6794

УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ Цель работы - ознакомление с принципом работы и экспериментальное исследование характеристик однофазного управляемого выпрямителя на тиристорах при различных видах нагрузки. 2.1 Основные положения Для регулирования выпря...

Русский

2013-01-08

139 KB

196 чел.

УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Цель работыознакомление с принципом работы и экспериментальное исследование характеристик однофазного управляемого выпрямителя на тиристорах при различных видах нагрузки.

2.1 Основные положения

Для регулирования выпрямленного напряжения используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, называемых тиристорами. Такие устройства обычно предназначены для питания потребителей средней и большой мощности, в которых при больших токах нагрузки используют индуктивные фильтры. В данной работе рассматривается простейшая схема однофазного управляемого выпрямителя, которая позволяет выявить характерные черты данного класса устройств.

2.1.1 Работа управляемого выпрямителя при активной нагрузке

Перед рассмотрением работы управляемого выпрямителя кратко рассмотрим принцип работы и основные свойства тиристора.

Тиристором называют управляемый полупроводниковый прибор с p-n-p-n структурой, способный под действием сигнала управления переходить из закрытого состояния в открытое (проводящее). На рис. 2.1 приведено условное обозначение тиристора и схема его включения. Электроды прибора называются: А – анод; К –катод; УЭ – управляющий электрод. В цепь управляющего электрода включается источник управляющих импульсов uy. 

При указанной полярности напряжения U и отсутствии управляющего импульса тиристор, в отличие от обычного диода, будет находиться в непроводящем состоянии (Ia=0). Если теперь на управляющий электрод подать отпирающий импульс Uy, тиристор включается и через нагрузку начинает протекать ток
         .

Важнейшим свойством тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате смены полярности прикладываемого к нему напряжения или спада тока до нуля. Управляющая цепь служит только для включения тиристора.

Основные статические параметры тиристора:

Iпр.max – максимально допустимый прямой ток тиристора;

Uпр.ср – среднее значение прямого напряжения на открытом тиристоре;

Uобр.max – максимально допустимое постоянное обратное напряжение тиристора;

Uпр.зак.max - максимально допустимое постоянное прямое напряжение закрытого тиристора.

Цепь управления тиристора характеризуется импульсным отпирающим током Iу.от и напряжением Uу.от, которые обеспечивают надежное включение тиристора.

На рис.2.2 приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом средней точки трансформатора и временные диаграммы токов и напряжений. При активной нагрузке ключ S замкнут. Рассмотрим работу схемы, полагая, трансформатор и вентили идеальными.

Рисунок 2.2 - Схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом средней

точки трансформатора (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

В отличие от схемы выпрямителя на диодах, рассмотренной в лабораторной работе №1 (п.1.1.2), в данной схеме происходит задержка момента включения тиристоров. Так, при указанной на рис.2.2,а полярности напряжения на обмотках трансформатора (без скобок) может пропускать ток тиристор VS1 при условии, что на его управляющий электрод поступит управляющий импульс uy1. Управляющий импульс подается со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания, совпадающего с моментом появления положительного напряжения на аноде тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления . Для однофазного выпрямителя момент естественного отпирания тиристора совпадает с моментом перехода напряжения сети через нуль.

На рис.2.2,б приведены временные диаграммы управляющих импульсов Uy1 и Uy2, поступающих поочередно через каждые полпериода с углом управления на тиристоры VS1 и VS2. В интервале 0-  тиристор VS1 закрыт и напряжение на нагрузке Uн=0. В момент t= тиристор включается и напряжение uн скачком возрастает до значение Uн=U2’ . При этом ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS1 и нагрузку Rн: ін= іа1. При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис.2.2,б).

При  t= ток нагрузки становится равным нулю и тиристор VS1 запирается. В следующем полупериоде в момент прихода управляющего импульса Uy2 открывается тиристор VS2 и ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS2 и нагрузку Rн. В момент  t=2 происходит запирание тиристора VS2 и т.д. В процессе работы схемы ток первичной обмотки трансформатора і1 на каждом полупериоде повторяет форму тока вторичной полуобмотки. В данной схеме, аналогичной схеме выпрямителя на диодах, к закрытому тиристору прикладывается обратное напряжение, равное сумме U2’+U2’’ , т.е. амплитуда обратного напряжения в 2 раза превышает амплитуду выпрямленного напряжения.

