12818

Исследование однофазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

Лабораторная работа

Энергетика

Лабораторная работа №10 Исследование однофазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя 1.Цель работы Знакомство с построением и принципом действия снятие основных характеристик однофазного двухполупериодного тиристорного управляемого выпрямител...

Русский

2013-05-03

2.7 MB

115 чел.

Лабораторная работа №10

«Исследование  однофазного двухполупериодного

тиристорного выпрямителя»

1.Цель работы

Знакомство с построением и принципом действия, снятие основных характеристик однофазного двухполупериодного тиристорного (управляемого) выпрямителя.

2. Подготовка к работе

2.1. Изучить тему по литературе [1 - 5] и приложениям к данной лабораторной работе

- особенности схемотехнической реализации однофазных тиристорных выпрямителей (см. п.8 Приложение);

- особенности схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. п. 7 методических указаний).

2.2. Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе.

2.3. Подготовить бланк отчета, где привести информацию, необходимую в дальнейшем для выполнения лабораторной работы.

2.4. Ответить на контрольные вопросы.                                       

   

3. Контрольные вопросы

3.1. Каковы принцип действия и основные характеристики управляемого кремниевого вентиля - тиристора?

3.2. Объясните назначение функциональных элементов схемы управления тиристорами.

3.3. Каким основным требованиям должна удовлетворять система управления тиристорами?                              

3.4. Что такое угол регулирования? Дайте пояснения семейству регулировочных  характеристик тиристорного выпрямителя.

3.5. Как влияет характер нагрузки схемы тиристорного выпрямителя на величину и форму выходного напряжения и его регулировочную характеристику?

3.6. Дайте пояснения семейству внешних характеристик управляемого выпрямителя.

3.7. Каковы особенности работы тиристорного выпрямителя на индуктивную нагрузку по сравнению с активной?

3.8. Как и почему влияет обратный диод в схеме тиристорного выпрямителя на величину коэффициента пульсаций?

3.9. Изобразите и поясните временные диаграммы токов и напряжений тиристорного выпрямителя с включенным обратным диодом.

3.10. Почему с увеличением угла регулирования коэффициент мощности (cos) тиристорного выпрямителя падает? К чему это приводит?

3.11. Каковы достоинства и недостатки управляемых тиристорных выпрямителей?   

4. Содержание работы

4.1. Изучить теоретический материал по рекомендуемой литературе и приложению п.8.

4.2. Снять семейство регулировочных характеристик тиристорного выпрямителя без включения обратного диода при  работе его на активную и индуктивную нагрузки.

4.3. Снять семейство внешних характеристик тиристорного выпрямителя для тех же случаев нагрузки.

4.4. Зарисовать осциллограммы выпрямленного напряжения на выходе тиристорного моста при углах регулирования 30°, 90° ,150° в случае активной и  индуктивной нагрузок в схеме тиристорного выпрямителя без  обратного диода и с включенным обратным диодом.

4.5. Произвести измерение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения при различных значениях угла регулирования  (30°, 90°, 150°) для случаев активной и индуктивной нагрузок в схеме тиристорного выпрямителя без  обратного диода и с включенным обратным диодом.

5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

5.1 Принципиальную схему силовой части однофазного мостового тиристорного выпрямителя;

5.2 Таблицы измерений и вычислений;

5.3 Графики характеристик, построенных по результатам измерений и расчетов;

5.4 Осциллограммы напряжений по п. 4.4 содержания работы;

5.5 Заключение и выводы по результатам работы.

6. Методические указания по выполнению

лабораторной работы 

6.1 Порядок изучения теоретических вопросов

К пункту 4.1. Изучить особенности схемотехнической реализации однофазных тиристорных выпрямителей (см. п.8 методических указаний). Изучить особенности схемотехнического исполнения лабораторной установки (см. п.7 методических указаний). Получить у преподавателя контрольные вопросы по изучаемому материалу и подготовить ответы на них.

К пунктам 4.2 – 4.5. Принципиальная схема лабораторного макета (его передняя панель) изображена на рис. 10.1.

Включение макета в работу осуществляется тумблером S1. Тумблеры S2 и S4 позволяют реализовать работу однофазной мостовой схемы выпрямления на активную или индуктивную нагрузки. Тумблер S3 позволяет реализовать схемы тиристорного выпрямителя без обратного диода и с включением обратного диода.

Величина сопротивления нагрузки меняется с помощью включения тумблеров (ключей) коммутатора нагрузки «Нагрузка» (см. макет лабораторной работы).

