|
|
Лабораторная работа по эпэ. МетодичкаЛР1_ЭПЭв СУ ТП _160420. Лабораторная работа 1 По дисциплине электронные преобразователи энергии в системах управления технологическими процессами
Лабораторная работа № 1
По дисциплине электронные преобразователи энергии в системах управления технологическими процессами.
Исследование характеристик регулируемых тиристорных выпрямителей.
1. Цель работы.
Изучить схемы электрические принципиальные регулируемых тиристорных выпрямителей, снять осциллограммы электрических процессов, построить графики регулировочных характеристик.
2.Приборы и оборудование.
2.1. Лабораторный стенд, позволяющий набирать различные схемы выпрямителей, а также нагружать выпрямитель на активную, либо активно–индуктивную нагрузку.
2.2. Цифровой двухканальный осциллограф АКИП – 4313/2.
2.3. Цифровой мультиметр.
3. Теоретическая часть.
3.1. Назначение и параметры выпрямителей, эквивалентные схемы нагрузок.
Питание электроэнергией потребителей постоянного тока от промышленной сети переменного тока осуществляется через выпрямители. Выпрямители подразделяют на группы следующим образом:
1.однофазные и трехфазные — в зависимости от числа фаз входного переменного напряжения.
2.управляемые и неуправляемые — в зависимости от того, позволяет схема выпрямителя регулировать выходное постоянное напряжение или нет.
3.маломощные (с выходной мощностью до 1 кВт), средней мощности (до 100 кВт) и большой мощности (более 100 кВт).
Для маломощных выпрямителей применяют однофазные схемы выпрямления. Для выпрямителей средней и большой мощности используют, как правило, трехфазные схемы выпрямления, так как мощные трехфазные трансформаторы легче и меньше по габаритам, чем однофазные той же мощности, а также трехфазные схемы выпрямления имеют меньшие пульсации выходного напряжения.
В настоящей работе исследуются только управляемые выпрямители.
К основным параметрам и характеристикам выпрямителей относятся:
-средние значения выпрямленного напряжения и тока Uср, Iср;
-коэффициент пульсаций
где Uоснm - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;
-регулировочная характеристика Uср=f(α) , где α-угол управления тиристорами;
-максимальное значение напряжения на тиристорах UVm;
-среднее значение тока через тиристор IVср;
-полная мощность трансформатора ST;
Наиболее распространенными видами нагрузки выпрямителей являются активно-индуктивная нагрузка (рис. 1а), активно-индуктивная нагрузка, содержащая ЭДС (рис. 1б), активная нагрузка (рис. 1в), активная нагрузка, содержащая ЭДС (рис. 1г
Рис. 1. Эквивалентные схемы нагрузки выпрямителя.
Лабораторный стенд позволяет воспроизводить схемы нагрузки по рис. 1а и 1в.
3.2.Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель.
Схема электрическая принципиальная однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рис 2. Ток в нагрузке протекает в течение одной половины каждого периода изменения переменного напряжения на его входе, поэтому .выпрямитель называется однополупериодным.
Среднее значение выпрямленного напряжения при α=0, UdCP0=0,45U2. Качество выпрямленного напряжения однополупериодного выпрямителя низкое - коэффициент пульсаций при α=0, Кп = 1,57. Кроме того трансформатор работает с подмагничиванием постоянным током, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей. Тиристоры выбираются по величине среднего значения тока равного среднему значению тока нагрузки, и по максимальному значению обратного напряжения, равного  .
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений.
Угол α от начала полупериода до момента включения тиристора называется углом управления. Среднее значение тока тиристора равно среднему значению тока нагрузки . Среднее значение напряжения на активной нагрузке зависит от α:
Соответствующая регулировочная характеристика приведена на рисунке 3.
Рис.3. Регулировочная характеристика однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя.
3.3.Однофазный двухполупериодный мостовой управляемый выпрямитель.
Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко используются два вида двухполупериодных выпрямителей: однофазный мостовой и однофазный с нулевым выводом. В настоящей работе исследуется управляемый двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель, схема которого показана на рисунке 4.
Рис. 4. Однофазный двухполупериодный мостовой управляемый выпрямитель, при работе на активную нагрузку.
Включение тиристора, происходит при выполнении двух условий: а) напряжение между анодом и катодом тиристора должно быть положительным; б) на управляющий электрод тиристора должен поступить управляющий импульс. Тиристор выключается при уменьшении тока через него до нуля. Управление моментом включения тиристора осуществляется с помощью блока управления выпрямителем (БУВ). БУВ вырабатывает управляющие импульсы iуVS1 и iуVS2 с необходимыми для включения тиристоров амплитудой и длительностью в заданные моменты времени.
