12086

Исследование токовой и тепловой загрузки тиристоров в мо-стовой схеме управляемого выпрямителя однофазного тока при работе на RL - нагрузку

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 по курсу Силовые полупроводниковые приборы Тема: Исследование токовой и тепловой загрузки тиристоров в мостовой схеме управляемого выпрямителя однофазного тока при работе на RL нагрузку. Цели: 1 продолжение знакомства с многообразием

Русский

2013-04-24

284 KB

12 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

по курсу Силовые полупроводниковые приборы

Тема: Исследование токовой и тепловой загрузки тиристоров в мостовой схеме управляемого выпрямителя однофазного тока при работе на RL - нагрузку.

Цели:

1) – продолжение знакомства с многообразием условий работы силовых полупроводниковых приборов в схемах силовой электроники;

2) – знакомство с алгоритмом функционирования системы импульсно-фазового управления управляемого выпрямителя однофазного тока с вентильным комплектом на тиристорах;

3) − исследование условий работы силовых полупроводниковых приборов в управляемом выпрямителе. Определение влияния параметров схемы и величины сигнала управления на характер токовой и тепловой загрузки приборов.

Метод исследования:

численный эксперимент с использованием программного обеспечения PSIM, предназначенного для моделирования электромагнитных процессов в электромеханических системах.

2.1. Предварительные замечания

Управляемый выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, причем напряжение на выходных зажимах такого выпрямителя можно регулировать в определенных пределах.

На практике, очень часто, возникает потребность в регулировании среднего значения напряжения на выходных зажимах выпрямителя. Когда, например, необходимо стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или самой нагрузки. Если нагрузкой является якорная обмотка двигателя постоянного тока, то, изменяя напряжение на выходных зажимах выпрямителя, можно в широких пределах регулировать частоту вращения вала этого двигателя.

Один из возможных способов создания выпрямителей с регулируемым выходным напряжением базируется на использовании в схеме в качестве силовых ключей тиристоров, моментом включения которых можно управлять. Осуществляется такое управление изменением моментов подачи отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров.

Принцип регулирования  выпрямленного напряжения.

Эквивалентная схема замещения силовых цепей управляемого выпрямителя, исследуемого в лабораторной работе 2, приведена на рис. 2.1,а.

Как и в случае лабораторной работы 1 – это мостовой выпрямитель однофазного тока, работающий на активно-индуктивную нагрузку. Отличие заключается в том, что вентильный комплект выполнен не на диодах, а на тиристорах Т1Т4.

Тиристоры попарно вступают в работу в моменты подачи на их управляющие электроды отпирающих импульсов. Отпирающие импульсы поступают с запаздыванием на некоторый угол регулирования α относительно точек естественного включения. В нашем случае эти точки совпадают с моментами перехода через нуль ЭДС питающей сети е2, т.е. с моментами 0, π, 2π, 3π …на рис. 2.1,б.

Работающая пара тиристоров подключает соответствующий участок питающей ЭДС к выходным зажимам выпрямителя. В результате на них формируется кривая выходного напряжения, приведенная на рис. 2.1,в. Следует заметить, что при идеальной питающей сети и отсутствии потерь в тиристорах сформированное таким образом выходное напряжение есть ни что иное, как внутренняя ЭДС выпрямителя e.

Рис. 2.1. Эквивалентная схема силовых цепей (а) и временные диаграммы (б) управляемого выпрямителя однофазного тока

Характер электромагнитных процессов в схеме, а, следовательно, и условия работы тиристоров в ней в определяющей мере зависят от двух параметров:

  1.  величины угла регулирования  α и
  2.  величины индуктивности Ld, точнее говоря от соотношения Xd / Rd.

В зависимость от конкретного сочетания этих параметров выпрямитель может работать в режиме непрерывного, предельно-непрерывного и прерывистого тока нагрузки.