Управление схемой (изменение угла регулирования «» для тиристоров) осуществляется с помощью потенциометра «управление», ручка которого выведена на лицевую панель макета. Значение угла регулирования следует отсчитывать не по круговой шкале изменения «» от 30° до 180°, которая является приближенной, а по экрану осциллографа, подключаемого на выходе тиристорного выпрямителя в гнезда «Гн 1».

Средние значения выпрямленного напряжения и тока на выходе тиристорного выпрямителя измеряются вольтметром PU1 и амперметром РА1. Переменную составляющую выпрямленного напряжения измеряет вольтметр переменного тока PU2, подключаемый к разъему на правой стенке корпуса макета (Ш1).

Перед включением макета подключить к нему осциллограф и ламповый вольтметр переменного тока. Включить макет с помощью ключа S1 к сети 220 В. Ручку регулятора «управление» повернуть влево до упора. На экране осциллографа добиться устойчивого изображения исследуемых кривых, так, чтобы полупериод выпрямленного напряжения занимал на шкале осциллографа целое число масштабных клеток, четное и не менее четырех.

Для снятия регулировочных и внешних характеристик тиристорного выпрямителя необходимо:

  •  задать характер нагрузки выпрямителя (начинать надо со случая активной нагрузки);
  •  задать величину сопротивления нагрузки (с помощью ключей коммутатора нагрузки, начиная с замкнутого верхнего ключа);
  •  с помощью регулятора " управление", начиная от , изменять величину угла регулирования, выставляя его значения в 30°, 60° и т.д.
  •  записывать показания приборов РU1 (U0), РА1 (I0) и вольтметра PU2 переменного напряжения (U~).

Повторить измерение для случая включения двух, трех и т.д. ключей коммутатора нагрузки (варианты 1,2,3,4 таблицы 10.1). Данные занести в табл.10.1.

Таблица 10.1.

№ варианта нагрузки

Величина нагрузки

Угол регулирования «»

U0

В

I0

А

U~

мВ

КП

%

1

2

3

4

5

6

1

Замкнут один ключ коммутатора нагрузки

2,  3

…………

4

Замкнуты  все ключи коммутатора нагрузки

Результаты измерений (табл.10.1) позволяют построить:

1. Семейство регулировочных характеристик выпрямителя  при Rн=const (замкнут один, два … ключа коммутатора нагрузки, т.е. для вариантов № 1-4 табл. 10.1);

2. Семейство внешних характеристик , (=30°,60° и т.д.);

3. Зависимость коэффициента пульсации выпрямленного напряжения от угла регулирования Кп=f(α) при Rн=const (для варианта №4 табл. 10.1, т.е. при замкнутом состоянии всех ключей коммутатора нагрузки), где Кп=U~/U0.

Зарисовать с экрана осциллографа кривые выпрямленного напряжения при =30°, 90° и 150° при замкнутом состоянии всех ключей коммутатора нагрузки (вариант №4 табл. 10.1).

Таблицу 10.1 следует заполнить дважды. Один раз для случая активной нагрузки (тумблер S2 замкнут, тумблеры S3, S4 - разомкнуты), другой раз для случая индуктивной нагрузки (тумблер S2 разомкнут, тумблеры S3, S4 - разомкнуты). Оба эти случая соответствуют работе тиристорного выпрямителя без включения обратного диода (тумблер S3 - разомкнут).

Для определения коэффициента пульсации КП и зарисовки осциллограмм выпрямленного напряжения для случая включения обратного диода следует заполнить пункты  таблицы 10.1 еще два раза только 2, 3, 5, 6 при варианте замкнутого состояния всех ключей коммутатора нагрузки  (вариант №4 табл. 10.1).

Первый раз должен соответствовать активной нагрузки, второй – индуктивной.

Таким образом, в отчете по лабораторной работе должен быть представлены таблицы и построены графики для следующих случаев:

I. Для тиристорного выпрямителя без обратного диода для активной и индуктивной нагрузок:

  1.  регулировочные характеристики: U0=f () при Rн=const для всех четырех вариантов нагрузок таблицы 10.1;
  2.  внешние характеристики: U0=f () при α =30°, 60°, 90°, 120°, 150° (для каждой характеристики =const);
  3.  зависимость коэффициента пульсаций от угла регулирования Кп=f(α) при Rн=const для случая варианта №4 таблицы 10.1.
  4.  зарисовать с экрана осциллографа кривые выпрямленного напряжения при α =30°, 90°, 150° для случая варианта №4 таблицы 10.1.