Рассмотрим работу выпрямителя на активную нагрузку. От нулевого момента времени напряжение на анодах тиристоров VS1 и VS4 нарастает в положительной полярности, а на анодах тиристоров VS2 и нарастает в отрицательной полярности. В момент времени t1 , соответствующий углу α на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS4 поступают управляющие импульсы и тиристоры включаются, подключая нагрузку ко вторичной обмотке трансформатора. Оставшуюся часть полупериода напряжение u2 действует на нагрузке. После окончания полупериода тиристоры VS1 и VS4выключаются. Во втором полупериоде напряжение на анодах тиристоров VS2 и VS3 нарастает в положительной полярности, а на анодах тиристоров VS1 и VS4 нарастает в отрицательной полярности. В момент времени t2 , соответствующий углу α на управляющий электрод анодах тиристоров VS1 и VS4 поступают управляющие импульсы и тиристоры включаются, подключая нагрузку ко вторичной обмотке w2 трансформатора. Оставшуюся часть полупериода напряжение u2 действует на нагрузке. Таким образом на нагрузке формируются два импульса
напряжения за период.
Среднее значение выпрямленного напряжения при α=0, UdCP0=0,9U2. Коэффициент пульсаций при α=0, Кп = 0,67. Тиристоры выбираются по величине среднего значения тока, равного половине среднего значения тока нагрузки, и по максимальному значению обратного напряжения, равного . Угол α от начала полупериода до момента включения тиристора называется углом управления. Среднее значение напряжения на активной нагрузке зависит от α:
На рис. 5. показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя с активной нагрузкой (кривая 1). Изменяя с помощью БУВ величину α, можно изменять Udср на нагрузке RH от 0,9U2 до нуля.
Возможный диапазон изменения α в однофазных выпрямителях при активной нагрузке — от 0 до π. При работе на активно-индуктивную нагрузку среднее значение напряжения определяется выражением:
(кривая 2 на рисунке 5). Полная мощность силового трансформатора
S=1,23 UdCP IdCP
Рис.5. Регулировочная характеристика однофазного управляемого выпрямителя с активной (1) и активно-индуктивной (2) нагрузкой.
3.4. Трехфазный управляемые выпрямитель с нулевым выводом.
Для выпрямления трехфазного переменного напряжения используются два вида двухполупериодных выпрямителей: трехфазный с нулевым выводом и трехфазный мостовой. На рис. 6. изображена схема управляемого трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.
Рис. 6. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом.
Для упрощения схемы блок управления выпрямителем, вырабатывающий управляющие тиристорами импульсы, на рисунке не показан.
Угол управления тиристорами α в трехфазных выпрямителях принято отсчитывать от моментов естественного включении вентилей (моментов переключения диодов в неуправляемых трехфазных выпрямителях). При α < π/6 (α1 на рис. 6.) напряжение и ток нагрузки Rн имеют непрерывный характер.
Если α > π/6 (α2 на рис. 6.), напряжение и ток активной нагрузки Rн выпрямителя имеют прерывистый характер, так как открытый тиристор закрывается при уменьшении тока через него до нуля раньше, чем управляющий импульс откроет следующий тиристор. Пределы изменения угла α в управляемом трехфазном выпрямителе с нулевым выводом при активной нагрузке — от 0 до 5π/6 (150º).
Работа управляемого трехфазного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку отличается от работы на активную нагрузку. Временные диаграммы приведены на рисунке 7.
Рис. 7. Временные диаграммы управляемого трехфазного выпрямителя с нулевым выводом при работе на активно-индуктивную нагрузку.
При соблюдении условия, что 3ωL » RН (3ω — частота основной гармоники напряжения на выходе трехфазного выпрямителя с нулевым выводом), ток в нагрузке будет протекать непрерывно практически без пульсаций. При α < π/6 форма напряжения на активно-индуктивной нагрузке будет такой же, как и на активной. При α > π/6 тиристор, включенный при u2 > 0, вследствие влияния ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности нагрузки, остается! включенным и при u2 < 0 до тех пор, пока не откроется следующий тиристор с большим напряжением на аноде.
Среднее значение выпрямленного напряжения при α=0, UdCP0=1,17U2. Коэффициент пульсаций при α=0, Кп = 0,25. Cреднее значение тока через тиристор:
IVSCP= Id/3
Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, равно
UVSmax= 2,1U2. Среднее значение напряжения на активной нагрузке зависит от угла α. При α<π/6 напряжение и ток нагрузки имеют непрерывный характер и зависимость имеет вид:
 ,
При α>π/6 напряжение и ток нагрузки имеют прерывистый характер и зависимость приобретает вид:
На рис.5. показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя с активной нагрузкой (кривая 1). Изменяя с помощью БУВ величину α, можно изменять UdCP на нагрузке RH от 0,9U2 до нуля.
При работе на активно-индуктивную нагрузку среднее значение напряжения определяется выражением:
(кривая 2 на рисунке 5). Возможный диапазон изменения α от нуля до π/2. Полная мощность силового трансформатора
S=1,35 UdCP IdCP
Недостаток управляемых трехфазных выпрямителей с нулевым выводом состоит в том, что во вторичных обмотках протекает ток только в одном направлении, что вызывает подмагничивание сердечника трансформатора.
