Силовая электроника - Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

_________________________________________________________

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

Лабораторная работа № 1

Исследование однофазного мостового неуправляемого выпрямителя

Цель работы

Исследование однофазного мостового неуправляемого выпрямителя при работе на различную активно-индуктивную нагрузку.

Общие сведения

Предлагаемая лабораторная работа позволяет исследовать работу однофазного мостового неуправляемого управляемого выпрямителя. Принципиальная схема исследуемой схемы и временные диаграммы, характеризующие работу схемы представлены на рисунке 1.1.

Рис.1.1 Однофазный мостовой выпрямитель и его временные диаграммы.

3

В первом полупериоде ток протекает через вентили 1 и 3, а во втором полупериоде ток протекает через вентили 2 и 4. На временных диаграммах здесь и далее ось абсцисс – это ось времени, измеряемая в электрических градусах: t . Оси ординат – изменение во времени соответствующих электрических величин. Эпюры выпрямленного напряжения на нагрузке и тока нагрузки приведены на оси 2.

Форма кривых выпрямленного, фазных и анодных токов зависит от индуктивного сопротивления . Кривые токов и при приведены на осях 2, 3, 4, 5 и 6 рис.1.1. На осях 7, 8 и 9 приведены эпюры токов вентилей и потребляемого фазного тока при .

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используется виртуальная установка для исследований, предусмотренных содержанием работы. Виртуальная лабораторная установка показана на рис.1.2, она содержит:

-источник синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz);

-однофазный линейный трансформатор (Linear Transformer);

-однофазный диодный мост (Universal Bridge);

-активно-индуктивную нагрузку (R, L);

-нулевой диод (Diode);

-измерители мгновенных токов в источнике питания (I 1) и нагрузке (I Load), мгновенного напряжения на нагрузке (U Load);

-блок для измерения гармонических составляющих тока питания (Fourier I1), для измерения постоянных составляющих тока нагрузки (Fourier I0), для измерения постоянных составляющих напряжения на нагрузке (Fourier U0);

Рис.1.2 Модель однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

4

-блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений тока в цепи питания, тока нагрузки и напряжения на нагрузке (Scope);

-блок для наблюдения и измерения мгновенных значений величин, выбранных в поле Measurement соответствующих блоков (Multimeter);

-блок для измерения амплитудного значения тока первой гармоники и ее фазы в цепи питания (Display 1), блок для измерения средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display 2).

Посмотрите в окно настройки параметров источника питания. В полях настройки задаются амплитуда напряжения (Peak amplitude, V) в вольтах, начальная фаза напряжения (Phase, deg) в градусах, частота источника

(Frequency, Hz) в герцах.

Параметр Sample time задает дискретность задания напряжения. Такой параметр имеется во многих библиотечных блоках, он должен быть согласован с временем дискретизации при задании параметров моделирования. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Посмотрите в окно настройки параметров трансформатора. В полях окна настройки вводятся номинальная мощность и частота трансформатора (Nominal power and frequency), параметры первичной и вторичной обмоток

(Winding 1 parameters, Winding 2 parameters) (величина действующего значения фазного напряжения (U1ф ;U 2ф ); активное (R) и индуктивное (L)

сопротивление обмотки в относительных (безразмерных) единицах); а также параметры ветви намагничивания (Magnetization resistance and reactance) ( Rm , Lm в относительных (безразмерных) единицах). В данной лабораторной работе исследуется однофазный трансформатор с двумя вторичными обмотками.

Посмотрите в окно настройки параметров выпрямителя. В полях настройки окна параметров диодного моста задано количество ветвей моста (Number of bridge arms), конфигурация входных и выходных портов (Port configuration), параметры демпфирующих цепей (Snubber resistance, Snubber capacitance), тип полупроводниковых приборов в универсальном мосте (Power Electronic device), динамическое сопротивление диодов в открытом состоянии (Ron, Ohms) в Омах, индуктивность диода в открытом состоянии (Lon, H) в генри, пороговое напряжение на диоде в открытом состоянии

(Forward voltage, Vf (V))в вольтах. В поле Measurement выбираются величины, которые могут быть использованы блоком Multimeter.

Посмотрите в окно настройки параметров нагрузки. Для реализации активно-индуктивной нагрузки в последовательной R-L цепи в двух первых

5

полях (Resistance R, Ohms, Inductance L, H) устанавливается значение активного сопротивления в Омах, индуктивности в генри, в третьем поле (Capacitance C, F) устанавливается бесконечность (inf).

Вокне настройки параметров блока Fourier I 1 устанавливается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.

Блоки Fourier I0, Fourier U0 измеряют постоянные составляющие выходного тока и напряжения. Основная частота выходного напряжения (тока) в мостовом однофазном выпрямлении равна удвоенной частоте источника (f = 100 Гц). В поле (Harmonic n) задается номер гармоники. При измерении постоянной составляющей устанавливается п = 0.

