Лабораторная работа №4 Исследование однофазных управляемых выпрямителей

Цель работы: ознакомление с принципом действия, регулировочным и внешними характеристиками однофазных управляемых выпрямителей; исследований влияния вида нагрузки на характеристики выпрямителей.

Описание лабораторной установки

Схема макета лабораторной установки для исследования однофазного управляемого выпрямителя: приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема для исследования однофазных управляемых выпрямителей

Схема включает силовую часть и схему управления тиристорами. Силовая часть представляет собой однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой трансформатора на тиристорах VS1 и VS2. Нагрузкой выпрямителя служат резистор Rн и дроссель Lн. Включение активно-индуктивной нагрузки осуществляется тумблером S1. Напряжение на тиристоры подается с вторичной обмотки трансформатора Т. Величина среднего значения выпрямленного тока Id и выпрямленного напряжения Ud контролируется приборами РА и P. Для снятия осциллограмм в характерных токах выпрямителя служат контрольные гнезда.

Схема управления тиристорами содержит два канала управления: для VS1 и для VS2. Она состоит из фазосдвигающего устройства (ФСУ) на элементах Т, Rф, С1 и формирователя импульсов на транзисторах VT1 и VT2. На входы VT1 и VT2 поочередно поступает отрицательная полуволна напряжения от ФСУ. Положительная полуволна напряжения ограничивается диодами VD1 и VD2. Транзисторы VТ1 и VТ2 работают в ключевом режиме. После дифференцирования цепочками R5С2 и R6С3 положительные импульсы напряжения подаются на управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2. Отрицательные импульсы шунтируются диодами VD3 и VD4.

При изменении величины сопротивления Rф (переключателем на лицевой панели) изменяется фаза напряжения на выходе ФСУ и, следовательно, будет изменяться и фаза управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению.

Питание установки осуществляется от сети переменного тока напряжение 220 В. Наблюдение осциллограмм тока и напряжения производится с помощью электронного осциллографа.

Пояснения и указания к работе

Регулирование среднего значения выпрямленного напряжения в управляемых выпрямителях осуществляется за счет задержки включения тиристора по отношению к моменту его естественного отпирания. Угол задержки включения тиристора, отсчитанный от момента его естественного открывания и выраженный в электрических градусах, называется углом регулирования α.

При работе на активную нагрузку выпрямитель работает в режиме прерывистого тока (РПТ). На интервале α (рис .4.2, в) оба тиристора закрыты, ток id и напряжение Ud на нагрузке равны нулю. При подаче управляющего импульса на управляющий электрод тиристора VS1 со сдвигом α относительно начала положительной полуволны напряжения U2-1 тиристор VS1 открывается и через нагрузку течет ток id = ia1 = Ud/Rн. Напряжение на нагрузке скачком возрастет до значения U2-1 и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения U2-1. Кривая тока id = ia1 повторяет по форме кривую напряжения Ud. В момент времени Ө = π фазное напряжение сменит знак, тиристор VS1 закроется, id и Ud станут равными нулю. На интервале π + α оба тиристора закрыты, id и Ud равны нулю. В момент времени Ө = π + α откроется тиристор VS2. Ud скачком возрастет до уровня U2-2 и будет изменяться по синусоиде фазного напряжения U2-2. При изменении угла α изменяется форма и среднее значение выпрямленного напряжения и тока. При активной нагрузке мгновенное значение напряжения Ud всегда положительно, длительность проводящего состояния тиристора λ = π ‒ α.

Кривая напряжения на тиристоре VS1 показана на рис. 4.2, г. На интервале α к VS1 приложено прямое фазное напряжение U2-1. На интервале π ‒ α тиристор VS1 открыт и напряжение на нем близко к нулю. На интервале от π до π + α 2 оба тиристора закрыты и к VS1 приложено напряжение ‒U2-1. В момент времени Ө2 открывается тиристор VS2 и напряжение на тиристоре VS1 скачком возрастает до ‒2U2ф (Uaкvs1 = φa – φk = ‒U2-1 ‒ U2-2 = ‒2U2ф) и далее изменяется по кривой двойного фазного напряжения до момента времени 2π.