II. Для тиристорного выпрямителя в случае включения обратного диода для активной и индуктивной нагрузок варианта №4 табл.10.1:

  1.   Кп=f(α) при Rн=const аналогично пункту 3 (I.3);
  2.   зарисовать с экрана осциллографа кривые выпрямленного напряжения аналогично пункту 4 (I.4).

7. Особенности лабораторной установки

Передняя панель лабораторной установки изображена на рис. 10.1. Лабораторная установка питается от сети переменного тока 220 В. Включение установки осуществляется с помощью тумблера «ВКЛ», «S1», расположенного в левой верхней части лицевой панели макета. Предохранителm F1, включаемыq в первичную обмотку силового трансформатора, располагаются в гнездах правее тумблера S1 «ВКЛ». Внутри лабораторного макета имеется силовой трансформатор TU с двумя вторичными обмотками, однофазный двухполупериодный тиристорный выпрямитель, собранный по однофазной мостовой схеме Гретца с использованием двух тиристоров (V2, V4) и двух обычных диодов (V1, V3). Такой мостовой выпрямитель имеет меньшее число тиристоров, так как при последовательном соединении тиристора и диода для управления достаточно включить один тиристор. В первый полупериод переменного напряжения питания (при положительном потенциале на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора) открытыми являются V1 и V4 и первый полупериод выпрямленного напряжения протекает через LC-фильтр и нагрузку.

Во второй полупериод открытыми являются V2 и V3, обеспечивая протекание тока через нагрузку в том же направлении. Другая обмотка осуществляет питание схемы управления.

Выходной ток тиристорного выпрямителя (ток нагрузки) ступенчато меняется включением тумблеров коммутатора нагрузки, расположенным в крайней  правой части лицевой панели макета и измеряется амперметром РА1, а выходное напряжение (постоянная составляющая) вольтметром PU1, расположенными в верхней правой части лицевой панели макета.

Индуктивность фильтра L может быть шунтирована тумблером S2 (положение тумблера «вверх»), емкость фильтра С включается тумблером S4  (положение тумблера «вверх»). Обратный диод VD включается тумблером S3 (положение тумблера «вверх»).

Таким образом при чисто активной нагрузке и отключенном обратом диоде, тумблер S2 включен (положение «вверх»), тумблер S4 – разомкнут (положение «вниз»), тумблер S3 – разомкнут (положение «вниз»).

Плавное изменение угла регулирования , а значит и величины выходного напряжения, осуществляется с помощью специальной импульсно-фазовой системы управления, упрощенно  показанной в виде структурной схемы в нижней части лицевой панели макета (рис. 10.1).

Короткие прямоугольные импульсы, отпирающие тиристор, изображенные на рис. 10.6 пунктиром со сдвигом на величину угла регулирования «», формируются в нуль-органе или компараторе (например, на базе обычного операционного усилителя на выход которого включается дифференцирующая RC-цепочка).

Такой компаратор изображается на упрощенной структурной схеме рис.10.1 в виде релейного элемента.

На один вход релейного элемента подается пилообразное напряжение с генератора «Г», синхронизированного частотой сети 50 Гц сигналом с блока «Синхронизация», а на другой вход – напряжение смещения, которое может плавно регулироваться с помощью переменного резистора «Управление».

При их равенстве на выходе компаратора возникает скачок напряжения (переброс из состояния «0» в состояние «1» или наоборот, который дифференцируется RC-цепочкой).

Возникающие короткие прямоугольные импульсы поступают на блок РК (распределительный коммутатор или распределитель импульсов), обеспечивающий на своем выходе два канала – две последовательности управляющих импульсов, сдвинутых по фазе  на 1800, для управления через усилители мощности УМ1 и УМ2 двух силовых тиристоров  однофазной мостовой схемы V2 и V4, работающих поэтому также в противофазе или со сдвигом на 1800.

Плавно меняя, с помощью переменного резистора «Управление» величину напряжение смещения на втором входе компаратора – плавно меняем момент его срабатывания, меняя тем самым сдвиг прямоугольных импульсов на выходе компаратора на величину угла регулирования .

Переменный резистор «Управление» разградуирован по круговой шкале изменения от 300 до 1800.

Однако точное значение угла регулирования следует определять по осциллограмме изображения отрезка выпрямленной синусоиды на экране осциллографа, включаемого в гнезда Гн1 на рис. 10.1 при чисто активной нагрузке.

8. Приложение

Особенности схемотехнической реализации

однофазных выпрямительных тиристорных устройств.