Вокно приборов Display, предназначенном для измерения значений исследуемых процессов, в первом поле задается формат представления измеряемых значений. Второе поле (Decimation) определяет периодичность вывода измеряемых значений в окне Display. Параметр Sample time задает дискретность вывода измеряемых значений. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Посмотрите в окно настройки блока Multimeter. В левом поле (Available) высвечиваются все напряжения и токи универсального моста. В правом поле (Selected) показаны переменные, выбранные для измерения (эти значения перенесены из левого поля в правое кнопкой Select). Переменные правого поля можно преобразовать на выходе блока внешними приборами. При включенном флажке Display signals at simulation stop

мгновенные значения этих величин отражаются в графическом окне блока по окончанию очередного моделирования.

Указания к выполнению работы

1. Ознакомиться с виртуальной установкой для исследования однофазного мостового выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку.

3. Установить параметры моделирования, задаваемые в окне настройки параметров моделирования:

- в поле Stop time задать время моделирования в секундах, равное (10 – 20) периодов напряжения источника;

6

-в поле Туре задать переменный шаг (Variable-step) и метод решения дифференциальных уравнений — ode23tb(stiff/TR-BDF2);

-в поле Max step size установить значение шага моделирования, это же значение занести в поле Sample time блоков настройки параметров источника питания и блока Display.

Воставшихся полях можно оставить то, что компьютер устанавливает по умолчанию.

4. Составить таблицу (Табл.1.2) заданий для моделирования (ряд

5. Произвести моделирование для всех приведенных в таблице 1.2 режимов. Результаты моделирования занести в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

напряжение на нагрузке определяются по показаниям Display 2. Мгновенные значения этих величин можно наблюдать на экране осциллоскопа. По завершении каждого режима моделирования появляется графическое окно блока Multimeter с кривыми мгновенных значений напряжения и тока диода. Максимальные значения этих величин табл.1.3 определяются из этого окна.

По результатам табл.1.3 строится внешняя характеристика

7

Расчетная часть

1.Вывести формулу для определения среднего значения выпрямленного напряжения (по теоретическим временным диаграммам).

2.Определить теоретические действующие значения тока диода, вторичной и первичных обмоток трансформатора для всех видов нагрузки.

3.Вычислить значения полной и активной мощности, потребляемой выпрямителем от источника питания по первой гармонике и значение мощности в нагрузке по выражениям:

Содержание отчета

1.Схемы установки (электрическая и виртуальная).

2.Выражения для расчета основных характеристик.

3.Построенная внешняя характеристика.

4.Построенные энергетические характеристики на одном рисунке.

5.Осциллограммы мгновенных напряжений и токов.

6.Сравнение полученных результатов с теоретическими зависимостями.

7.Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Какими основными параметрами характеризуется выпрямитель?

2.Как влияет характер нагрузки на работу выпрямителя?

3.Какова длительность проводящего состояния диода? От каких факторов она зависит?

4.Что такое внешняя характеристика выпрямителя?

5.В каких случаях используется нулевой диод?

6.От каких факторов зависит энергетические характеристики выпрямителя?

Литература

1.Воскобович В.Ю., Королева Т.Н., Павлова В.А. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств. Учебник. Л.: Элмор, 2000.

2.Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК. СПб.: Корона принт, 2002

3.Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005

8

сопротивлении Z H выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Временные диаграммы, характеризующие работу схемы, представлены на рис. 2.2. На временных диаграммах здесь и далее ось абсцисс – это ось времени, измеряемая в электрических градусах: t . Оси ординат – изменение во времени соответствующих электрических величин.

В реальных условиях, когда каждая обмотка трансформатора характеризуется омическим индуктивным сопротивлением xa , отличным от нуля, во всех многопульсных схемах образуются частичные контуры короткого замыкания между отдельными фазами, вовлекающие в работу одновременно не 2, а 3 и более тиристора. В простейшем случае в трехфазном мостовом выпрямителе в момент коммутации задействованы три тиристора. При этом мгновенное значение выпрямленного напряжения не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи. Для трехфазной мостовой мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока между вентилями фаз и равно

,

где ua и ub – мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Длительность протекания тока через вентили

диаграммы, характеризующие работу схемы с учетом процесса коммутации, представлены на рис. 2.3.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используется виртуальная установка для исследований, предусмотренных содержанием работы. Виртуальная лабораторная установка показана на рис. 2.4.

Всостав модели трехфазного мостового выпрямителя входят:

Источник трехфазного синусоидального напряжения (Inductive Source with neutral).

Трехфазный диодный мост (Universal Bridge).

Активно-индуктивную нагрузку (R, L).

Нулевой диод (Diode).

10