ТВН лаб.ур.. Практикум по дисциплине Техника высоких напряжений
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
6.1. Задание на подготовку 1. Изучить схемы выпрямления напряжения и их основные характеристики и параметры. 2. Изучить методы умножения высоких постоянных напряжений. 6.2. Краткие теоретические сведения Высокое напряжение постоянного тока для испытания изоляционных конструкций получают обычно с помощью высоковольтных выпрямителей, в которых в качестве вентилей используются полупроводниковые выпрямительные диоды. При относительно небольших напряжениях (до 100-200 кВ) применяют однополупериодные, двухполупериодные или мостовые схемы выпрямления. Эти схемы питаются от сети переменного тока через повышающий трансформатор. Вторичное амплитудное напряжение трансформатора должно быть приблизительно равно требуемому напряжению постоянного тока. Для получения более высоких напряжений могут быть использованы схемы выпрямления с умножением напряжения – схемы удвоения напряжения или многоступенчатые схемы. Они позволяют получить более высокое постоянное напряжение, чем вторичное напряжение питающего трансформатора при сравнительно небольшом обратном напряжении на вентилях. Рассмотрим работу схемы, приведенной на рис. 6.1. Для упрощения анализа предположим, что вентили и конденсаторы идеальные.  Рис. 6.1. Схема одной ступени каскадного выпрямителя Пусть на схему подано напряжение  (рис. 6.2). В течение первой четверти периода (0 - ) вентиль VD2 закрыт, а вентиль VD1 открыт и конденсатор С1 заряжается по контуру 0-2-1. В момент  , напряжение на конденсаторе  и заряд   . Затем,  пройдя через отрицательный максимум, начинает увеличиваться. Потенциал  точки 2 становиться положительным. Вентиль VD1 закрывается, а вентиль VD2 открывается. В течении времени  под действием напряжения источника питания и напряжения на конденсаторе С1, который включен согласно, в цепи 1-2-3-0 протекает ток. Конденсатор С1 разряжается, а конденсатор С2 заряжается. Напряжение на С2 достигает максимальной величины в момент  . Рис. 6.2. Изменение потенциалов точек схемы (рис. 6.1) при зарядке выпрямителя Для определения  и  рассмотрим контур 1-2-3-0. Вентиль VD2 включен в прямом направлении, и его сопротивление равно нулю. Поэтому  . В момент времени  :  , а напряжение на конденсаторе C2  , где Q - заряд, переместившийся по контуру за время  . Заряд конденсатора С1 уменьшится и станет равным  , поэтому  . Учитывая это, получим: , или .Так как  , то ,Откуда:  ; .При С1=С2 в момент конденсатор С1 полностью разряжен, а С2 заряжен до  . После питающее напряжение начинает уменьшаться,  становится ниже  . Вентиль VD2 закрывается. Вентиль VD1 откроется только после  , когда напряжение питания становится отрицательным и  - ниже нуля. Конденсатор С1 заряжается по контуру 0-2-1 и к моменту  .После  напряжение питания увеличивается, становится положительным, но вентиль VD2 открывается только в момент  , когда  . Конденсатор С2 подзаряжается по контуру 1-2-3-0. Пользуясь уже рассмотренным методом, можно легко определить, что в момент  , а  .После  вентиль VD2 закрывается, на конденсаторе С2 остается напряжение 1,5 . Когда станет равным нулю, откроется вентиль VD2, и конденсатор С1 подзарядится до . После того, как питающее напряжение пройдет через отрицательный максимум, становится положительным и VD1 закроется.Затем откроется вентиль VD2, и конденсатор С2 подзарядится за счет С1 и питающего напряжения до 1,75 . Нетрудно видеть, что в установившемся режиме напряжение на С2 достигает 2  .Если между точками 3 и 0 включена нагрузка Rн, то в течение промежутка времени, когда VD2 заперт, конденсатор С2 будет частично разряжаться через Rн. Выходное напряжение будет пульсирующим (рис. 6.3). Пульсации напряжения  зависят от величины С2, Rни времени, в течении которого закрыт вентиль VD2. Из-за постоянного разряда амплитуда напряжения на С2 будет отличаться от 2 на некоторую величину  , которую называют падением напряжения. При равенстве С1 и С2 .  