Рис. 4.2. Схема однофазного управляемого выпрямителя (а)

и временные диаграммы (б, в, г) при работе на активную нагрузку

При активно-индуктивной нагрузке (xн ≈ Rн) ЭДС самоиндукции, возникающая в дросселе, препятствует нарастанию тока id и стремится задержать его спад, поэтому ток id будет протекать через тиристор и тогда, когда фазное напряжение сменит знак (Рис. 4.3, а).

Рис. 4.3. Временные диаграммы токов и напряжений при работе

на активно-индуктивную (а, б) и индуктивную (в, г, д) нагрузки

При этом π > λ > π – α, в кривой выпрямленного напряжения появляются отрицательные участки (за счет ЭДС самоиндукции), которые уменьшают среднее значение напряжения на нагрузке Ud. Интервалы отрицательных участков в кривой Ud зависят от отношения Lн/Rн, с увеличением Lн они увеличиваются. Влияние Lн сказывается и на форме кривой напряжения на тиристоре (рис. 4.3, б). На интервале времени 0 ÷ Ө1 тиристор VS2 открыт, тиристор VS1 закрыт и к нему приложено напряжение 2U2ф . На интервале Ө1 ÷ Ө2 оба тиристора закрыты, и к VS1 приложено прямое фазное напряжение U2-1. На интервале Ө2 ÷ Ө3 тиристор VS1 открыт и напряжение на нем близко к нулю. В момент времени Ө VS1 закрывается, и напряжение на нем скачком, увеличивается до ‒U2-1 и изменяется по кривой фазного напряжения ‒U2-1 до момента времени Ө4. При Ө = Ө4 открывается тиристор VS2 и напряжение на VS1 скачком возрастает до ‒2U2ф.

При индуктивной нагрузке ( xн >> Rн) ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен (рис. 4.3, в), его мгновенное значение id равно среднему Id. Выпрямитель работает в режиме непрерывного тока (РНТ). Длительность проводящего состояния тиристора λ = π. Напряжение на вентиле определяется линейным значением напряжения вторичной обмотки трансформатора, как на интервале α, так и на интервале 2π - α (рис. 4.3, г). Кривая тока в первичной обмотке трансформатора (рис. 4.3, д) имеет вид импульсов прямоугольной формы. Ее первая гармоника сдвинута в сторону отставания на угол φ = α относительно кривой питающего напряжения. Это приводит к потреблению выпрямителем от сети реактивной мощности и уменьшению коэффициента мощности.

Для повышения коэффициента мощности и среднего значения выпрямленного напряжения при работе с большой индуктивностью нагрузку шунтируют нулевым диодом VD0 (рис. 4.2, а).

Нулевой диод вступает в работу дважды за период питающего напряжения: на интервале α и π + α, когда фазное напряжение меняет знак (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Временные диаграммы напряжений и токов при работе с нулевым диодом

Так как при включении VD0 он шунтирует нагрузку, то выпрямленное напряжение в эти отрезки времени равно нулю (рис. 4.4, а), следовательно, Ud повышается. При включении VD0 проводящий тиристор закрывается, ток, обусловленный ЭДС самоиндукции, замыкается через нагрузку и нулевой диод, поэтому в кривой тока вторичной и первичной обмоток трансформатора появляются нулевые паузы длительностью α. В результате первая гармоника тока i1 оказывается сдвинутой по фазе относительно напряжения сети на угол φ = α/2, коэффициент мощности повышается.

Кривая напряжения на тиристоре (рис. 4.4, в) имеет вид как при работе на активную нагрузку. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования Ud = f(α) называется регулировочной характеристикой. В режиме непрерывного тока (РНТ) регулировочная характеристика представляет собой косинусоиду (рис. 4.5, а).

