12813

Исследование трёхфазных схем выпрямления

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №5 Исследование трёхфазных схем выпрямления 1. Цель работы. Изучение принципа действия трёхфазных однотактной и мостовой схем выпрямления. Экспериментальное исследование их характеристик и особенностей схемотехнических реализаций. 2. Под

Русский

2013-05-03

798 KB

73 чел.

Лабораторная работа №5

«Исследование трёхфазных схем выпрямления»

1. Цель работы.

Изучение принципа действия трёхфазных однотактной и мостовой схем выпрямления. Экспериментальное исследование их характеристик и особенностей схемотехнических реализаций.

2. Подготовка к работе.

2.1. С помощью рекомендуемой в данном методическом пособии литературы [1-4] и приложения  к лабораторной работе  подготовьте теоретический материал по следующим вопросам:

- общие сведения и особенности схемотехнического построения трансформаторно - выпрямительных устройств;

- принцип действия выпрямительных устройств, питающихся от трёхфазной сети переменного тока;

- процессы функционирования исследуемых многофазных схем выпрямления при различных видах нагрузки;

- особенности лабораторной установки (смотри пункт 7).

2.2. Ознакомьтесь с методическими указаниями к данной лабораторной работе.

2.3. Подготовьте бланки отчёта, где приведите информацию, необходимую  в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

2.4. Рассмотрите назначение каждого элемента схемы выпрямления, цель каждого опыта, ожидаемые результаты.

2.5. Ответьте на контрольные вопросы.

2.6. Подготовьте осциллограф к работе в режиме непрерывной развертки с «закрытым входом», с синхронизацией от сети в диапазоне 10-50 Гц.

3. Контрольные вопросы.

3.1. Почему в многофазных схемах выпрямления предпочтительным является индуктивный характер нагрузки?

3.2. Каковы формы токов во вторичных и первичных обмотках трансформаторов трехфазной схемы выпрямления, имеющей нагрузку индуктивного характера?

3.3. Какова форма токов во вторичных и первичных обмотках трансформаторов для шестифазной мостовой схемы выпрямления, имеющей нагрузку индуктивного характера?

3.4. Какое влияние оказывает индуктивность рассеяния трансформатора на форму токов во вторичных обмотках и форму выходного напряжения? Поясните ответ на примере трехфазной однотактной схемы выпрямления, имеющей нагрузку индуктивного характера.

3.5. Какова форма выпрямленного напряжения на нагрузке трехфазной мостовой схемы выпрямления (схемы Ларионова)?

3.6. Дайте пояснения графикам внешних характеристик трехфазных схем выпрямления.

3.7. Как определяется КПД для исследуемых схем выпрямления и можно ли его определить опытным путем, используя лабораторную установку?

3.8. Как определяется коэффициент использования по мощности первичной, вторичной обмотки, а также всего трансформатора в каждой из схем выпрямления при нагрузке индуктивного характера?

  1.  По каким параметрам выбираются диоды для многофазных схем выпрямления?
    1.   Дайте сравнительную оценку по основным параметрам и показателям качества исследуемых схем выпрямления.

  1.  Содержание работы

4.1. Подготовьте теоретический материал по рекомендованной литературе.

4.2. Проведите исследования процессов функционирования трехфазных схем выпрямления.

4.3. Исследуйте внешние характеристики и определите коэффициенты использования по мощности трансформатора многофазных схем выпрямления.

4.4. Обработка опытных данных.

Пользуясь данными опытов по пункту 4.3, рассчитайте и постройте графики, а также выполните анализ следующих параметров и зависимостей:

  •  внешние характеристики исследуемых схем выпрямления;
  •  коэффициенты использования по мощности первичной, вторичной обмоток и трансформатора в целом при нагрузках активного и индуктивного характера.

  4.5. По результатам лабораторной работы необходимо сделать выводы.

  1.  Содержание отчета

Отчет о проделанной работе должен содержать:

5.1. Принципиальную электрическую схему трехфазных выпрямительных устройств.

