Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра Промышленной электроники.

Курс “Силовые полупроводниковые приборы”.

Лабораторная работа 3.

Методические указания

к лабораторной работе.

Составил: Р.Я. Заболев.

Новосибирск 2012

Лабораторная работа 3 по курсу “Силовые полупроводниковые приборы”

Тема:исследование условий работы полупроводниковых приборов в прерывателе переменного тока, работающего на мостовую схему выпрямления однофазного тока в режиме стабилизации среднего значения тока нагрузки.

Цели:

1) – продолжение знакомства с многообразием условий работы силовых полупроводниковых приборов в схемах силовой электроники;

2) – исследование влияния параметров нагрузки на форму анодного тока и интегральные параметры токовой загрузки приборов в исследуемой схеме;

3) – исследование влияния параметров нагрузки на мощность основных потерь и тепловую загрузку приборов в исследуемой схеме.

Метод исследования:

численный эксперимент с использованием программного обеспечения PSIM, предназначенного для моделирования электромагнитных процессов в электромеханических системах.

3.1. Принцип действия схемы

Схема силовых цепей, диаграммы токов и напряжений.

Эквивалентная схема замещения силовых цепей исследуемого в лабораторной работе преобразователя переменного тока в постоянны приведена на рис. 3.1.

Мостовой выпрямитель однофазного тока с вентильным комплектом на диодах D₁…D₄работает на активную нагрузкуR_d. Выпрямленное напряжениеu_d на выходе вентильного комплекта регулируется со стороны питающей сетиe₂прерывателем переменного тока из двух соединенных встречно-параллельно тиристоровТ₁иТ₂. Включение тиристоров осуществляется импульсами, формируемыми системой импульсно-фазового управления СИФУ.

Временные диаграммы токов и напряжений в предположении идеальной питающей сети, приведены на рис. 3.2.

На интервале времени , когда ЭДСe₂питающей сети имеет положительные значения (рис. 3.2,б), тиристорТ₁находится под прямым напряжением (рис. 3.2,г), однако он пока еще выключен. В момент времени  на управляющий электродТ₁поступает отпирающий импульсF_y1(рис. 3.2,а) и тогда он включается.

От источника питающей е₂по контуру, образованному тиристоромТ₁, диодамиD₁иD₂и сопротивлением нагрузкиR_d, начинает протекать токi_d(рис. 3.2,б и рис. 3.2,д):

(3.1)

В момент времени   анодный ток тиристораТ₁спадает до нуля и он выключается, разрывая контур протекания тока и отключая нагрузку от питающей сети.

Рис. 3.1. Эквивалентная схема силовых цепей преобразователя

На интервале времени   2когда синусоида питающей ЭДСе₂отрицательная (рис. 3.2,б) во включенном состоянии может находиться тиристорТ₂. Он вступает в работу в момент времени, когда на его управляющий электрод поступает отпирающий импульсF_y2(рис. 3.2,а).

От источника питающей е₂снова начинает протекать ток, но теперь уже через тиристорТ₂, диодыD₃иD₄и далее через сопротивление нагрузкиR_d. При этом направление протекания тока в нагрузке не изменяется (рис. 3.2,д). В то же время ток в питающей сети начинает протекать в противоположном направлении (рис. 3.2,б). Выключается тиристорТ₂в момент времени=, когда его анодный ток спадает до нуля.

На последующих полупериодах ЭДС питающей сети е₂рассмотренные выше процессы поочередного включения тиристоровТ₁иТ₂просто повторяются.

Основные расчетные соотношения.

Среднее значение напряжения на нагрузке:

(3.2)

Среднее значение тока в нагрузке:

(3.3)

Среднее значение анодных токов тиристоров:

(3.4)

Действующее значение анодных токов тиристоров:

(3.5)

Рис. 3.2. Временные диаграммы токов и напряжений в схеме

Коэффициент формы анодных токов тиристоров:

(3.6)

Характер влияния величины угла регулирования на коэффициент формы анодных токов тиристоров иллюстрирует графическая зависимость, приведенная на рис. 3.3..

Рис. 3.3. Зависимость коэффициента формы анодного тока тиристора от величины угла регулирования

Алгоритм функционирования СИФУ.

Временные диаграммы, поясняющие алгоритм функционирования системы импульсно-фазового управления, приведенные на рис. 3.4, полностью соответствуют аналогичным диаграммам в СИФУ управляемого выпрямителя (рис. 2.4 в методических указаниях к лабораторной работе 2). По этой причине здесь мы их детально анализировать не будем.

Рис. 3.4. Временные диаграммы сигналов СИФУ

Алгоритм формирования сигнала управления.

Вопрос об алгоритме формирования сигнала управленияв данном случае представляется наиболее важным.

Не будем забывать о том, что по условиям функционирования рассматриваемой системе сопротивление нагрузки R_dможет изменятьсяв широких пределах. При этом, однако, среднее значение тока в нагрузкеI_dдолжно поддерживатьсянеизменнымна заданном уровне. Отсюда следует, что СИФУ должна быть способнойкорректироватьвеличину сигнала управленияU_yв соответствии с величиной сопротивления нагрузки.

В реальных условиях подобные задачи решают, замыкая контур отрицательной обратной связи по току нагрузки.

Мы, однако, используем несколько иной подход (заметим, вовсе не самый оптимальный), превратив нашу систему управления в своеобразный “микрокалькулятор” с тем, чтобы можно было решить стоящую задачу аналитическими методами.

1. Для начала учтем, в первом приближении, влияние падения напряжения на силовых элементах схемы на среднее значение напряжения на выходных зажимах вентильного комплекта:

(3.2а)

где U_(TO)– пороговое напряжение тиристоров (по условиям эксперимента пороговое напряжение диодов принимается таким же).

2. Среднее значение тока в нагрузке по аналогии с (3.3):

(3.3а)

3. Поскольку по условиям функционирования системы варьируемым параметром является сопротивление нагрузки R_d, а стабилизируемым на заданном уровне (и, следовательно, известным) параметром – среднее значение тока нагрузкиI_d, развернем формулу (3.3а) относительноR_d:

(3.7)

Выражение (3.7) позволит нам в дальнейшем по заданному диапазону значений угла регулирования α определить допустимые граничные значения сопротивления нагрузки R_d.

4. Еще раз развернем формулу (3.3а), но уже относительно cos(α):

(3.8)

5. Теперь учтем, что при “косинусоидальных” опорных сигналах на рис. 3.4,б связь между величиной сигнала управления U_yи углом регулированияопределяется соотношением

(3.9)

6. Из (3.9) с учетом (3.8) получаем окончательное выражение, устанавливающее связь между текущим значением сопротивления нагрузки R_d и требуемой величиной сигнала управления:

(3.10)