Рис. 6.3. Падение напряжение и напряжение пульсаций для схемы Схема трехступенчатого каскадного выпрямителя приведена на рис. 6.4. Процесс зарядки конденсатора во времени протекает так же, как и в одноступенчатой схеме.  Рис. 6.4. Схема трехступенчатого каскадного выпрямителя В установившемся режиме конденсатор С1 заряжен до напряжения  , а С2 – до 2 . Потенциал точки 2 изменяется от 0 до 2 . Следовательно, конденсатор С3 может зарядиться до 2 . Потенциал точки 4 тогда будет меняться от 2 до 4 , и через вентиль VD5 конденсатор С5 зарядится до 2 . Тогда потенциал точки 6 будет меняться от 4 до 6 , и через VD6 конденсатор С6 зарядится до 2 . Выходное напряжение схемы складывается из напряжений на конденсаторах С2, С4, С6 и составит 6 . В общем случае при n ступенях  Поскольку заряд, поступающий на верхние ступени, отбирается от предыдущих, то многоступенчатые схемы оказываются очень чувствительными к нагрузке. Напряжение пульсации U и падение напряжения U быстро возрастают с увеличением числа ступеней. Для выпрямителя с n ступенями эти величины могут быть рассчитаны по следующим приближенным соотношениям:  ; ,где  - среднее значение тока нагрузки;п –число ступеней генератора;  - частота питающего напряжения;С - емкость конденсатора схемы (при С1=С2=…Сn=C). 6.3. Описание установки Лабораторная установка, схема которой приведена на рис. 6.4, представляет собой низковольтную модель трехступенчатого каскадного выпрямителя. Емкости всех конденсаторов модели одинаковы и составляют 2 мкФ. В качестве вентилей использованы кремниевые выпрямительные диоды. Нагрузку Rн можно подключить к любой ступени выпрямителя. На вход модели с помощью переключателя П1 можно подавать синусоидальное напряжение промышленной чистоте и постоянное напряжение от выпрямителя. Переключатель П2 позволяет изменять полярность постоянного напряжения. Оба напряжения регулируются с помощью автотрансформатора. Для измерений используются электростатический вольтметр и электронный осциллограф. Ток нагрузки измеряется микроамперметром. 6.4.Содержание работы и порядок ее выполнения В настоящей работе необходимо: 1. Ознакомиться со схемой и принципом работы каскадного выпрямителя, подготовить таблицу для записи результатов измерений. Ознакомиться с расположением ручек управления осциллографа. 2. С разрешения преподавателя подать на установку питание, включить освещение электростатического вольтметра и проверить положение нуля, включить электронный осциллограф и отрегулировать фокусировку и яркость луча. 3. Не включая нагрузки, перечертить с экрана осциллографа на один общий график напряжение на всех ступенях выпрямителя. Для этого включить выключатель В, переключателем П1 подать на схему переменное напряжение и с помощью автотрансформатора установить входное напряжение схемы 5В. Вход постоянного тока осциллографа включить между точками 0-1. Усиление осциллографа подобрать таким, чтобы размах синусоиды на экране составлял 1 см. Перечертить форму напряжения на график. Затем, не меняя усиления и не смещая положения луча, включить осциллограф между точками 0-2, 0-3, 0-4, 0-5, 0-6, 0-7 и перечертить форму напряжений. Полученный график сравнить с рис. 6.5, объяснить. 4. Проградуировать по напряжению осциллограф по входу переменного тока. Для этого переключатель входа осциллографа со схемы выпрямителя подать переменное напряжение 5В и установить усиление таким, чтобы размах синусоиды на экране осциллографа составлял 4 см. Тогда чувствительность осциллографа по напряжению составит:  При дальнейших измерениях положения осциллографа не менять. 