Выпрямительные тиристорные устройства используют для своей реализации кремниевые управляемые вентили (тиристоры), которые имеют четырехслойную структуру электронно-дырочных переходов типа p-n-p-n (рис.10.2).

Как и в неуправляемых диодах, полупроводник типа “n” служит катодом вентиля, а крайний слой полупроводника типа “p”-анодом. Управляющий электрод УЭ можно считать аналогом сетки тиратрона, в цепь этого электрода надо вводить импульс тока положительной полярности. Принцип действия тиристора подробно рассматривается в [1], [2]. [3].  Вольтамперная характеристика тиристора изображена на рис. 10.3, где

1- область непроводящего состояния в прямом направлении;

2- область пробоя;

3- область отрицательного сопротивления;

4- область высокой проводимости;

5- область непроводящего состояния в обратном направлении;

6- область необратимого лавинного пробоя.

Рис. 10.3. ВАХ тиристора без управляющего сигнала

Рис. 10.4. Семейство ВАХ тиристора

Включение цепи управляющего электрода тиристора снижает напряжение включения тиристора Uвкл. Как следует из рис. 10.4, чем больше ток управляющего электрода Iу, тем легче и быстрее происходит пробой тиристорной структуры рис. 10.4: Iу1>Iу2>Iу3>Iу4. При большом токе, так называемом токе спрямления Iу1, характеристика тиристора  совпадает с характеристикой неуправляемого диода, т.е. происходит полное спрямление прямой ветви ВАХ тиристора, которая переходит в ВАХ диода

В правильно рассчитанной тиристорной схеме управляющий импульс должен обеспечить необходимый ток управления спрямления для полного открытия тиристора.

Рассмотрим работу простейшего регулируемого тиристорного выпрямителя на примере однофазной однополупериодной схемы рис. 10.5, и его временные диаграммы, изображенные на рис. 10.6.   

В такой схеме  от сети переменного тока одновременно питаются первичные цепи трансформаторов Тр1 и Тр2; анодный трансформатор Тр1 обеспечивает питание цепи нагрузки, а трансформатор Тр2 питает цепь управляющего электрода УЭ тиристора VT. В первичную цепь Тр2 включен фазорегулятор Ф и с его помощью можно сдвигать управляющее напряжение Uу относительно анодного напряжения на угол регулирования . Когда фазы напряжений на аноде и УЭ совпадают (=0), тиристор включается в те моменты времени, как только начинается положительный полупериод анодного напряжения, если нагрузка в анодной цепи имеет активный характер. При этом ток через тиристор и нагрузку протекает в течении всей половины периода, создавая на нагрузке , как в простейшем неуправляемом выпрямителе.

При сдвиге фазы управляющего напряжения относительно анодного на угол  включение тиристора задерживается до тех пор, пока положительное напряжение на аноде не возрастет настолько, что окажутся выполнимыми условия включения тиристора. В результате тиристор включается позднее и ток через него и нагрузку будет протекать в течение времени меньшего T/2. При этом падение напряжения на нагрузке .

На рисунке 10.7 приведены регулировочные характеристики управляемого тиристорного выпрямителя , из которых следует, что при , (однофазного однополупериодного выпрямителя) при , , т.е. достигает максимального значения. Плавно, с помощью фазовращателя  меняя угол  добиваемся требуемого нам значения  в пределах .

Отметим, что на схеме (рис. 10.5) применяется фазовый метод регулирования выходного напряжения тиристорного устройства. Более распространенным является импульсно-фазовый метод регулирования. Включение тиристора в этом случае осуществляется подачей узкого прямоугольного импульса соответствующей амплитуды, изображенный на рис. 10.6,б пунктиром с амплитудой  и также имеющий сдвиг на угол .

Особенностью тиристорных схем является включение тиристора при положительном напряжении на аноде и положительного импульса на управляющем электроде. После включения тиристора, он остаётся замкнутым в течении всего интервала положительного анодного напряжения и его выключение не может быть осуществлено снятием управляющего импульса. Включенный тиристор может быть выключен только снятием положительного анодного напряжения или его отрицательной полуволной. В этом отношении тиристор относится к частично управляемым полупроводниковым структурам в отличии от транзистора, который является полностью управляемой полупроводниковой структурой (сигналом по своей базе).

Рассмотрим работу однофазной двухполупериодной схемы управляемого тиристорного выпрямителя рис.10.8 и его временные диаграммы рис10.9. Схема изображена без управляющих цепей.

Рис. 10.7. Регулировочные характеристики

Если между напряжениями управляющего электрода и анода каждого тиристора нет сдвига фаз, то схема действует как схема с обычными вентилями: ток протекает через каждый тиристор в нагрузку в течение Т/2 (или  радиан). При сдвиге фаз  и , т.е при угле регулирования :

,

т. к. ; .