В случае непрерывного тока нагрузки (рис. 2.1,г) время работы одной пары тиристоров составляет половину периода повторения ЭДС питающей сети, т.е. λ = π. Среднее значение внутренней ЭДС при этом

                  (2.1)

где E2 – действующее значение питающей ЭДС;

     Edo – среднее значение внутренней ЭДС при угле регулирования α = 0:

                                                   (2.2)

В режиме прерывистого тока нагрузки (рис. 2.2) время работы отдельной пары тиристоров меньше  половины периода повторения ЭДС питающей сети, т.е. λ < π. Среднее значение внутренней ЭДС в этих условиях определяется как

                    (2.3)

где λ – длительность протекания анодного тока работающей пары тиристоров, формально способная изменяться в пределах 0 ≤ λ < π.

                                  Рис. 2.2                                                                     Рис. 2.3

Режим предельно-непрерывного тока нагрузки (рис. 3.3) является граничным между двумя рассмотренными выше режимами. В этом случае также выполняется равенство λ = π, однако значения тока на границах интервалов повторения при этом равны нулю.

Условием перехода управляемого выпрямителя в режим работы с предельно-непрерывным током нагрузки является выполнение равенства.

                                                      (2.4)

Анализ выражения (2.4) показывает, что при увеличении реактивности контура нагрузки Xd/Rd увеличивается и угол регулирования αгр, при превышении которого наступает режим прерывистых токов.

Следует заметить, что на практике режим непрерывного тока является наиболее предпочтительным, поскольку в этом случае обеспечивается наилучшее соотношение между величиной среднего значения тока и его пульсацией. В пределе при Xd/Rd → ∞ ток нагрузки не будет содержать переменной составляющей, т.е. будет идеально сглаженным.

                                                                                   

Алгоритм функционирования системы управления.

Неотъемлемым элементом любого управляемого выпрямителя является его система импульсно-фазового управления (СИФУ). В задачу СИФУ входит формирование, смещение во времени и распределение по управляющим электродам тиристоров отпирающих импульсов, при помощи которых и осуществляется их включение.

 Алгоритм функционирования СИФУ поясняют временные диаграммы, приведенные на рис. 2.4. Речь в данном случае идет о так называемой многоканальной импульсно-фазовой системе, реализующей вертикальный принцип управления.

Рис. 2.4

На рис. 2.4,а показана синусоида питающей ЭДС e2. Точки естественного включения тиристоров совпадают с моментами перехода питающей ЭДС через нуль. Включение тиристоров T1 и T2 возможно только при положительных значениях питающей ЭДС, а тиристоров T3 и T4 – при отрицательных.

На рис.2.4,б показаны опорные сигналы синусоидальной формы. Опорный сигнал uop1,2 в канале управления тиристорами Т1 и Т2 опережает ЭДС питающей сети е2 на угол 90 эл. град. Следовательно, момент достижения им максимального значения совпадает с моментом перехода е2 через нуль в положительном направлении. В то же время, опорный сигнал uop3,4 в канале управления тиристорами Т3 и Т4 отстает от е2 на угол 90 эл. град., и момент достижения им максимального значения совпадает с моментом перехода е2 через нуль в отрицательном направлении.

Рабочими считаются спадающие участки опорных сигналов, показанные на рис. 2.4,б сплошными линиями.

В моменты пересечения, например, рабочего участка опорного сигнала uop1,2 с сигналом управления Uy в канале управления тиристорами T1 и T2 вырабатывается узкий импульс (рис. 2.4,в), который запускает формирователь широкого импульса управления Fу1,2. Возвращается формирователь в исходное состояние узким импульсом F3,4 с соседнего канала. Получившийся в результате “широкий” импульс управления Fу1,2 длительностью 180 эл. град. поступает одновременно на управляющие электроды тиристоров T1 и T2, включая их. Аналогичным образом формируется и импульс управления Fу3,4 для включения тиристоров T3 и T4.

Как следует из временных диаграмм, приведенных на рис. 2.4,б, связь между амплитудой опорного сигнала Uopm, величиной сигнала управления Uy и углом регулирования определяется соотношением

                                                        (2.5)

При подобном алгоритме функционирования СИФУ изменение сигнала управления в пределах Uopm  Uy Uopm позволяет варьировать величину угла регулирования в пределах всего теоретически возможного диапазона значений 0    . В режиме непрерывных токов это обеспечивает теоретическую возможность регулирования напряжения на выходных зажимах вентильного преобразователя в пределах EdoE ≥ – Edo.