5. Снять зависимость выходного напряжения и напряжения пульсации от тока нагрузки для одной, двух и трех ступеней каскадного выпрямителя. Для этого установить напряжение питания выпрямителя I7В. По электростатическому вольтметру определить выходное напряжение выпрямителя, изменяя то нагрузки от 0 до 400 мкА.  Рис. 6.5. Изменение потенциалов в различных точках схемы трехступенчатого выпрямителя в установившемся режиме На экране осциллографа измерить величину пульсаций выходного напряжения в см. Результаты измерений занести в таблицу. Таблица 6.1 Выходное напряжение и напряжение пульсаций каскадного выпрямителя
Здесь:  - выходное напряжение выпрямителя, определяемое по электростатическому вольтметру; - напряжение пульсаций на экране осциллографа, см; - напряжение пульсаций, В; - чувствительность осциллографа, определенная в 6.3.При измерении выходного напряжения выпрямителя на холостом ходу отключить от схемы выпрямителя нагрузку и вход осциллографа. 6. По полученным данным построить для одной, двух, трех ступеней выпрямителя зависимости выходного напряжения и напряжения пульсации от тока нагрузки  и  .7. Рассчитать выходное напряжение и напряжение пульсации для одной; двух, трех ступеней выпрямителя и построить зависимости и - на предыдущем графике.6.5.Содержание отчета 1. Цель работы и методика ее выполнения. 2. Схема установки. 3. Паспортные данные оборудования и приборов. 4. Результаты измерений в виде графиков и таблиц. 5. Пример расчета выходного напряжения и напряжения пульсаций для одного тока нагрузки. 6. Краткий анализ полученных результатов и выводы. 6.6.Контрольные вопросы 1.Принцип работы однофазного выпрямителя на емкостную нагрузку. Соотношение напряжений на элементах схемы. 2.Схема и принцип работы одной ступени каскадного выпрямителя в процессе зарядки. 3.Принцип умножения напряжения с помощью многоступенчатой схемы выпрямителя. 4.Достоинства и недостатки многоступенчатых каскадных выпрямителей. 5.Проанализировать работу одной ступени выпрямителя при питании прямоугольными импульсами чередующейся полярности. Литература: [1] с.193-196; [5] c. 518-522. Лабораторная работа № 7 ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ (ГИН) Цель работы: а) ознакомиться со способами получения грозовых импульсов, устройством и работой ГИН 750 кВ; б) изучить методы регулирования параметров грозового импульса и методы их измерения; в) произвести измерение амплитуды грозового импульса с помощью измерительных шаров диаметром 50 см; г) ознакомиться с методами регистрации формы грозового импульса с помощью электронного осциллографа; д) исследовать влияние параметров схемы ГИН на форму грозового импульса (величину амплитуды, время ее достижения и др.) с помощью компьютерной программы GIN. 7.1. Задание на подготовку 1.Изучить основные вопросы по проектированию и эксплуатации ГИН. 2.Изучить существующие схемы ГИН, назначение и выбор их элементов. 3.Исследовать форму и регулирование грозового импульса при различных параметрах элементов ГИН. 7.2. Краткие теоретические сведения В процессе эксплуатации на электрическую изоляцию линий и аппаратов воздействуют грозовые и внутренние перенапряжения. Грозовые перенапряжения возникают при ударах молнии и имеют форму кратковременного апериодического импульса. Внутренние перенапряжения связаны прежде всего с различного рода коммутациями и переходными режимами. Форма внутренних перенапряжений зависит от их вида, но чаще всего – это затухающие колебания с некоторой максимальной амплитудой. При лабораторных исследованиях импульсных процессов используются генераторы грозовых и коммутационных импульсов и измерительные системы, позволяющие определить амплитуду и регистрировать форму однократного или многократного импульса напряжения. Амплитуда может быть измерена с помощью шарового разрядника, а для регистрации формы импульса используются высоковольтные осциллографы с емкостными или смешанными делителями напряжения. 