление схемы Rcх = 2,4 Ом.
167
11. ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Источники вторичного электропитания (ИВЭП), выполненные
с промежуточным высокочастотным трансформатором, имеют существенное преимущество по сравнению с бестрансформаторными
схемами источников электропитания – это удобство согласования
выходного и входного напряжений. Повышение рабочей частоты
промежуточного трансформатора позволяет значительно снизить
массу и габариты трансформатора и источника вторичного электропитания в целом.
Лабораторная работа № 11
Исследование однотактного обратноходового
преобразователя
Цель работы: изучение принципа действия, характеристик и
режимов работы источника вторичного электропитания, выполненного на схеме однотактного обратноходового преобразователя
(ООП), а также получение навыков работы с высокочастотными
преобразователями постоянного напряжения в постоянное.
Устройство и принцип работы
однотактного обратноходового преобразователя
Схема ООП приведена на рис. 11.1, а. Схема содержит:
– транзистор VT;
– трансформатор Т;
– диод VD;
– конденсатор выходного фильтра С2;
– конденсатор входного фильтра С1.
На рис. 11.1, б, в, г, д приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы ООП. Обратноходовой преобразователь работает следующим образом. Транзистор VT управляется широтноимпульсным модулятором (ШИМ). Когда VT открыт, ток в первичной обмотке трансформатора линейно увеличивается (рис. 11.1, б).
Этот трансформатор фактически является дросселем с вторичной
обмоткой и, в отличие от обычного трансформатора, накапливает
в себе существенную энергию.
Когда транзистор VT закрывается, магнитный поток в сердечнике трансформатора начинает уменьшаться, на обмотках трансфор168
а)
iк VT
+
Uах
VD
T
+ C1 W1
W2
iс
C2
+
Uнг
iнг
−
i2
+
б)
iк
в)
Iн , max
2Т
t
Т
2Т
t
Т
2Т
Т
i2
Iн
г)
iс
t
д)
Uн
Uн
0
Т
2Т
t
t
Рис. 11.1. Схема (а) и временные диаграммы,
поясняющие работу ООП (б, в, г, д)
матора наводится ЭДС. Под воздействием ЭДС вторичной обмотки
по ней начинает протекать ток i2 (рис. 11.1, в).
Ток i2 заряжает конденсатор С2 и также течет в нагрузку. Ток
через конденсатор имеет знакопеременный характер (рис. 11, г). На
рис. 11.1, б и в показаны импульсы токов i1 = iк и i2 во время включенного и выключенного состояний транзистора VT. Ток i1 течет во
время включенного состояния, а ток i2 – во время выключенного
состояния транзистора VT и поддерживает постоянное напряжение
на конденсаторе С, uС = uнг (рис. 11.1, д).
Если выходная нагрузка увеличивается, необходимо только
увеличить длительность включенного состояния транзистора VT,
во время которого ток i1 достигнет более высокого значения, что
создаст в результате более высокий ток i2 во вторичной обмотке во
время выключенного состояния транзистора VT и, наоборот, при
уменьшении нагрузки ток i2 уменьшает свое значение.
169
Если выходное напряжение сравнить с опорным напряжением,
и полученной разностью управлять ШИМ, то получится замкнутая по напряжению система стабилизации напряжения нагрузки и
схема автоматически будет сохранять постоянное значение выходного напряжения.
В обратноходовом преобразователе длительность включенного
состояния транзистора должна быть больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии
было запасено в трансформаторе и передано в нарузку.
Регулировочная характеристика идеального ООП – нелинейная:
Uвых = UвхD/[(1–D)kтр], (11.1)
где kтр = W1/W2 – коэффициент трансформации трансформатора, а
D – коэффициент заполнения импульса.
Ток через конденсатор С2 имеет характерный медленно спадающий участок во время паузы работы силового транзистора VT, причем часть интервала паузы ток может идти не в конденсатор (когда
происходит необходимый заряд конденсатора), а из конденсатора
(разряд конденсатора на нагрузку).