2.1.2 Работа управляемого выпрямителя с индуктивным фильтром

Включение индуктивности Ld последовательно с нагрузкой Rн (рис.2.2,а) приводит к изменению процессов в управляемом выпрямителе, который работает в данном случае, на активно-индуктивную нагрузку. При этом выходное напряжение выпрямителя до фильтра Ud по форме будет отличаться от напряжения на нагрузке Uн .

Различают два режима работы управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку. На рис.2.3,а приведены временные диаграммы напряжений и токов в режиме прерывистого тока нагрузки. Возникающая в индуктивности Ld э.д.с. самоиндукции препятствует как нарастанию так и спаду тока iн. Управляющие импульсы Uу1 и Uу2 поступают поочередно через каждые полпериода с углом управления на тиристоры VS1 и VS2.

Рисунок 2.3 - Временные диаграммы напряжений и токов в управляемом
выпрямителе при работе на активно-индуктивную нагрузку в режиме прерывистого
тока (а) и в режиме непрерывного тока (б)

После включения тиристора VS1 в момент  t= энергия запасается в индуктивности Ld. В момент  t= происходит смена знака напряжения u2, но индуктивность Ld стремится задержать спад тока iн=iа1 и VS1 продолжает проводить ток. Это происходит до того момента, когда оставшаяся часть накопленной энергии в индуктивности будет израсходована в сопротивлении нагрузки. После этого момента ток iн спадает к нулю и VS1 закрывается. В следующем полупериоде с приходом управляющего импульса uу2 открывается тиристор VS2 и процессы повторяются. Формы кривых тока iн и напряжения uн совпадают.

Появление отрицательных площадок в кривой выпрямленного напряжения ud на входе фильтра соответствует возврату в сеть энергии, запасенной в индуктивности. При увеличении индуктивности или уменьшении Rн диапазон прерывистых токов нагрузки будет уменьшаться и смещаться в сторону больших углов управления.

Режим непрерывного тока наступает при условии (1)LdRн, что характерно для мощных выпрямителей. При этом ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен. На рис.2.3,б приведены временные диаграммы для непрерывного режима работы выпрямителя. Ток нагрузки становится непрерывным, так как энергия, запасенная в индуктивности Ld в проводящую часть периода одного тиристора, будет достаточной для поддержания тока в непроводящую часть периода до момента включения другого тиристора. При Ld  режим прерывистого тока в работе управляемого выпрямителя отсутствует, а ток нагрузки можно считать идеально сглаженным.

2.1.3 Регулировочные и внешние характеристики

управляемого выпрямителя

Рассмотрим две основные характеристики управляемых выпрямителей, которые имеют свои особенности в зависимости от вида нагрузки. Приведенные ниже зависимости относятся к однофазному управляемому выпрямителю с выводом средней точки трансформатора, но они также могут быть использованы и для мостовой схемы выпрямителя.

Первой основной характеристикой управляемого выпрямителя является зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления  Uн=f(). Такая зависимость называется регулировочной характеристикой. Принимаем допущение, что трансформатор, тиристоры и дроссель не имеют потерь. Тогда, используя временные диаграммы рис.2.2,б, регулировочную характеристику выпрямителя при активной нагрузке можно определить по формуле

,

(2.1)

где  U2= U2’= U2’’ – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора;

- величина Uн при =0.

Используя временные диаграммы рис.2.3,б, определяем регулировочную характеристику при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока ,когда (1)LdRн. При отсутствии потерь в индуктивности Ld среднее значение выпрямленного напряжения до фильтра Ud и после фильтра Uн будут равны, т.е.

.

(2.2)

На рис.2.4,а приведены регулировочные характеристики однофазного управляемого выпрямителя при различных видах нагрузки. Кривая 1 построена в соответствии с (2.1) для выпрямителя с активной (R) нагрузкой и имеет диапазоны изменения угла управления от 0 до . Кривая 2 построена в соответствии с (2.2) для выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой. В данном случае выпрямитель работает в режиме непрерывного тока во всем диапазоне регулирования от 0 до /2. 