5.2. Технические данные использованных в работе измерительных приборов.

5.3. Таблицы с результатами измерений и расчетов.

5.4. Осциллограммы токов и напряжений в основных ветвях схем выпрямления при нагрузке активного и индуктивного характера в едином временном масштабе.

5.5. Графики внешних характеристик исследуемых многофазных схем выпрямления, выполненные по данным пункта 4.3.

5.6. Выводы и сравнительную характеристику полученных результатов по пунктам 4.2, 4.3, 4.4.

  1.  Методические указания по выполнению

лабораторной работы

6.1. Порядок изучения теоретических вопросов (к пункту 4.1).

Изучите особенности схемотехнического исполнения и органов управления лабораторной установки (смотри пункт 7). Проведите анализ схемы установки и режимов её работы, предназначенных для исследования трёхфазных схем выпрямления.

Перед выполнением работы получите у преподавателя контрольные вопросы по изучаемому материалу и подготовьте ответы на них. Уточните у преподавателя форму и объём их представления в отчёте.

Примечание: Не допускается дальнейшее выполнение лабораторной работы без разрешения преподавателя. Условием допуска к выполнению  работы является знание особенностей схемотехнического исполнения лабораторной установки (смотри пункт 7).

На передней панели и в описании работы используются следующие обозначения:

U0, I0                – выпрямленные напряжение и ток нагрузки;

U1, I1, U2, I2 – действующие значения напряжений и токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора выпрямителя, причём I1 – действующее значение первичного тока без учёта тока холостого тока;

Р0               – мощность постоянного тока на выходе выпрямителя;

S1, S2, Sтр   – полные габаритные мощности соответственно первичных, вторичных обмоток и всего трансформатора;

K1, K2, Kтр – коэффициенты использования соответственно первичной, вторичной обмоток и всего трансформатора;

LH, RH         – индуктивность и активное сопротивление нагрузки.

6.2. Исследование процессов функционирования многофазных схем выпрямления (К пункту 4.2).

С помощью осциллографа в гнёздах макета можно наблюдать следующие осциллограммы напряжений и токов:

ХS1 - XS2 - осциллограмма тока вторичной обмотки трансформатора TV;

XS2 - XS3 - осциллограмма обратного напряжения на диоде VD2;

XS3 - XS4 - осциллограмма выпрямленного тока;

XS4 - XS5 - осциллограмма выпрямленного напряжения.

Примечание: При наблюдении осциллограмм токов роль измерительных резисторов (датчиков тока) выполняют сопротивления обмоток амперметров РА2 и РА3.

Для исследования процессов функционирования многофазных схем выпрямления необходимо переключателем SA2 установить одну из схем выпрямления (положению вверх, «3ф» - соответствует трёхфазная однотактная схема выпрямления, положению вниз, «6ф» –двухтактная трёхфазная схема Ларионова). С помощью переключателя SA3 выбрать вид нагрузки (положению вверх или «Lн» соответствует индуктивный характер нагрузки, положению вниз или «Rн» - активный). Осциллограммы процессов зарисовать при значении тока нагрузки, равном 0,75 от максимального

6.2.1. Исследование трёхфазной однотактной схемы выпрямления (к пункту 4.2).

Активный характер нагрузки.

Установите переключатель SA3 в нижнее положение «Rн», соответствующее активному характеру нагрузки (L = 0). Включите макет выключателем сети SA1, установив его в положение «Сеть». С помощью переключателей SA4 - SA18 установите по амперметру максимальную величину нагрузки схемы выпрямления. Зарисуйте осциллограммы, подключая осциллограф последовательно к парам гнёзд XS1…XS5. При этом следует добиваться размеров изображения по вертикали не более двух третей от рабочей высоты маски экрана. По горизонтали, то есть оси времени, должно быть 1,5 - 2 периода наблюдаемого процесса. При наблюдении процессов используйте “закрытый вход” осциллографа. Изображая осциллограмму в отчёте, необходимо учитывать постоянную составляющую.