2.2. Подготовка к лабораторному занятию

При подготовке к лабораторному занятию необходимо в соответствии с индивидуальными исходными данными определить по приведенной ниже упрощенной методике параметры элементов эквивалентной схемы замещения силовых цепей управляемого выпрямителя, а также параметры токовой и тепловой загрузки тиристоров при заданном номинальном угле регулирования α.

2.2.1. Индивидуальные исходные данные.

Условный пример варианта индивидуальных исходных данных для лабораторной работы 2 приведен в расположенной ниже таблице.

 

                                                                                                                             Таблица 2-1

вар

Тиристор

Ia(av)н,

A

kf

Охлади-

тель

RθSA,

оС/Вт

v,

м/с

Е2,

В

f,

Гц

TA,

oC

Xd*

Uун,

В

Uopm,

B

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Обозначения переменных в таблице:

1) – номер варианта исходных данных.

2) – типоразмер тиристора.

3)  Ia(av – номинальное среднее значение анодного тока, A.

4)  kf – коэффициент формы анодного тока.

5) –  типоразмер охладителя.

6)  RθSA – установившееся тепловое сопротивление охладителя, оС/Вт.

7)  v – скорость охлаждающего воздуха, м/с.

8)  Е2 – действующее значение питающей ЭДС, В.

9)  f – частота напряжения питающей сети, Гц.

10)  ТА – температура охлаждающей среды, оС.

11)  Xd* = Xd/Rd – относительная величина индуктивного сопротивления сглаживающего фильтра в контуре нагрузки.

12)  Uун – номинальная величина сигнала управления, В.

13)  Uopm – амплитуда опорного сигнала в системе управления.

2.2.2. Алгоритм расчета параметров схемы.

1. По информационным материалам изготовителей приборов и охладителей определяем следующие параметры:

1). UT(TO) – пороговое напряжение тиристора, В;

2). rT – динамическое сопротивление тиристора, Ом;

3). RθJC – установившееся тепловое сопротивление между полупроводниковой структурой и корпусом тиристора, оС/Вт;

4). RθCS – установившееся тепловое сопротивление между корпусом тиристора и контактной поверхностью охладителя, оС/Вт.

5). RθSA – установившееся тепловое сопротивление охладителя, оС/Вт.

2. Воспользовавшись приведенными ниже формулами, вычисляем:

1) – действующее значение анодного тока в номинальном режиме работы:

                                                       (2.6)

2) –  среднее значение мощности потерь в тиристорах в номинальном режиме работы:

                                          (2.7)

3) – полное установившееся тепловое сопротивление системы полупроводниковая структура –  охлаждающая среда:

                                                  (2.8)

4) – среднее значение температуры структуры тиристоров в номинальном режиме:

                                                 (2.9)

        5) – среднее значение тока нагрузки в номинальном режиме:

                                                       (2.10)

6) – среднее значение внутренней ЭДС выпрямителя при угле регулирования α = 0:

                                                   (2.11)

7) – среднее значение внутренней ЭДС при номинальном угле регулирования αн:

                                          (2.12)

8) – сопротивление нагрузки в номинальном режиме работы:

                                                            (2.13)

9) – амплитудное значение ЭДС питающей сети:

                                                 (2.14)

10) – индуктивное сопротивление сглаживающего реактора в номинальном режиме:

                                                         (2.15)

11) – индуктивность сглаживающего реактора в номинальном режиме

                                                              (2.16)

12) – постоянная времени контура нагрузки

                                                                  (2.17)

13) – угол регулирования, соответствующий граничному режиму работы (режиму предельно-непрерывного тока в нагрузке) согласно (2.4):

                                          (2.18)

14) – величина сигнала управления, соответствующая граничному режиму работы (режиму предельно-непрерывного тока в нагрузке) согласно (2.5):

                                                        (2.19)

2.2.3. Описание макета моделируемого выпрямителя

В дополнение к данным методическим указаниям рекомендуется при подготовке к лабораторной работе 2 ознакомиться также и с “Методическими указаниями по использованию программного обеспечения PSIM в лабораторной работе 2”.