Характер регулировочной характеристики остается как и для однофазной схемы и отличается от нее лишь в два раза большим масштабом. При активной нагрузке среднее значение выпрямленного напряжения  при

При индуктивном характере нагрузке (наличии фильтра LC) управляемый выпрямитель может работать в двух режимах (рис. 10.10):

Как видно из рисунка 10.10 переход из одного режима работы в другой зависит не только от L, но и от величины . В режиме непрерывного тока накопленная в индуктивности цепи нагрузки энергия, достаточна для поддержания тока до момента включения второго вентиля () и ток протекает в некоторые части периода даже при отрицательном потенциале на аноде. В режиме непрерывного тока среднее значение выпрямленного напряжения для рис 10.10

Регулировочная характеристика для этого случая изображена на рис 10.11 и существенно отличается от характеристики изображенной на рис. 10.7.

Рис.10.10. Временные диаграммы тиристорного выпрямителя

с LC-фильтром

что снижает коэффициент мощности cosφ=сosα=P1/S1=(Pн+Pпот)/S1, где Р1 - активная, S1=U1*I1 - полная мощности. При увеличении угла регулирования коэффициент мощности тиристорного устройства падает, что является его существенным недостатком.

Рис. 10.12. схема выпрямления с обратным диодом

Рис. 10.13.Временные диаграммы для схемы с обратным диодом

Существенно положительными качествами тиристоров является их большая надежность, способность плавно регулировать выходное напряжение, высокие допустимые обратные напряжения (до 1000 и более вольт), высокие допустимые прямые токи (до нескольких ампер), малое внутренне сопротивление в открытом состоянии и, как следствие этого, высокий КПД тиристорных выпрямительных устройств.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1430. Строительство канализационных очистных сооружений производительностью 25 м3/сутки для промплощадки Мокроусского ЛПУМГ ООО Югтрансгаз 129.5 KB
  Цель работы – проектирование канализационных очистных сооружений производительностью 25м3/сутки для промплощадки Мокроусского ЛПУМГ ООО Югтрансгаз ОАО Газпром.
1431. Система управления и контроля радиоприемным устройством 1.07 MB
  Обеспечение функционирования вычислительного комплекса, обнаружения сбоев и отказов модулей и горячего восстановления. Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ для взрослых пользователей. Команды буфера интерфейсной информации.
1432. Расчет параметров двигателя 147.5 KB
  При выборе отношения хода поршня к диаметру цилиндра S/D необходимо учитывать следующие обстоятельства. Предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
1433. Проект для строительства завода по ремонту бытовых машин в городе Белово 128.5 KB
  Проект разработан для строительства в городе Белово, преобладающее направление ветров ЮЗ с силой 0.38 кПа. Нормативное значение веса снегового покрова принято 1.5 кПа. Глубина промерзания грунтов 2.2 м. Температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки – 400С.
1434. Экономическое обоснование проектирования двигателя 124.5 KB
  Целью расчетов является обоснование экономической целесообразности создания и применения спроектированного двигателя. Решение принимается на основе расчета экономического эффекта путем сопоставления результатов и затрат по проектируемому и базовому вариантам при условии сопоставимости их по объему
1435. Уровневые фронтальные лабораторные работы 231.52 KB
  Составной частью исследуемой проблематики является уровневый подход к формированию практических умений и навыков школьников. Для реализации этой цели учителем разработаны уровневые фронтальные лабораторные работы, и примеры использования проектной технологии как возможности вариативной организации учебных занятий.
1436. Алгоритм решения задачи с использованием программ Microsoft Excel и MathCAD 265.69 KB
  Данная работа посвящена автоматизации процессов расчетов. Ее целью является закрепление знаний по всем разделам дисциплины Информатика, проверка навыков практической работы с программными средствами обработки информации.
1437. Основные модели данных 182.57 KB
  В зависимости от используемой модели СУБД называются соответственно: сетевыми, иерархическими и реляционными. Манипулирование данными. Сетевая база данных. Достоинства и недостатки иерархических и сетевых СУБД.
1438. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса сушки абрикос с применением токов высокой частоты 3.32 MB
  Современные теоретические представления о тепло- массопереносе в процессах сушки. Электрофизические параметры абрикос и их влияние на объемное тепловыделение. Экспериментальное определение электрофизических параметров абрикос. Математическая модель динамики изменения электрофизических параметров абрикос.