Кривая 3 соответствует случаю работы выпрямителя с активно-индуктивной (RL) нагрузкой, когда при угле управления >кр энергия, запасенная в индуктивности, оказывается недостаточной для поддержания непрерывного тока нагрузки и выпрямитель переходит в режим прерывистого тока.

Рисунок 2.4 - Регулировочные характеристики (а) и внешние характеристики (б)

однофазного управляемого выпрямителя

Из рассмотрения кривых регулировочных характеристик на рис.2.4,а видно, что при одинаковом значении угла управления среднее значение выпрямленного напряжения Uн при активно-индуктивной нагрузке будет всегда меньше, чем при активной нагрузке (кривая 1). Это объясняется тем, что при активно-индуктивной нагрузке в кривой выпрямленного напряжения Ud (см.рис.2.3) имеются отрицательные площадки, так как за счет возникшей в дросселе Ld э.д.с. самоиндукции тиристор продолжает пропускать ток и в отрицательную часть периода напряжения трансформатора. Это и приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения Uн.

В соотношениях (2.1) и (2.2) среднее значение выпрямленного напряжения Uн было приведено без учета потерь в элементах выпрямителя. Реальные трансформатор, вентили и дроссель имеют определенные значения активного сопротивления, на которых происходит падение напряжения от среднего значения тока нагрузки Ін. Это приводит к снижению напряжения Uн при увеличении тока нагрузки.

Зависимости Uн=f(Iн) при различных значениях угла управления называются внешними характеристиками управляемого выпрямителя, которые приведены на рис.2.4,б. Наклон характеристик практически линеен и определяется потерями в выпрямителе. При =0 внешняя характеристика такая же, как и для неуправляемого выпрямителя при активной (R) и активно-индуктивной (RL) нагрузке. При увеличении угла управления наклон характеристик не изменяется, однако характеристики с активной нагрузкой будут выше соответствующих характеристик с активно-индуктивной нагрузкой. Это можно объяснить из рассмотрения регулировочных характеристик на рис.2.4,а.

На практике внешние характеристики с активно-индуктивной нагрузкой при малых токах Iн становятся нелинейными. На рис.2.4,б такой случай приведен при =60, когда при Iн<Iнкр напряжение Uн начинает увеличиваться. Это объясняется переходом работы выпрямителя из непрерывного режима в режим прерывистого тока. Для сравнения (при =60) пунктиром приведена аналогичная характеристика при активной нагрузке.

2.1.4 Система управления выпрямителем на тиристорах

При всем многообразии систем управления основная их задача состоит в формировании управляющих импульсов, которые задаются сигналом управления и передаются в определенные моменты времени на управляющие электроды тиристоров. Наибольшее распространение получили системы управления вертикального типа, обладающие высоким быстродействием.

На рис.2.5 приведены обобщенная структурная схема системы импульсно-фазового управления (СИФУ) вертикального типа и временные диаграммы для случая управления однофазным управляемым выпрямителем с выводом средней точки трансформатора.

Рисунок 2.5 - Структурная схема системы импульсно-фазового управления (а)

и временные диаграммы однофазного управляемого выпрямителя (б)

Рассмотрим принцип формирования управляющих импульсов в
СИФУ при вертикальном способе управления, используя временные диаграммы рис.2.5,б. В состав СИФУ входят генератор пилообразного (опорного) напряжения ГПН, устройство сравнения УС и формирователь импульсов ФИ (рис.2.5,а). Работа ГПН синхронизирована с напряжением питающей сети таким образом, что в моменты перехода напряжения
uc через ноль ГПН формирует периодические линейно-нарастающие импульсы напряжения uп. На входы УС поступают напряжение uп и напряжение управления uу. В моменты их равенства на выходе УС появляются сдвинутые по фазе относительно момента естественного отпирания на угол импульсы управления uу1 в интервале (0-) и uу2 в интервале (-2). Формирователь импульсов ФИ усиливает импульсы uу1 и uу2, формирует их по форме, а затем распределяет для подачи на соответствующие тиристоры VS1 и VS2.

2.2 Описание схемы эксперимента

В работе исследуется однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель с выводом средней точки трансформатора, схема которого приведена на рис.2.6.

Рисунок 2.6 - Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя
с выводом средней точки трансформатора

Такое же изображение схема выпрямителя имеет и на накладной панели стенда с указанием контрольных точке (гнезда Х1-Х5).