В ООП имеется два возможных характерных режима по току
вторичной обмотки W2 – режим непрерывных токов и режим прерывистых токов на временном интервале паузы работы силового
транзистора VT. Причем в режиме прерывистых токов ООП завышает выходное напряжение по сравнению с тем, которое определено идеальной регулировочной характеристикой ООП согласно формуле (11.1).
Важным параметром в ООП является индуктивность обмотки
трансформатора L1. Критическое значение индуктивности обмотки W1, определяющее границу между режимами непрерывных и
прерывистых токов вторичной обмотки трансформатора Т (на интервале паузы):
L1кр = Uвх DN(1–DN)/[kтр(2fрIнг min)], (11.2)
где kтр = W1/W2 – коэффициент трансформации трансформатора Т;
DN = Uнг/(Uнг+Uвх/kтр) – номинальное значение коэффициента заполнения импульса , определенное без учета падения напряжения
на элементах схемы; Uвх, Uнг – номинальные значения напряжений на входе преобразователя и нагрузки соответственно; Iнг min –
минимальный ток нагрузки.
Из этого выражения видно, что чем меньше ток нагрузки, тем больше должна быть индуктивность первичной обмотки трансформатора.
170
Отметим, что сердечник магнитопровода трансформатора должен быть выполнен с сосредоточенным или распределенным зазором [4], поскольку магнитопровод трансформатора постоянно намагничен.
Наличие накопленной энергии WL = i2LS/2 в индуктивности рассеяния LS первичной обмотки трансформатора Т при выключении
транзистора вызывает резонансный переходный процесс на стоке
транзистора VT и появление перенапряжения.
Поскольку величина индуктивности рассеяния LS мала, этот
процесс имеет относительно небольшую длительность.
Описание лабораторной установки
В комплект лабораторной установки входят следующие модули:
«Источник вторичного электропитания», «ККМ», «Измеритель
мощности», а также двухканальный осциллограф.
Лицевая панель модуля «Источник вторичного электропитания» показана на рис. 11.2.
На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы, а также
гнезда для внешних соединений (Х1–Х9). На мнемосхеме модуля
в упрощенном виде изображены составные части обратноходового
преобразователя постоянного напряжения: система управления
ИСТОЧНИК ВТО РИЧНОГО ПИТАНИЯ
TV2 VD2
A
X2
C2
TV1
UZ
V
VD1
VT1
RP1
X5
3
R2
СУ
C1
2
RP2
+
R1
X4
X3
X8
SA1
X6
RS1
R3
X9
2
3
0
X7
SA2
0
Рис. 11.2. Модуль «Источник вторичного электропитания»
171
(СУ), полевой транзистор VT1, работающий в ключевом режиме,
высокочастотный трансформатор ТV2, выходной выпрямитель
VD2 с емкостным фильтром С3, демпфирующая цепь VD1, С2, R1
(вместо резистора R1 в схеме источника вторичного электропитания установлен стабилитрон, обеспечивающий функцию ограничения напряжения на выходе модуля при отсутствии нагрузки), цепь
обратной связи с гальванической развязкой (оптопарой).
Питание преобразователя может осуществляться либо от нестабилизированного источника постоянного тока, состоящего из
понижающего трансформатора TV1, диодного моста UZ и емкостного фильтра С1, либо от стабилизированного источника питания,
функцию которого выполняет «Модуль питания стенда».
Управление транзистором VT1 осуществляется от ШИМконтроллера. Тумблером SА2 обеспечивается подключение обратной связи по напряжению, выполняющей функцию стабилизации
напряжения на выходе источника вторичного электропитания (положение «1» – обратная связь включена, «0» – выключена). В разомкнутой системе относительное время включения транзистора
VT1 (коэффициент заполнения импульса D) изменяется потенциометром RР1 в диапазоне 0 ≤ D ≤ 0,5. В замкнутой системе напряжение на выходе преобразователя задается потенциометром RР2.
При этом выход потенциометра RР1 отключается от входа СУ. Тумблером SА1 обеспечивается дискретное изменение частоты ШИМ
транзистора VТ1.