Индуктивный характер нагрузки.

Для индуктивного характера нагрузки установите переключатель SA3 в верхнее положение «Lн», соответствующее индуктивному характеру нагрузки (L > 0, R > 0). Дальнейшие исследования выполняются аналогично вышеизложенному для активной нагрузки. Зарисуйте осциллограммы.

6.2.2. Исследование трёхфазной мостовой схемы выпрямления (схемы Ларионова).

Переведите переключатель SA2 в положение 2 «6ф». Переключателем SA3 устанавливается соответствующий вид нагрузки. Выполните исследования аналогично по методике, приведённой в пункте 6.2.1.

6.3. Исследование внешних характеристик и коэффициентов использования по мощности трансформатора трёхфазных схем выпрямления (к пункту 4.3).

6.3.1. Исследование внешних характеристик схем выпрямления.

Внешняя характеристика схемы выпрямления представляет собой зависимость U0= f (I0)  при Uc= const, где U0 и I0 - напряжение и ток нагрузки.

Так как на входе макета нет регулирующих устройств, изменяющих величину напряжения сети, то условие Uc= const обеспечивается всегда.

Начиная с режима холостого хода выпрямителя, и последовательно наращивая число включенных переключателей SA4 - SA18, увеличивайте ток нагрузки в исследуемой схеме выпрямления. Для каждого значения тока нагрузки (измеряемого с помощью амперметра РА3) регистрируйте показания вольтметра PV2, а данные занесите в таблицу 5.1. Измерения необходимо производить в диапазоне изменения тока нагрузки от 0 до максимального значения.

Таблица 5.1.

№ п/п

3-х фазная однотактная схема

Вид нагрузки

Трёхфазная мостовая схема Ларионова

Вид нагрузки

Активная (R)

Индуктивная (RL)

Активная (R)

Индуктивная (RL)

I0,A

U0,B

I0,A

U0,B

I0,A

U0,B

I0,A

U0,B

1

2

.

.

.

6.3.2. Исследование коэффициентов использования по мощности трансформатора (К пункту 4.3).

Коэффициент использования по мощности первичной обмотки, вторичной, а также всего трансформатора определяется в каждой из схем выпрямления для нагрузки активного и индуктивного характера. При этом необходимо установить максимальную величину тока нагрузки, зарегистрировать показания приборов I0, U0, I1, I2, U2 и данные занести в таблицу 5.2. Расчёт коэффициентов производится по формулам, приведённым в таблице 5.2.

Примечание:

1)Фазное напряжение первичной обмотки во всех случаях считать равным 220В.

2) Из показаний прибора РА1 (тока I1) надо вычитать значение тока холостого хода трансформатора, равное примерно 70 мА, при этом в таблицу заносятся значения I1*- первичного тока без учёта тока холостого хода, т.е. I0*=I0-70mA.

Коэффициенты использования по мощности первичной, вторичной обмоток и всего трансформатора определяются по выражениям, приведённым в таблице 9.2.

6.4. Обработка опытных данных (К пункту 4.4).

По данным таблицы 5.1. построить в единой координатной системе внешние характеристики исследуемых схем выпрямления.

Таблица 5.2.

Измеренные и рассчитанные значения

3-х фазная

однотактная схема

3-х фазная

мостовая схема

Активная нагрузка (R)

Индуктив. нагрузка (RL)

Активная нагрузка (R)

Индиктив. нагруз. (RL)

I0, A

U0, B

I1*, A

U1, B

I2, A

U2, B

P0=U0  I0, Вт

S1=3U1 I1*, BA

S2=3U2 I2, BA

Sтр=(S1+S2)/2, BA

K1=P0/S1

K2=P0/S2

Kтр=P0/Sтр

220

220

220

220

Коэффициенты использования по мощности первичной обмотки трансформатора К1, вторичной К2, и всего трансформатора Ктр в схеме выпрямления определяются по формулам:

                 К1=P0/ S1;       K2=P0/ S2;       Kтр=P0/ Sтр,

где P0= U0 I0 - мощность постоянных составляющих напряжения и тока на выходе схемы выпрямления;  Sтр= (S1+S2) / 2- габаритная мощность трансформатора;  S1= 3U1I1* - габаритная мощность первичной обмотки трансформатора;  S2= 3U2I2 - габаритная мощность вторичной обмотки трансформатора;  U1, I1, U2, I2 - действующие значения напряжений и токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

6.5. Выводы по результатам исследований схем выпрямления (к пункту 4.5).