Ток нагрузки регулируется потенциометром Rн. С помощью коммутации ключа S1 можно исследовать работу управляемого выпрямителя с активной и активно-индуктивной нагрузками. Шунт rш=1 Ом позволяет проводить наблюдение тока нагрузки по осциллографу, а также измерение тока нагрузки с помощью цифрового вольтметра (гнездо Х5).

На гнезде Х2 измеряется выпрямленное напряжение ud на входе индуктивного фильтра, на гнезде Х4 измеряется напряжение на нагрузке uн. На гнезде Х1 можно наблюдать переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора, на гнезде Х3 – импульсы управления системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

2.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции. Обратите внимание на использование коммутатора стенда при снятии нескольких осциллограмм одновременно.

2.3.1 Исследование регулировочных характеристик

управляемого выпрямителя

Снятие регулировочных характеристик Uн=f() производится с помощью цифрового вольтметра, который фиксирует среднее выпрямленное напряжение Uн на гнезде Х2. Угол управления задается нажатием кнопок переключения «кГц ()».

2.3.1.1 Снять регулировочную характеристику управляемого выпрямителя при активной нагрузке. Нажать кнопку S1. Установить максимальный ток нагрузки, повернув ручку «Rн» в крайнее правое положение. Используя переключатель «кГц ()», произвести измерения напряжения Uн от максимального до минимального значения. Данные измерений занести в табл.2.1.

Таблица 2.1

,эл.град

Uн, В

2.3.1.2 Снять регулировочную характеристику управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. Отжать кнопку S1. Измерения произвести аналогично п.2.3.1.1.

2.3.2 Исследование внешних характеристик управляемого выпрямителя

Задачей экспериментальных исследований является снятие внешних характеристик управляемого выпрямителя Uн=f(). при заданных углах управления .: Ток нагрузки Iн изменяется с помощью ручки «Rн» и определяется путем измерения падения напряжения на шунте rш=1 Oм (гнездо Х5). Выпрямленное напряжение Uн измеряется на гнезде Х2.

2.3.2.1 Снять внешние характеристики управляемого выпрямителя при активной нагрузке. Нажать кнопку S1. Измерять ток нагрузки от минимального до максимального значения ручкой «Rн». Измерения выполнить при углах управления 0, 30 и 60. Данные измерений заносятся в таблицы по приведенному образцу:

Таблица 2.2

Iн, mA

Uн, В

2.3.2.2 Снять внешнюю характеристику управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (кнопка S1 отжата) Измерения производить аналогично п.2.3.2.1.

2.3.3 Исследование влияния видов нагрузки на форму

токов и напряжений в управляемом выпрямителе

Исследования проводятся при максимальном токе нагрузки. При снятии осциллограмм используются два канала осциллографа С1-93.

2.3.3.1 Снять осциллограммы при активной нагрузке в контрольных точках Х1, Х2 и Х5 при углах управления =30 и 90. Соблюдая один масштаб времени, построить одну под другой осциллограммы напряжений u2, uн и тока iн.

2.3.3.2 Снять осциллограммы при активно-индуктивной нагрузке при углах управления =30 для режима непрерывного тока и =75 для режима прерывистого тока. Измерения проводить в соответствии с п.2.3.3.1.

Установить, например, =45 и, изменяя ток нагрузки, наблюдать возникновение режима прерывистых токов.

2.3.3.3 Исследовать совместную работу СИФУ и тиристоров выпрямителя. Для этого снять при произвольном значении угла управления одновременно осциллограммы управляющих импульсов и выпрямленного напряжения (гнезда Х3 и Х2).

2.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета

2.4.1 В соответствии с п.2.3.1 построить на одном графике регулировочные характеристики Uн=f() для активной и активно-индуктивной нагрузки управляемого выпрямителя. Используя экспериментальное значение напряжения Uн0 при =0, построить на этом же графике регулировочную характеристику для режима непрерывного тока в соответствии с формулой (2.2) раздела 2.3.1. Проанализировать приведенные характеристики.

2.4.2 В соответствии с п.2.3.2 построить на одном графике внешние характеристики управляемого выпрямителя Uн=f() для активной и активно-индуктивной нагрузки при различных углах управления.