7.2.1. Генераторы импульсного напряжения Импульсные установки должны обеспечить генерацию апериодических импульсов напряжения (тока). Основными параметрами импульса (рис. 7.1) являются: амплитуда Umax, длительность фронта импульса ф, длительность импульса и.  Рис. 7.1 Основные параметры импульса ГИН. Стандартные импульсы, имитирующие атмосферные перенапряжения, имеют ф=1,2 мкс, и=50 мкс. Импульсы, имитирующие внутренние перенапряжения, имеют ф=250 мкс, и=2500 мкс. Схема ГИН, представленная на рис. 7.2, состоит из двух блоков – зарядного устройства 1 (ЗУ) и умножителя напряжения 2 (УН).  Рис. 7.2. Схема ГИН. Зарядное устройство 1 включает регулировочный автотрансформатор Т1, повышающий трансформатор Т2 и высоковольтный выпрямитель VD, то есть ЗУ представляет однополупериодный, высоковольтный, регулируемый выпрямитель. В качестве вентиля VD на напряжение 100 кВ используют выпрямительные столбики на полупроводниковых диодах. Умножитель напряжения 2 включает конденсаторы С, резисторы Rзащ, R3, Rд, Rф и разрядные промежутки FV1, FV2. На рис. 7.2 приведена схема удвоения напряжения. Принцип работы ГИНа заключается в следующем: на первой стадии, в режиме заряда конденсаторы С соединены параллельно и заряжаются от ЗУ через резисторы Rзащ, R3 с полярностью, указанной на схеме (рис. 7.2). Защитный резистор Rзащ = 3·106 Ом предназначен для ограничения тока заряда в момент включения, т.е. защищает вентиль VD и трансформатор Т2 от перегрузки. Величина напряжения, до которого заряжаются конденсаторы С определяется электрической прочностью искрового промежутка FV1но не должна превышать амплитуду выпрямленного напряжения U2m. Когда напряжение в точке 1 превысит электрическую прочность промежутка FV1, происходит пробой этого промежутка и конденсаторы С соединяются последовательно, - точка 2 будет соединена с точкой 1 через демпфирующий резистор Rд и сопротивление искрового промежутка FV1. Благодаря тому, что сопротивление резистора R3 велико (R3=5104 Ом), а сопротивление резистора Rф мало (Rф=10-20 Ом), конденсаторы не успевают разрядиться, потенциал точки 2 повышается до потенциала точки 1, а потенциал точки 3 увеличивается, примерно, в два раза. При переключении конденсаторов С с параллельной схемы на последовательную происходит пробой разрядного промежутка FV2, так как его электрическая прочность ниже величины удвоенного напряжения умножителя, выходное напряжение умножителя будет приложено к объекту испытания Сф и разрядному резистору Rр. Скорость нарастания напряжения на объекте (длина фронта импульса) будет определяться постоянной времени заряда конденсатора Сф, т.е.  (7.1)Когда напряжение на объекте (Сф) достигнет предельного значения, конденсаторы С и Сф начнут разряжаться через главный разрядный резистор Rр (спад импульса). При этом длительность волны импульса приблизительно в данной схеме будет равна  (7.2)Как видно из выражений (7.1) и (7.2) параметры напряжения на объекте (длительность фронта и длительность импульса) в основном определяются величиной сопротивления фронтового резистора Rф и разрядного резистора Rр. Поэтому чтобы получить импульс с заданными значениями ф и и необходимо определить значения Rф и Rр по выражениям (7.1), (7.2). Плавное регулирование амплитуды импульса осуществляется за счет изменения расстояния искрового промежутка FV1. Современные ГИНы на напряжение несколько миллионов вольт могут иметь несколько десятков каскадов. Таким образом, используя метод умножения напряжения, можно получить высокое значение испытательного напряжения при относительно низком значении напряжения зарядного устройства (порядка 100 – 200 кВ). 