По полученным результатам исследований многофазных схем выпрямления необходимо сформулировать выводы. В этих выводах следует отразить:

1) Особенности процессов функционирования каждой схемы со ссылкой на приведённую осциллограмму;

2) Результаты сопоставления и анализа схем выпрямления по внешним характеристикам, полученным экспериментально (чем отличаются и почему);

3) Результаты сопоставления и анализа схем выпрямления по коэффициентам использования трансформатора.

7. Особенности лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой устройство для экспериментального исследования трёхфазных однотактной и двухтактной мостовой схем выпрямления (смотри рис.5.1).В качестве силового трансформатора используется трёхфазный трансформатор 380/36 В, включенный по схеме Y/Y. Установка  включается с помощью тумблера SА1 (положение “вверх”), расположенного в левом нижнем углу лицевой панели макета. Там же расположены гнезда трёх предохранитей макета: FU1 – FU3.

Установка содержит переключатели, задающие тип исследуемого выпрямителя и режимы работы выпрямителя:

- SA2 – тумблер переключения схемы выпрямления: в положении 1 или вверх подключается трёхфазный выпрямитель, в положении 2 – шестифазный выпрямитель (схема Ларрионова).

- SA3 – тумблер изменения характера нагрузки путём подключения дросселя (в положении 1, когда тумблер замкнут, дроссель отключен, в положении 2 или вверх тумблер разомкнут, а дроссель подключен);

- SA4 – SA18 – тумблеры подключения и регулирования активной нагрузки, в качестве которой используются лампы накаливания LH1 – LH15 (положение 1 или вверх, когда тумблер замкнут, соответствует подключению той или иной лампы).

На лицевой панели стенда расположены измерительные приборы, среди которых амперметры находятся в верхнем

ряду. Посредством амперметров РА1 и РА2 производится измерение действующего значения токов соответственно первичной и вторичной обмоток одной и той же фазы трансформатора. Ток в нагрузке измеряется с помощью амперметра РА3. Вольтметры расположены в нижнем ряду по краям панели. Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора измеряется с помощью вольтметра РU1, а выпрямленное напряжение на нагрузке измеряется с помощью вольтметра PU2.

На передней панели лабораторной установки имеются гнёзда для наблюдения следующих параметров:

XS1 – XS2 – ток вторичной обмотки трансформатора;

XS3 – XS4 – средний выпрямленный ток в нагрузке;

XS4 - XS5 – напряжение на нагрузке выпрямителя.

8. Приложение

Система трёхфазного тока и трёхфазные

выпрямители

   Системы трёхфазного напряжения или тока используют для передачи и преобразования электрической энергии средней и большой мощности, а также для электропитания мощных выпрямительных устройств с нагрузкой индуктивного характера. Трёхфазная система позволяет получить определённые преимущества в части экономии материалов проводников, и электроэнергии.

На рисунке 5.2 показана диаграмма трёхфазных напряжений. Трёхфазная система напряжений представляет собой совокупность трёх однофазных синусоидальных напряжений одинаковой амплитуды и частоты, сдвинутых относительно друг друга на треть периода (2 /3 = 1200). Фазные напряжения, то есть напряжения фаз относительно общего, нулевого провода и фазные токи принято обозначать UФ, IФ. Напряжения и токи между фазными выводами называются линейными  и обозначаются UЛ, IЛ. На рисунке 5.2 Uф =UА =UВ =UC, UЛ =UСА.