Определить по характеристике с активно-индуктивной нагрузкой при =60 величину тока Iнкр, при котором выпрямитель переходит из прерывистого режима работы в непрерывный.

2.4.3 Сравнить снятые в соответствии с п.2.3.3 осциллограммы напряжений и токов в управляемом выпрямителе с временными диаграммами, приведенными на рис.2.2,а и рис.2.3. Проанализировать влияние индуктивного фильтра на форму напряжений и токов в выпрямителе.

Отчет о выполненной работы должен содержать: цель работы, принципиальную схему эксперимента, таблицы и графики, полученные в результате экспериментов, а также осциллограммы в соответствии с заданием по выполнению работы и их краткий анализ.

Вопросы для самопроверки

  1.  Объясните принцип работы тиристора и условия его выключения в схемах выпрямителей. Перечислите основные статические параметры тиристоров.
  2.  Опишите работу однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку. Какой максимальный диапазон имеет угол управления при активной нагрузке?
  3.  Объясните, почему регулировочные характеристики выпрямителя отличаются друг от друга при различных видах нагрузки.
  4.  Опишите работу однофазного управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.
  5.  Почему выпрямленное напряжение при const для активной нагрузки будет выше, чем для активно-индуктивной?
  6.  Чем определяется наклон внешних характеристик выпрямителя?
  7.  Опишите общую структуру системы управления вертикального типа.
  8.  Приведите временные диаграммы управляющих импульсов и выпрямленного напряжения для =90 при активной нагрузке.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4126. Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника 103.5 KB
  Вивчення вільних затухаючих коливань пружинного маятника Мета роботи Вивчити вільні затухаючі коливання пружинного маятника, визначити параметри коливальної системи та характеристики коливань (жорсткість пружини, коефіцієнт опору, період коливань, л...
4127. Дослідження роботи служб SMTP та POP3 18.25 KB
  Дослідження роботи служб SMTP та POP3 Мета роботи:Ознайомитись з призначенням протоколів SMTP та POP3та поглибити навички у відправленні електронної пошти Хід роботи, Протокол SMTP SMTP (англ. Simple Mail Transfer Protocol - простий проток...
4128. Технологии беспроводных сетей. Канальный уровень протоколов IEEE 802.11 776.5 KB
  Технологии беспроводных сетей. Канальный уровень протоколов IEEE 802.11 Цель работы: познакомится с протоколами и технологиями передачи данных в беспроводных сетях на канальном уровне, получить навыки выбора оборудования для построения беспроводной ...
4129. Работа с одномерными и двумерными массивами 376.5 KB
  Работа с одномерными и двумерными массивами Цель работы: Изучение возможностей разработки приложений и получение практических навыков решения типовых задач с использованием одномерных и двумерных массивов. Порядок выполнения работ Запустить пр...
4130. Дослідження кореляційної та автокореляційної функції прийнятого сигналу 206.5 KB
  Дослідження кореляційної та автокореляційної функції прийнятого сигналу Мета роботи: 1) дослідити основні характеристики кореляційної функції 2) побудувати графіки функцій формування відео- та радіоімпульсу 3) побудувати графіки адитивної суміші д...
4131. Изучение алгоритма цифровой сверки 98 KB
  Изучение алгоритма цифровой сверки Целью работы является изучение алгоритмов цифровой свертки изучение функций MatLab, позволяющих автоматизировать процесс вычисления цифровой свертки получение навыков расчета низкочастотных фильтров с использо...
4132. Визначення концентрації вільних носіїв заряду в напівпровіднику 112.5 KB
  Визначення концентрації вільних носіїв заряду в напівпровіднику Мета роботи. Визначити питому електропровідність та концентрацію вільних носіїв заряду в напівпровідниковому монокристалі з електронною провідністю. Теоретичні відомості. В напівпров...
4133. Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника 138.5 KB
  Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника Мета роботи. Вивчити затухаючі коливання математичного маятника i визначити характеристики затухаючих коливань (період затухаючих коливань, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт зат...
4134. Типи зображень по глибині кольору 532 KB
  Типи зображень по глибині кольору Установка глибини кольору необхідна на початку роботи із зображенням і визначає його тип і кількість можливих відтінків тони (кольори). Розглянемо можливості перенесення кольорів і поняття глибини кольору, використо...