7.3. Описание установки В данной работе для заряда ГИН–750 используется то же самое зарядное устройство конденсатора С=0,022 мкФ до напряжения 75х2 кВ. Принципиальная схема генератора 750 кВ приведена на рис. 7.3. Водяное защитное сопротивление  МОм ограничивает величину зарядного тока до  мА, что обеспечивает полный заряд десяти конденсаторов ГИН С=0,022 мкФ в течение 3-5 секунд. Зарядные сопротивления  50 кОм разделяют точки схемы, находящиеся под разными потенциалами в режиме разряда ГИН. Фронтовой резистор  и разрядный резистор  формируют параметры грозового импульса и для стандартного грозового импульса 1,2/50  Ом (при  500-600 пФ) и  Ом. Рис. 7.3. Принципиальная схема генератора 750 кВ. Фронтовая емкость  представляет сумму емкостей ошиновки, измерительных шаров и объекта испытания. Отсекающий промежуток FV2 отделяет зарядную часть схемы от объекта испытания, измерительных шаров MB и разрядного сопротивления  . Это ограничивает утечку тока в режиме заряда и обеспечивает рост напряжения с нуля на объекте испытаний в режиме разряда. Амплитуда импульса регулируется изменением расстояния между шарами искровых промежутков FV1. В данный момент эту операцию можно выполнять только при подготовке ГИН к работе. В процессе выполнения работы амплитуда импульса ГИН не регулируется.Измерение параметров импульса Измерительные шары 50 см выполнены по схеме, приведенной на рис. 7.4, б. В режиме измерения амплитуды импульса нижний подвижный шар заземлен (переключатель ПШ – в положении «3»). Амплитудное напряжение импульса определяется как 50%-ное разрядное напряжение между шарами. Рекомендуется метод «вверх-вниз», при котором за величину промежутка, соответствующего 50%-му разрядному напряжению принимают среднее из двух расстояний при одном из которых происходит 1-4 пробоя, при другом 6-9 пробоев из 10. Всего для измерения при этом потребуется более 20 импульсов. Так как шары включены по несимметричной схеме напряжения, то зависимости  будут разными для положительного и отрицательного импульсов (табл. 7.1).Таблица 7.1
Плавное регулирование расстояния между шарами осуществляется в соответствии со схемой на рис. 7.2,а. При нажатии кнопки КМ «вверх» расстояние между шарами уменьшается, при нажатии кнопки КБ «вниз» - расстояние увеличивается. Ход шаров в пределах 1-54 см ограничивается конечными выключателями КВ1 и КВ2. Измерительные шары имеют встроенный делитель напряжения  . Верхней емкостью делителя  является промежуток между верхним шаром и изолированной частью нижнего шара (переключатель ПШ в положении 0). Схема осциллографирования импульса подключается к делителю напряжения с помощью коаксиального кабеля КК.Регистрация импульса производится в соответствии с инструкцией для применяемого в работе импульсного осциллографа.  Рис 7.4. Принципиальная схема управления (а) измерительными шарами 7.4. Методика выполнения работы 1.Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности для данной установки. 2.Ознакомиться со схемами ГИН-750, схемой зарядного устройства ЗУ-150 и схемой управления шарами. 3.Ознакомиться с перечисленными устройствами и установками в натуре, записать паспортные данные основного оборудования и определить полярность получаемого импульса. 4.Рассчитать основные параметры ГИН: емкость в ударе  , энергию в ударе и коэффициент использования ГИН.5.Руководствуясь инструкцией к ЗУ-150 включить ГИН-750 в работу и добиться устойчивого рабочего хода с периодичностью импульса 3-5 с. 6.Измерить амплитуду импульса измерительными шарами. 7.Используя импульсный электронный осциллограф, определить основные параметры полученных импульсов. 8.Провести исследование влияния различных параметров схемы ГИН на величину амплитуды грозового импульса и времени ее достижения, используя компьютерную программу GIN (Инструкция по пользованию программой приводится в Приложении 1 практикума). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,В