Широко распространена система трёхфазного напряжения величиной 380 В или 0,4 кВ (в обозначении указывается действующее значение линейного напряжения), для которой фазное напряжение Uф=220В.

В трёхфазных трансформаторах принято маркировать обмотки на стороне высокого напряжения прописными буквами «А», «В» и «С» - начала обмоток, концы - «X», «Y» и «Z», а на стороне низкого напряжения – строчными «а», «в» и «с» - начала обмоток, концы - «x», «y» и «z».

Обмотки трансформаторов включаются по схеме “звезда” или “ треугольник”, как показано на рис. 5.3.

При соединении «звездой» фазные токи равны линейным, а напряжения UЛ = UФ  (смотри рис.5.4).

В случае соединения «треугольником» фазные напряжения равны линейным, а для токов справедливо следующее соотношение IЛ = IФ.

Полная мощность S трёхфазной системы и её составляющие: активная P и реактивная Q, равны сумме соответствующих фазных мощностей.

Принципиальная электрическая схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя изображена на рис. 5.5.

Выпрямленное напряжение в таком выпрямителе представляется в виде огибающей напряжений всех фаз вторичных обмоток трансформатора.

Приведённая схема выпрямителя редко применяется из-за сравнительно большого коэффициента пульсаций КП1 = 0,25 по первой гармонике, имеющей частоту fП1= 150 Гц и подмагничивания магнитопровода трансформатора.

Диаграммы напряжений и токов в характерных точках схемы выпрямителя приведены на рисунке  5.6 для случая индуктивной нагрузки. При этом токи в фазных обмотках трансформатора имеют практически прямоугольную форму при L  .

На практике наиболее распространена схема трёхфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова), изображённая на рис. 5.7. Диаграммы напряжений и токов в такой схеме (для активной нагрузки) приведены на рисунке 5.8.

В промежутке времени Т/3 = 2/3 открыт один из вентилей выпрямителя (например VD1), на аноде которого наиболее положительное напряжение. В течение указанного интервала с другой стороны по отношению к нагрузке оказываются открытыми поочерёдно вентили VD4 и VD6, так как на их катодах будет наиболее отрицательное напряжение. Ток во вторичной Ia и первичной IA обмотках трансформатора будет симметричен относительно нуля и подмагничивание магнитопровода отсутствует.

Схема Ларионова состоит из двух однотактных трехфазных выпрямителей, входы которых соединены последовательно. Они используют одну общую для них трехфазную обмотку трансформатора, а выпрямленные выходные напряжения сдвинуты по фазе на 180˚.

Один выпрямитель состоит из трехфазной вторичной обмотки трансформатора и вентилей VD1, VD3, VD5.  Его выходное напряжение - огибающая полуволны напряжений Uа, Ub, Uс, изображенных на рис. 5.8 сплошными линиями выше оси ωt.

Другой выпрямитель состоит из тех же  обмоток и вентилей VD2, VD4, VD6. Выходное напряжение  второго выпрямителя тоже представляет собой огибающую  тех же полуволн напряжений, но изображенных на рис. 5.8 пунктирными линиями выше оси ωt после  сдвига их по фазе на 180˚ при работе выпрямителя на общую нагрузку Rн.  

В результате общая огибающая выпрямленных напряжений обоих выпрямителей на нагрузке Rн изображена на рис. 5.8 выше оси ωt в виде  шести полуволн со средним значением выходного напряжения U0.  

Очевидно, что частота пульсаций в таком выпрямителе составит величину 300 Гц, и КП1 = 0,057.