В процессе выполнения лабораторной работы 2 необходимо будет создать модель, содержащую не только модель схемы силовых цепей выпрямителя, но и модель его системы управления.

Модель силовых цепей.

Возможный вариант модели силовых цепей управляемого выпрямителя однофазного тока, исследуемого в лабораторной работе 2 с использованием программного обеспечения PSIM, приведен на рис. 2.5.  

Формальное отличие эквивалентной схемы замещения на рис. 2.5 от аналогичной схемы неуправляемого выпрямителя, исследованного  в лабораторной работе 1, заключается в замене четырех диодов вентильного комплекта на четыре тиристора.

Модель системы импульсно-фазового управления.

Возможный вариант реализации описанного ранее алгоритма формирования импульсов управления тиристорами с использованием модулей программного обеспечения PSIM приведен на рис. 2.6.

Рис. 2.5. Модель схемы замещения силовых цепей управляемого выпрямителя однофазного тока

Рис. 2.6. Модель системы импульсно-фазового управления выпрямителя однофазного тока

В данной схеме:

  1.  – блоки GS и K формируют систему двух противофазных опорных сигналов синусоидальной формы с амплитудой Uopm = 10 B и частотой повторения 50 Гц, как это показано на рис. 2.4,б;
  2.  – блок GC формирует задание на величину сигнала управления;
  3.  –  блок ограничения BND ограничивает снизу и сверху подаваемый на его вход сигнал на заданных уровнях. Именно выходной сигнал блока BND и используется в качестве сигнала управления Uy, Изменяя величину сигнала управления, можно изменять величину угла регулирования α, а, следовательно, и среднее значение выпрямленного напряжения на выходных зажимах вентильного комплекта;
  4.  –  компараторы CMP1 и CMP2 вырабатывают положительные прямоугольные импульсы, передний фронт которых совпадает с моментами пересечения рабочих участков опорных сигналов uop1,2 и uop3,4, соответственно, с сигналом управления Uy (рис. 2.4,в эти моменты отмечены узкими импульсами, изображенными утолщенными линиями);
  5.  –  блоки памяти – триггеры TG1 и TG2 формируют “широкие” импульсы управления Fy1,2 и Fy3,4 длительностью 180 эл. град., которые поступают в качестве отпирающих импульсов на управляющие электроды тиристоров Т1, Т2 и Т3, Т4, соответственно.

2.3. Порядок выполнения лабораторной работы

2.3.1. Этап предварительной подготовки

1. Скопировать в свою рабочую папку шаблон sppplb2 модели силовых цепей и системы управления выпрямителя.

2. Задать параметры элементов в модели силовой схемы в соответствии с индивидуальными исходными данными.

3. Задать параметры элементов в модели системы управления в соответствии с индивидуальными исходными данными.

2.3.2. Режим активно-индуктивной нагрузки при Uy = Uyн

1) – задать номинальную величину сигнала управления Uy = Uун.

2) – запустить процесс моделирования.

3) – получить графическую информацию о мгновенных значениях

а) – ed и id;

б) – ia1 и ua1.

Документировать полученные графики в отчете.

4) – получить и оформить в виде таблицы численную информацию об интегральных параметрах ed, id, ua1 и ia1.

6) – проанализировать полученную графическую и числовую информацию, сопоставить полученные результаты с результатами аналитического расчета.

2.3.3. Режим активно-индуктивной нагрузки при Uy = 5 В

1) – задать величину сигнала управления Uy = 5 В.

2) – запустить процесс моделирования.

3) – получить графическую информацию о мгновенных значениях

а) – ed и id;

б) – ia1 и ua1.

Документировать полученные графики в отчете.

4) – получить и оформить в виде таблицы численную информацию об интегральных параметрах ed, id, ua1 и ia1.

5) – проанализировать полученную графическую и числовую информацию, сопоставить полученные результаты с результатами эксперимента п. 2.3.2.

2.3.4. Режим активно-индуктивной нагрузки при Uy = Uу(гр)

1) – задать величину сигнала управления Uy = Uу(гр).