Для осциллографирования тока и напряжения на транзисторе
VT1 используются шунт RS1 = 0,41 Ом и делитель напряжения R2,
R3 с коэффициентом деления 10. Включение модуля осуществляется тумблером «Питание» и индицируется красным светодиодом.
В качестве нагрузки источника вторичного электропитания
(ИВЭП) используется регулируемая активная нагрузка Rн, расположенная в модуле «ККМ».
Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить
темы курса «Источники вторичного электропитания», программу
данной работы и быть готовым ответить на все контрольные вопросы.
Порядок выполнения лабораторной работы
Собрать схему для исследования источника вторичного электропитания в соответствии с рис. 11.3. Дополнительные перемычки и
измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.
172
Источник вторичного питания
PA1
TV2
A
C2
PV1
VD3
C3
X5
ККМ
W
X3 Rн
X4
R2
СУ
X4
X8
X9
VT1
RP1
С1
RP2
VD1
V
PW1
VD2
RS1
X6
R3
X7
SA1
Рис. 11.3. Принципиальная схема для исследования
источника вторичного электропитания
В табл. 11.1 приведены измерительные приборы, используемые
в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями
на принципиальной схеме (см. рис.11.3).
Исследование ООП с разомкнутой обратной связью
по напряжению
В модуле «Источник вторичного электропитания» тумблер
SA1 установить в положение согласно таблице вариантов, а SА2 –
в положение «0» (система без обратной связи). Ручку регулятора
тока нагрузки Rн в модуле «ККМ» установить в правое положение, соответствующее минимальному току нагрузки (максимальному активному сопротивлению нагрузки Rн). Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно
табл. 11.1.
Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда», а также тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности». Для перевода модуля
«Измеритель мощности» в режим измерения постоянных токов и
напряжений одновременно нажать кнопки «P/Q/S» и «f/cosϕ/ϕ».
Кнопки удерживать в нажатом состоянии до появления на табло
надписи «Постоянный ток».
Включить тумблер «Питание» и SA1 в модулях «Источник вторичного электропитания» и «Модуль питания стенда» соответственно.
173
Таблица 11.1
Параметры измерительных приборов схемы
Измеряемые
величины
Обозначение
прибора
Предел
измерения
Месторасположение
прибора (название
модуля)
Напряжение
на входе Ud
PV1
–
Модуль
мультиметров
Ток на входе Id
PA1
–
Модуль
измерительный
Напряжение Uн
и ток Iн нагрузки
PW1
U ~ 300 В
I~2А
Измеритель
мощности
А. Снять регулировочную и энергетические характеристики
ООП с разомкнутой обратной связью по напряжению (переключатель SA2 – в положении «0»)
Регулировочная характеристика – это зависимость напряжения
нагрузки Uн от коэффициента заполнения импульса D, т. е. Uн = f(D).
Энергетические характеристики – это зависимости Рd = f(D);
Рн = f(D) и η = f(D) при постоянных напряжении на входе Ud и сопротивлении нагрузки Rн.
Установить с помощью сопротивления Rн (в модуле «ККМ») заданный ток нагрузки Iн при заданном коэффициенте заполнения
импульса D (D = 0,5). После установки заданного значения тока нагрузки Iн положения ручки потенциометра Rн не трогать на протяжении всего опыта. Величина коэффициента заполнения импульса
D регулируется с помощью регулятора RP1, а измеряется с помощью осциллографа. При измерении коэффициента заполнения γ
осциллографом рекомендуется ручкой плавной подстройки подобрать развертку осциллографа таким образом, чтобы период исследуемого сигнала составил ровно 10 делений. Тогда коэффициент
заполнения γ можно с достаточной для практики точностью вычислить как отношение открытого состояния транзистора (в делениях)
к периоду (10 делений). Шаг изменения коэффициента заполнения
импульсов можно принять равным 0,1.
Поддерживать постоянным:
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– сопротивление нагрузки Rн.
Изменять:
– величину коэффициента заполнения импульса D.