а) б)

Рис. 4.5. Регулировочные (а) и внешние (б) характеристики УВ

Среднее значение выпрямленного напряжения в РНТ

Udα = 1/π U2 SinӨ dӨ = Ud0 Cosα (4.1)

где Ud0 - среднее значение выпрямленного напряжения при α = 0

Udα = 1/π U2 SinӨ dӨ = U2(1 + Cos α) = Ud0 . (4.2)

В режиме прерывистого тока (РПТ) характеристика отходит от косинусоиды (4.2).

Внешние характеристика Udα = f(Id) управляемого выпрямителя показаны на рис. 4.5, б. При токе Id > Idкp выходное напряжение изменяется незначительно при изменении Id. Выпрямитель работает в РНТ. Некоторое уменьшение Udα вызвано увеличением потерь на активном сопротивлении выпрямителя, а так же влиянием коммутации. При малых токах (Id < Idкp) наблюдается подъем характеристик при α = 30° и 60° из-за наступления режима прерывистого тока.

Порядок работы

1. Определить по осциллографу угол регулирования, соответствующий каждому положению переключателя «Rф», для этого:

1.1. Переключатель S1 поставить в положение Rн .

1.2. Потенциометр «Rн» перевести в крайнее левое положение.

1.3. Осциллограф подключить к нагрузке (гнезда «12» и « »).

1.4. Включить тумблер "СЕТЬ”.

1.5. Переключатель перевести в крайнее' левое положение (α = 0°) и установить на экране осциллографа изображение таким, чтобы одному полупериоду (180°) кривой Ud соответствовало 10 делений.

1.6. Изменяя положение переключателя «Rф», определить для каждого положения число делений (градусов), соответствующих горизонтальному участку кривой Ud. Данные записать в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Положение переключателя	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Угол α

2. Исследовать работу выпрямителя активную нагрузку. Переключатель S1 поставить в положение «Rн».

2.1. Изменяя переключателем Rф угол регулирования, снять и построить регулировочную характеристику выпрямителя Udα = f(α) при максимальной нагрузке («Rн» - в крайнем левом положении). Данные записать в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

α, °
Udα, В

2.2. Изменяя потенциометром «Rн» ток в цепи нагрузки, снять и построить внешние характеристики выпрямителя при α = 0°, 30°, 60°. Данные записать в таблицу 4.3.

Таблица 4.3.

Id, А							Примечание
Udα, В							α =

2.3. Подключая осциллограф к гнездам «8» и « », «12» и « », «1» и «4», «9» и «11», зарисовать осциллограммы кривых напряжения в нагрузке Ud, тока нагрузки id, напряжения на тиристоре Uvs1 и тока в цепи управления iу. При этом углы α устанавливаются в диапазоне от 0^° до 90^°.

3. Исследовать работу выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку Переключатель S1 поставить в положение «RнLн» , потенциометр «Rн» - в среднее положение.

3.1. Выполнить пункты 2.1, 2.2 и 2.3.

4. Исследовать работу выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с нулевым диодом.

4.1. К гнездам «11» и « » подключить нулевой диод. Переключатель S1 поставить в положение «RнLн», потенциометр «Rн» - в среднее положение.

4.2. Выполнить пункты 2.1, 2.2 и 2.3.

Контрольные вопросы

1. Что такое угол регулирования?

2. Объясните работу управляемого выпрямителя на активную нагрузку.

3. В нем особенность работы УВ на активно-индуктивную и индуктивную нагрузку?

4. Как определяется среднее значение Udα в РНТ и в РПТ?

5. Чему равна длительность проводящего состояния тиристора в РНТ и в РПТ?

6. С какой целью нагрузку шунтируют нулевым диодом?

7. Объясните форму кривых Ud, id и Uvs при разных видах нагрузки и углах регулирования α = 0° и 90°.

8. Поясните регулировочные характеристики выпрямителя.

9. Поясните внешние характеристики выпрямителя.