2) – запустить процесс моделирования.

3) – получить графическую информацию о мгновенных значениях

а) – ed и id;

б) – ia1 и ua1.

Документировать полученные графики в отчете.

4) – получить и оформить в виде таблицы численную информацию об интегральных параметрах ed, id, ua1 и ia1.

5) – проанализировать полученную графическую и числовую информацию, сопоставить полученные результаты с результатами эксперимента п. 2.3.3.

2.3.5. Результаты моделирования системы управления

1) – задать величину сигнала управления Uy = 5 В.

3) – запустить процесс моделирования.

4) – получить графическую информацию о мгновенных значениях

а) – uop1, uop2 и Uy;

б) – F1,2 и F3,4;

в) – Fy1,2 и Fy3,4.

Документировать полученные графики в отчете.

5) – проанализировать полученную информацию, сопоставить ее с графическими построениями, приведенными на рис. 2.4.

2.3. Контрольные вопросы

  1.  Какие свойства тиристоров используются в схемах управляемых выпрямителей?
  2.  Сформулируйте условия включения и выключения однооперационного тиристора.
  3.  Поясните, почему для включения собственно тиристора достаточно использовать “узкий” импульс управления?
  4.  Каким образом определяется величина среднего значения температуры структуры тиристора?
  5.  Что представляет собой приводимый в информационных материалах на тиристоры параметр ITAVm?
  6.  Что представляет собой приводимый в информационных материалах параметр ITRMS?
  7.   Поясните, какой вид имеет эквивалентная схема замещения тиристора в состоянии высокой проводимости? Какие параметры ее характеризуют?
  8.  Начертите эквивалентную электрическую схему замещения управляемого выпрямителя однофазного тока, работающую на активно-индуктивную нагрузку.
  9.  Поясните, что подразумевается под понятием “режим прерывистого тока нагрузки” управляемого выпрямителя?
  10.  Поясните, что подразумевается под понятием “режим непрерывного тока нагрузки” управляемого выпрямителя?
  11.  Поясните процесс формирования кривой обратного напряжения на тиристоре в управляемом выпрямителе, работающем на активно-индуктивную нагрузку при угле регулирования α = 60о.
  12.  Поясните функциональное назначение системы импульсно-фазового управления в управляемых выпрямителях.
  13.  Поясните, какой блок в модели системы импульсно-фазового управления, и каким образом определяет моменты времени, когда начинают формироваться импульсы управления для тиристоров T1и T2?
  14.  Поясните, с какой целью в состав системы управления вводится блок ограничения величины сигнала управления?
  15.  Поясните, каким образом импульсы управления передаются из СИФУ на управляющий электрод, например, тиристора Т4?
  16.  Поясните характер связи между величиной угла регулирования и величиной сигнала управления Uy в системе импульсно-фазового управления, модель которой реализована в лабораторной работе 2.

Литература.

1. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебное пособие. – Изд. 2-е, испр. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – 664 с.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1982. – 496 с.

3 .Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. – М.: Высшая Школа, 1980. – 424 с.

4. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцова. – М.; Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

Информация в электронном виде на сервере кафедры

1. Методические указания к лабораторной работе 1 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”. 2009. Составил: Р.Я. Заболев.

2. Методические указания по использованию программного обеспечения PSIM в лабораторной работе 1 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”. 2009. Составил: Р.Я. Заболев.

3. Методические указания к лабораторной работе 2 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”. 2009. Составил: Р.Я. Заболев.

4. Методические указания по использованию программного обеспечения PSIM в лабораторной работе 2 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”. 2009. Составил: Р.Я. Заболев.

5. Справочная информация по тиристорам.

----------------------------------------------------------------------------------------------


СППП. Лабораторное  занятие 2. Методические указания. Составил: Заболев Р.Я. 2012


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50848. Цена деления гальванометра 44 KB
  Коэффициент взаимной индукции убывает с увеличением расстояния l т. поле одного витка первой катушки убывает с расстоянием по закону. При том же токе I1 поток магнитной 2 через витки второй катушки убывает с расстоянием между катушками.