174
Измерять:
– величину коэффициента заполнения импульса D;
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– ток на входе преобразователя Id;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн.
Вычислить:
– мощность, потребляемую преобразователем Рd;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Рн;
– коэффициент полезного действия преобразователя η.
Расчетные соотношения: Рd = UdId; Рн = UнIн; η = Рн/Рн.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 11.2.
Таблица 11.2
Регулировочная характеристика ООП с разомкнутой
обратной связью по напряжению
Измерено
D
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Ud, В
Id, А
Uн, В
Вычислено
Iн, А
Рd, Вт
Рн, Вт
η
По данным табл. 11.2 на графике № 1 построить регулировочную характеристику Uн = f(D) и энергетические характеристики
Рd = f(D); Рн = f(D) и η = f(D).
Б. Снять внешнюю и энергетические характеристики ООП
с разомкнутой обратной связью по напряжению (переключатель
SA2 – в положении «0»)
Внешняя характеристика – это зависимость Uн = f(Iн), энергетические характеристики – это зависимости Рd = f(Iн); Рн = f(Iн) и
η = f(Iн) при постоянных напряжении на входе Ud и коэффициенте заполнении импульса D = 0,5. Для этого ручку потенциометра
RР1 в модуле «Источник вторичного электропитания» установить
в крайнее правое положение, соответствующее D = 0,5.
Поддерживать постоянным:
– напряжение на входе преобразователя Ud;
175
– величину коэффициенте заполнении импульса D = 0,5.
Изменять:
– сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– величину коэффициента заполнения импульса D;
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– ток на входе преобразователя Id;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн.
Вычислить:
– мощность, потребляемую преобразователем Рd;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Рн;
– коэффициент полезного действия преобразователя η.
Расчетные соотношения:
Рd = UdId; Рн = UнIн; η = Рн/ Рн.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 11.3.
Таблица 11.3
Вычислено
Измерено
Внешняя характеристика ООП с разомкнутой обратной связью
по напряжению при γ = 0,5
Ud, В
Id, А
Uн, В
Iн, А
Рd, Вт
Рн, Вт
η
По данным табл. 11.3 на графике № 2 построить внешнюю характеристику Uн = f(Iн) и энергетические характеристики Рd = f(Iн);
Рн = f(Iн) и η = f(Iн).
Исследование ООП с замкнутой обратной связью по напряжению (переключатель SA2 – в положении «1»)
А. Снять эксплуатационную характеристику ООП с замкнутой
обратной связью по напряжению
Эксплуатационная характеристика – это зависимость Uн = f(Ud),
энергетическая характеристика – это зависимость η = f(Ud) при постоянном напряжении задания Uз и минимально возможном сопротивлении нагрузки Rн.
176
Порядок выполнения опыта
В модуле «Источник вторичного электропитания» тумблер SА2
переключить в положение «1» (обратная связь включена). В «Модуле питания стенда» ручкой потенциометра RР1 установить требуемое значение напряжения Ud на входе ИВЭП, а реостат Rн модуля «Нагрузка» перевести в крайнее левое положение, соответствующее минимально возможному сопротивлению нагрузки Rн min.
В модуле «Источник вторичного электропитания» ручкой потенциометра RР2 установить заданное (преподавателем) напряжение
на нагрузке Uн.
Поддерживать постоянным:
– напряжение задания Uз;
– сопротивление нагрузки Rн.
Изменять:
– напряжение на входе преобразователя Ud.
Измерять:
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– ток на входе преобразователя Id;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн;
– коэффициент заполнения импульса D.
Вычислить:
– мощность, потребляемую преобразователем Рd;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Рн;
– коэффициент полезного действия преобразователя η.
Расчетные соотношения: Рd = UdId; Рн = UнIн; η = Рн/Рн.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 11.4.
Таблица 11.4
Измерено
Эксплуатационная характеристика ООП с замкнутой
обратной связью по напряжению
Ud, В
Id, А
Uн, В
Iн, А
Вычислено
D
Pd, Вт
Pн, Вт
η
177
По данным табл. 11.4 на графике № 3 построить эксплуатационную характеристику преобразователя Uн = f(Ud), энергетическую
характеристику η = f(Ud) и зависимость D = f(Ud).