 

А

В

С

ис. 5.1. Принципиальная схема стенда трёхфазных схем выпрямления

Рис. 5.2. Диаграмма трёхфазных напряжений

Рис. 5.4. Векторная диаграмма в случае соединения "звездой"

Рис.5.3.Соединение обмоток "звезда-треугольник"

Рис. 5.5. Схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя

Рис. 5.6. Диаграммы напряжений и токов трёхфазного выпрямителя: Iа -ток во вторичной обмотке, IА - первичный ток фазы А

Рис.5.7. Схема Ларионова

Рис.5.8. Диаграммы токов и напряжений для схемы Ларионова

a

b

c

I

I

I

0

0

0

2/3

1/3

U

2

U

2m

U

0

t

t

t

T=2

I

I

a

A

U0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80144. Бюджетный процесс в РФ 289 KB
  В них регламентирован весь цикл формирования бюджета от момента его составления до момента утверждения отчета об его исполнении порядок и последовательность вступления в бюджетные правоотношения различных субъектов участников этих правоотношении на разных стадиях бюджетного процесса. Бюджетный процесс это регламентированная нормами процессуального бюджетного права деятельность государства и муниципальных образований по составлению рассмотрению и утверждению бюджета его исполнению и заключению а также составлению и утверждению отчета о...
80145. БЮДЖЕТНЫЙ ФЕДЕРАЛИЗМ 171 KB
  Как будет показано ниже в практике российского бюджетного федерализма трансферту придается более узкий смысл как денежному потоку из фондов финансовой помощи субъектам Российской Федерации. Структуры местного самоуправления города районы поселки муниципальные территории не вступают в отношения федерализма ни с федеральным центром ни с органами власти субъектов Российской Федерации. Поэтому по юридическому и политическому смыслу их бюджетные связи с органами государственной власти нельзя трактовать в аспектах отношений субъектов...
80146. ВАЛЮТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ 192 KB
  Валюта Российской Федерации это: а находящиеся в обращении а также изъятые или изымаемые из обращения но подлежащие обмену рубли в виде банковских билетов банкнот Центрального банка РФ и монеты; б средства в рублях на счетах в банках и иных кредитных учреждениях в Российской Федерации; в средства в рублях на счетах в банках и иных кредитных учреждениях за пределами Российской Федерации на основании соглашения заключаемого Правительством РФ и Центральным банком РФ с соответствующими органами иностранного государства об использовании...
80147. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ФИНАНСОВО-ПРАВОВЫХ НОРМ 53.5 KB
  Как и любая другая норма права финансовоправовая норма представляет собой установленное и охраняемое государством правило поведения участников общественных отношений выраженное в их юридических правах и обязанностях. Особенности финансовоправовой нормы обусловлены тем что она в отличие от норм других отраслей права регулирует отношения возникающие в процессе планового образования распределения и использования государством и органами местного самоуправления финансовых ресурсов необходимых им для осуществления своих задач. Это...
80148. ВИДЫ ФИНАНСОВОГО КОНТРОЛЯ 53.5 KB
  Одним из важнейших принципов контроля в государстве является финансовый контроль. Финансовый контроль в России особенно актуален в период перехода от командноадминистративных к рыночным формам управления экономикой. По мере развития рыночной экономики тем более с усилением ее социальной ориентации контрольнофинансовые функции государства все более усложняются все большее число функций по защите финансовых прав и интересов граждан ложится на плечи государства.
80149. ПРАВОВОЙ РЕЖИМ ГОСУДАРСТВЕННЫХ ВНЕБЮДЖЕТНЫХ ФОНДОВ 99.5 KB
  Бюджеты государственных внебюджетных фондов Российской Федерации рассматриваются и утверждаются Федеральным Собранием в форме федеральных законов одновременно с принятием федерального закона о федеральном бюджете на очередной финансовый год. Проекты бюджетов территориальных государственных внебюджетных фондов представляются органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации одновременно с представлением проектов законов субъектов Российской Федерации о бюджете на очередной финансовый год и утверждаются одновременно с принятием...
80150. СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО КРЕДИТА 131 KB
  Функционирование системы государственного кредита ведет к образованию государственного долга. Под управлением государственным кредитом в узком смысле понимается совокупность действий связанных с подготовкой к выпуску и размещению долговых обязательств государства регулированию рынка государственных ценных бумаг обслуживанию и погашению государственного долга представлению кредитов и гарантий. Рефинансирование государственного долга погашение старой государственной задолженности путем выпуска новых займов; 3. Аннулирование...