На рисунке 8. приведена регулировочная характеристика трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом.
Рис. 8. Регулировочная характеристика трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при активной (1) и активно-индуктивной (2) нагрузке.
3.5. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель.
На рис. 9. изображена принципиальная схема управляемого трехфазного мостового выпрямителя и временные диаграммы при работе на активную нагрузку.
Рассмотрим работу выпрямителя при активной нагрузке Rн. При α < π/3 (α1 на рис. 3.16.) напряжение и ток нагрузки Rн имеют непрерывный характер.
Если α > π/3 (α2 на рис. 3.16.), напряжение и ток активной нагрузки Rн выпрямителя имеют прерывистый характер, так как открытый тиристор закрывается при уменьшении тока через него до нуля раньше, чем управляющий импульс откроет следующий тиристор. Пределы изменения угла α в управляемом мостовом трехфазном выпрямителе при активной нагрузке — от 0 до 2π/3 (120º). Особенностью управления мостового трехфазного выпрямителя является то, что импульсы управления тиристоров должны быть сдвоенными, т.е. через интервал π/3 (60º) после основного импульса поступает дополнительный импульс. При этом обеспечивается одновременная подача импульсов на тиристоры анодной и катодной группы, что необходимо для запуска выпрямителя, а также при работе в режиме прерывистых токов. Форма тока при работе на активную нагрузку повторяет форму напряжения.
Рассмотрим работу управляемого трехфазного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Будем считать, что 6ωL » RН (6ω — частота основной гармоники напряжения на выходе мостового трехфазного выпрямителя), тогда ток в нагрузке, будет протекать непрерывно, практически без пульсаций. При α < π/3 форма напряжения на активно-индуктивной нагрузке будет такой же, как и на активной. При α > π/3 тиристор, включенный при u2 > 0, вследствие влияния ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности нагрузки, остается включенным и при u2 < 0 до тех пор, пока не откроется следующий тиристор с большим напряжением на аноде. Временные диаграммы приведены на рисунке 10.
Среднее значение выпрямленного напряжения при α=0, UdCP0=2,34U2. Коэффициент пульсаций при α=0, Кп = 0,06. Cреднее значение тока через тиристор:
IVSCP= Id/3
Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, равно
UVSmax= 2,1U2.
Среднее значение напряжения на активной нагрузке зависит от уцгла α:
. При α<π/3 напряжение и ток нагрузки имеют непрерывный характер и зависимость имеет вид:
,
При α>π/3 напряжение и ток нагрузки имеют прерывистый характер и мзависимость приобретает вид:
На рис.5. показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя с активной нагрузкой (кривая 1). Изменяя с помощью БУВ величину α, можно изменять UdCP на нагрузке RH от 0,9U2 до нуля.
При работе на активно-индуктивную нагрузку среднее значение напряжения определяется выражением:
(кривая 2 на рисунке 5). Возможный диапазон изменения α от нуля до π/2. Полная мощность силового трансформатора
S=1,05 UdCP IdCP
Рис. 9. Схема и временные диаграммы токов и напряжений трехфазного
мостового управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку.
На рисунке 11. приведена регулировочная характеристика трехфазного мостового управляемого выпрямителя.
Рис. 10. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного
мостового управляемого выпрямителя при работе на активно- индуктивную нагрузку.
Рис. 11. Регулировочная характеристика мостового трехфазного управляемого выпрямителя при активной (1) и активно-индуктивной (2) нагрузке.
4.Описание лабораторного стенда. Стенд состоит из приборной стойки с размещенным в ней силовым трансформатором, тиристорным выпрямителем и системой импульсно–фазового управления (СИФУ). В выносном блоке находится нагрузка – активная составляющая представляет собой лампы накаливания, индуктивная составляющая представляет собой дроссель на ферромагнитном сердечнике. Стенд питается от промышленной трехфазной сети 230/400В50Гц.
Подключение стенда к сети осуществляется автоматическим выключателем, размещенным в нижней части правой боковой панели.
Схема электрическая принципиальная стенда и расположение элементов на панели изображены на рисунке 12.
5. Указания по выполнению лабораторной работы
Измерения выполнить на следующих схемах:
Однофазная однополупериодная;
Однофазная мостовая;
Трехфазная с нулевым выводом;
Трехфазная мостовая.
Измерить величины:
Фазное напрежение;
Линейное напрежение;
Отношение UHср/Uл при α=0;
Снять значения выходного напряжения в зависимости от угла α и построить регулировочные характеристики. Угол α изменять с шагом 20°.
Записать осциллограммы напряжений на тиристорах в функции α (3-4 диаграммы).
Рис. 12. Схема электрическая принципиальная стенда и расположение элементов на панели изображены на рисунке 12. |
|
|
Скачать 2.1 Mb.