Б. Снять внешнюю характеристику ООП с замкнутой обратной
связью по напряжению
Внешняя характеристика – это зависимость Uн = f(Iн), энергетические характеристики – это зависимости Рd = f(Iн); Рн = f(Iн) и
η = f(Iн) при постоянном напряжении на входе Ud и напряжении задания Uз. Для этого ручку потенциометра RР1 в модуле «Источник
вторичного электропитания» установить в крайнее правое положение, соответствующее D = 0,5.
Для этого в «Модуле питания стенда» ручкой потенциометра RР1 установить требуемое значение напряжения Ud на входе
ИВЭП. В модуле «Источник вторичного электропитания» ручкой
потенциометра RР2 установить заданное (преподавателем) напряжение на нагрузке Uн. Изменяя сопротивление нагрузки реостатом
Rн в модуле «Нагрузка», фиксировать показания Ud, Id, Uн, Iн. Показания занести в таблицу, построить характеристики.
Выключить тумблеры SА1 и «Питание» в модулях «Модуль питание стенда» и «Источник вторичного электропитания» соответственно, а затем автомат QF1 «Модуля питания стенда».
Поддерживать постоянным:
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– напряжение задания Uз.
Изменять:
– сопротивление нагрузки Rн.
Измерять:
– напряжение на входе преобразователя Ud;
– ток на входе преобразователя Id;
– напряжение нагрузки Uн;
– ток нагрузки Iн;
– коэффициент заполнения импульса D.
Вычислить:
– мощность, потребляемую преобразователем Рd;
– мощность, отдаваемую в нагрузку Рн;
– коэффициент полезного действия преобразователя η.
Расчетные соотношения: Рd = UdId; Рн = UнIн; η = Рн/Рн.
Результаты измерений и расчетов занести в табл. 11.5.
178
Таблица 11.5
Внешняя характеристика ООП с замкнутой обратной
связью по напряжению при Uз = Измерено
Ud, В
Id, А
Uн, В
Iн, А
Вычислено
D
Рd, Вт
Рн, Вт
η
По данным табл. 11.5 на графике № 4 построить внешнюю характеристику Uн = f(Iн) и энергетические характеристики Рd = f(Iн);
Рн = f(Iн), η = f(Iн) и D = f(Iн).
Исследование электромагнитных процессов ООП
Снять осциллограммы тока и напряжения на транзисторе VТ1
для заданного коэффициента заполнения D и двух значений тока
нагрузки Iн (Iн = 1 А и Iн = 0). Для этого выход осциллографа СН1
подключить к гнезду Х6 (напряжение на транзисторе), а выход
СН2 – к гнезду Х4 (ток транзистора), корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом Х5. В «Модуле питания стенда» ручкой потенциометра RР1 установить (по заданию преподавателя) значение напряжения на входе Ud ИВЭП и на протяжении всех опытов не изменять
положение RР1. В модуле «Источник вторичного электропитания»
ручкой потенциометра RР1 установить заданный коэффициент заполнения D (D = 0,5) , а затем реостатом RН в модуле «Нагрузка» –
заданный ток нагрузки Iн (Iн = 1 А). Во всех опытах коэффициент
заполнения D измерять при помощи осциллографа. Сфотографировать с экрана осциллографа ток и напряжение на транзисторе VТ1.
Определить и записать масштабы по току, напряжению и времени.
Аналогичные действия выполнить при токе нагрузке Iн = 0. Объяснить различие в осциллограммах, определить частоту ШИМ транзистора и его режим работы (прерывистый или непрерывный).
179
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
– наименование и цель работы;
– предварительные расчеты и построения;
– принципиальную силовую схему установки;
– обработанные осциллограммы;
– результаты экспериментальных исследований и проведенных
по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;
– экспериментально снятые и построенные характеристики;
– выводы по работе: пояснить влияние тока нагрузки Iн на вид
осциллограмм на транзисторе в разомкнутой системе; объяснить
влияние коэффициента заполнения D на энергетические характеристики ИВЭП в разомкнутой системе; объяснить вид внешней
характеристики ИВЭП в разомкнутой системе; пояснить влияние
напряжения Uн и тока нагрузки Iн на характеристики ИВЭП в замкнутой системе.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные статические параметры стабилизаторов напряжения.
2. Назначение источника вторичного электропитания.
3. Какие требования предъявляются к ИВЭП?
4. Укажите достоинства и недостатки ООП по сравнению с бестрансформаторным преобразователем.
5. Из каких элементов (блоков) состоит ООП?
6. Как снять внешние и регулировочные характеристики ООП?
7. Зачем в ООП введена обратная связь по напряжению?
180
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мартынов А. А. Силовая электроника. Часть 1. Выпрямители
и регуляторы переменного напряжения. СПб.: ГУАП, 2011. 186 с.
2. Мартынов А. А. Силовая электроника. Часть 2. Инверторы
напряжения и преобразователи частоты. СПб.: ГУАП, 2011. 146 с.
3. Мартынов А. А. Проектирование импульсных полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение: учеб. пособие. СПб.: ГУАП, 2012. 216 с.
4. Мартынов А. А. Электрический привод: учеб. пособие. СПб.:
ГУАП, 2015. 524 с.
181
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................. 1. Описание лабораторного стенда и рекомендации
по подготовке и выполнению лабораторных работ ......................... 1.1. Описание лабораторного стенда ....................................... 1.2. Общие рекомендации по выполнению
лабораторных работ ...................................................... 3
4
4
13
2. Исследование характеристик полупроводниковых вентилей........ Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик
неуправляемых полупроводниковых вентилей................. 17
3. Исследование управляемых выпрямителей............................... Основные расчетные соотношения и характеристики
управляемых выпрямителей .......................................... Лабораторная работа № 2. Исследование однофазных
однотактных (однополупериодных) управляемых
выпрямителей ............................................................. Лабораторная работа № 3. Исследование трехфазных
управляемых выпрямителей ......................................... 32
17
32
44
55
4. Исследование реверсивных преобразователей ........................... Лабораторная работа № 4. Исследование реверсивного
тиристорного преобразователя ...................................... 78
5. Исследование регуляторов переменного напряжения ................. Лабораторная работа № 5. Исследование однофазного
регулятора переменного напряжения .............................. 89
6. Исследование преобразователей постоянного тока
в постоянный ток...................................................................... Лабораторная работа № 6. Исследование однотактного
преобразователя постоянного тока с последовательным
ключевым элементом (ОППТ-1)...................................... 78
89
99
99
7. Исследование стабилизаторов напряжения
постоянного тока ...................................................................... 113
Лабораторная работа № 7. Исследование стабилизатора
постоянного напряжения, выполненного
по схеме ППН-1 ........................................................... 113
8. Исследование автономного инвертора напряжения..................... 124
Лабораторная работа № 8. Исследование трехфазного
инвертора напряжения.................................................. 124
9. Исследование преобразователя частоты
со звеном постоянного тока........................................................ 141
Лабораторная работа № 9. Исследование преобразователя
частоты со звеном постоянного тока ................................ 141
10. Исследование совместной работы неуправляемого
выпрямителя с корректором коэффициента мощности................... 154
Лабораторная работа № 10. Исследование однофазного
мостового выпрямителя с корректором коэффициента
мощности .................................................................... 154
11. Исследование источника вторичного электропитания............... 168
Лабораторная работа № 11. Исследование однотактного
обратноходового преобразователя ................................... 168
Библиографический список........................................................ 181
Учебное издание
Мартынов Александр Александрович
ОСНОВЫ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Учебно-методическое пособие
Часть 1
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Сдано в набор 23.06.16. Подписано к печати 29/.9.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 10,7. Уч.-изд. л. 11,5.
Тираж 50 экз. Заказ № 347.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
13 356 Кб
Теги
martynov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа