Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2756

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
1.22 Mб
Скачать

2756

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ по дисциплине

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения

Составитель: Л.С. Лабунский

Самара

2011

1

УДК 621.382.2/3

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» для студентов специальности 190401 – «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения / составитель : Л.С. Лабунский. – Самара : СамГУПС, 2011. – 54 с.

Утверждены на заседании кафедры 14.01.2011 г., протокол № 7. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов по рассматриваемой дисциплине.

В методических указаниях содержатся основные сведения о теории работы трехфазных выпрямителей и инверторов тяговых подстанций постоянного тока, параллельного и последовательного соединения силовых диодов и тиристоров. Представлены принципиальные схемы испытательных стендов, рассмотрены примеры расчета схем, приведены контрольные вопросы.

Составитель: Лабунский Леонид Сергеевич, к.т.н., профессор кафедры ЭСЖТ СамГУПС

Рецензенты: к.т.н., доцент, зав. кафедрой ЭСЖТ СамГУПС М.А. Гаранин; зам. начальника службы Э Куйбышевской железной дороги В.Н. Положенцев

Редактор И.А. Шимина Компьютерная верстка Е.А. Самсонова

Подписано в печать 24.02.2011. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 3,4. Тираж 120 экз. Заказ № 31.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2011

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Исследование схем параллельного соединения мощных полупроводниковых диодов

Цель работы: исследование схемы выравнивания тока между параллельно включенными полупроводниковыми диодами.

Краткие теоретические сведения

В мощных выпрямительных установках токи в вентильных обмотках преобразовательных трансформаторов часто оказываются больше номинальных токов, допустимых для отдельных полупроводниковых диодов. Для пропуска таких токов несколько диодов включают параллельно.

При полной идентичности прямых ветвей вольтамперных характеристик параллельно включенных диодов суммарный ток в цепи распределялся бы между ними равномерно. Однако вольтамперные характеристики диодов, даже изготовленных из одного монокристалла, не идентичны.

Как прямые, так и обратные ветви вольтамперных характеристик диодов одной группы могут иметь различие в пределах допустимого стандартом разброса прямого падения напряжения и обратного тока [1].

На рис. 1.1 приведены прямые ветви вольтамперных характеристик двух диодов, рассчитанных на одинаковый предельный ток Iн и имеющих прямое падение напряжения при таком токе соответственно U1 и U2. При параллельном включении таких диодов и пропуске расчетного двойного тока 2Iн на диодах установится общее падение напряжения U0, которое U1< U0< U2.

I

1

I1

2

Iн

I2

Uпр

U1

U0

U2

Рис. 1.1. Распределение тока между параллельно включенными диодами

Этому падению напряжения соответствуют токи I1 и I2 (в сумме равные 2Iн), протекающие соответственно в первом и втором диодах. Однако ток первого

3

диода I1 > Iн, т. е. диод будет работать с перегрузкой. Это вызовет большее, чем у второго диода, повышение температуры р-n-перехода, снижение внутреннего сопротивления, и, следовательно, дальнейшее увеличение тока. При длительном пропуске тока 2Iн это может повлечь за собой выход из строя первого диода.

Следовательно, различие в прямых ветвях вольтамперных характеристик, вызываемое различием внутреннего сопротивления полупроводниковых диодов, при параллельном включении обусловливает их неравномерную нагрузку.

Специальный подбор диодов по характеристикам, возможный на заводеизготовителе, чрезвычайно затруднителен, а в условиях эксплуатации при ограниченном числе диодов практически невозможен. Поэтому при необходимости параллельного включения диодов число их берут с запасом, учитывающим неравномерное деление тока, и принимают меры по выравниванию тока между параллельно включенными вентилями.

В качестве устройств выравнивания тока могут применяться резисторы или реакторы, включаемые последовательно с диодами. Так как применение резисторов совместно с мощными диодами связано с большими потерями энергии в них, для выравнивания токов через параллельно включаемые диоды применяют реакторы – индуктивные делители тока (ИДТ).

Обычно индуктивный делитель выполняют на тороидальном сердечнике из стали с высокой магнитной проницаемостью, сквозь окно которого пропускают два токоведущих провода, каждый из которых соединен с одним из параллельно включаемых вентилей (рис. 1.2). Эти провода могут образовывать вокруг сердечника один или несколько витков.

а б

Рис. 1.2. Индуктивный делитель тока:

а – конструктивное исполнение; б – схема включения двух диодов через ИДТ

Направление тока в проводах выбирают так, чтобы намагничивающие силы, создаваемые токами, были направлены встречно. При одинаковых вольтамперных характеристиках вентилей токи в них равны, поэтому магнитодвижущие силы этих обмоток взаимно компенсируются и результирующий поток равен нулю. При различии прямых ветвей вольтамперных характеристик результирующий магнитный поток, вызываемый током в более нагруженной обмотке, наводит добавочную ЭДС в обмотке, соответствующей

4

менее нагруженному диоду, вследствие чего ток в ней увеличивается. Обычно применяют одновитковые делители, конструкция которых наиболее проста. При изготовлении такого делителя магнитный сердечник с пропущенными в его окно двумя токоведущими проводами заливают эпоксидным компаундом, оставляя неизолированными концы проводов (шин) для включения в схему [2].

Применяют несколько способов включения индуктивных делителей для симметрирования тока. На рис. 1.3, а представлена «замкнутая кольцевая схема» для пяти параллельно включаемых диодов, а на рис. 1.3, б схема с «задающим вентилем». При числе параллельно включаемых вентилей меньшем шести целесообразно применять замкнутую кольцевую схему включения делителей, а при числе вентилей шесть и более – схему с задающим вентилем.

а

б

Рис. 1.3. Схема включения ИДТ:

а – замкнутая кольцевая схема; б – схема с задающим вентилем

Эффективность делителей тока определяется площадью сечения сердечника и числом витков. При правильно рассчитанных делителях небаланс токов в параллельных ветвях не превышает 10 %.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой стенда, представленной на рис. 1.4.

5

 

SA1

SA2

 

A1

A2

ЛАТР

Т1

ИДТ

 

SA3

Сеть

VD1

K1 V1 K2

VD2

K3

Рис. 1.4. Стенд для исследования параллельного соединения

мощных полупроводниковых диодов

2.Замкнуть переключатели SA1 и SA3. Подключить цифровой вольтметр к контрольным точкам К1 и К3. Переключатель аналогового вольтметра V1 на стенде переключить в левое положение.

3.Подключить стенд к лабораторному автотрансформатору (ЛАТР) и включить переключатель «Сеть».

4.Снять прямую ветвь вольтамперной характеристики первого диода (VD1). Для этого изменить напряжение на входе стенда с помощью ЛАТР и записать показания амперметра А1 и цифрового вольтметра. Результаты измерений занести в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Результаты измерения вольтамперной характеристики диода VD1

I1, A

0

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

U1, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Убавить напряжение ЛАТР до минимального значения. Разомкнуть переключатель SA1 и замкнуть переключатель SA2. Переключатель аналогового вольтметра V1 на стенде переключить в правое положение. Подключить цифровой вольтметр к контрольным точкам К2 и К3.

6.Снять прямую ветвь вольтамперной характеристики второго диода (VD2). Для этого изменить напряжение на входе стенда с помощью ЛАТР и записать показания амперметра А2 и цифрового вольтметра. Результаты измерений занести в таблицу 1.2. Убавить напряжение ЛАТР до минимального значения.

Таблица 1.2

Результаты измерения вольтамперной характеристики диода VD2

I2, A

0

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

U2, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

7. По результатам измерений построить графики вольтамперных характеристик диодов VD1 и VD2, как показано на рис. 1.1. Определить по графику вольтамперных характеристик прямое напряжение U0 и токи диодов I1 и I2 при этом напряжении.

8.Замкнуть переключатели SA1 и SA2. Переключатель аналогового вольтметра V1 на стенде переключить в правое положение.

9.Установить на диодах прямое напряжение U0, определённое по графику вольтамперных характеристик. Записать показания амперметров А1 и А2. Сравнить полученные результаты со значениями токов, полученными из графиков вольтамперных характеристик. Определить небаланс токов в параллельно соединенных диодах (без ИДТ) по формуле:

I =

 

I 2 I1

 

100% .

(1.1)

1

( I 2 + I1 )

 

2

 

 

 

 

 

 

 

10. Включить ИДТ переключателем SA3. Записать показания амперметров А1 и А2. Определить небаланс токов в параллельно соединенных диодах с включённым ИДТ по формуле (1.1). Сравнить результаты расчётов.

Содержание отчета

1.Принципиальная схема стенда для исследования параллельного соединения мощных силовых диодов.

2.Таблицы результатов измерений.

3.График вольтамперных характеристик.

4.Результаты расчётов небаланса токов без ИДТ и с ИДТ.

Контрольные вопросы

1.Для чего применяется параллельное соединение мощных полупроводниковых диодов?

2.Почему ток между параллельно соединенными диодами делится неравномерно?

3.Какие меры необходимо принять, чтобы ток между параллельно включенными диодами делился равномерно?

4.Что такое индуктивный делитель тока ИДТ?

5.Изобразите схему включения ИДТ для 2, 3, 4 и 5 диодов. Почему в данном случае применяют замкнутую кольцевую схему?

6.Когда выгоднее применять схему с задающим вентилем? Нарисуйте такую схему для шести диодов.

7.Что такое предельный ток диода? Как он зависит от условий охлаждения?

8.На какой предельный ток рассчитаны диоды марки В200; ДЛ163 – 500?

7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование схемы последовательного соединения мощных полупроводниковых диодов

Цель работы: исследование схемы выравнивания напряжения между последовательно включенными полупроводниковыми диодами.

Краткие теоретические сведения

Электрическая прочность полупроводниковых диодов, определяемая допустимыми значениями повторяющихся напряжений, ниже, чем требуется для применения их в высоковольтных преобразователях. Поэтому при использовании полупроводниковых диодов в преобразователях, где обратные напряжения, прикладываемые к закрытым диодам, превышают допустимое обратное напряжение одного диода, несколько диодов соединяют последовательно.

Число последовательно включенных диодов выбирают из условия обеспечения их электрической прочности при приложении периодически повторяющихся обратных напряжений, а также коммутационных и атмосферных перенапряжений, ограниченных разрядниками. Максимальное значение обратного напряжения, воспринимаемого диодами, определяется схемой включения и параметрами преобразователя, а перенапряжения – остаточными напряжениями на разрядниках и параметрами демпфирующих R-С-цепей, которыми защищаются преобразовательные установки [1].

При последовательном соединении диодов возникают затруднения, вызываемые неравномерным распределением обратного напряжения между отдельными диодами вследствие разброса значений их внутреннего сопротивления. С увеличением температуры р-п-перехода эта неравномерность может увеличиваться. Обратное сопротивление диода характеризуется значением обратного тока Iобр при допустимом обратном напряжении

Rобр =

U обр

 

 

.

(2.1)

 

 

Iобр

 

Даже весьма малая разница в обратных токах означает большое различие внутренних сопротивлений диодов. Например, для мощных диодов на предельный ток Iп = 200 А допустимое максимальное значение обратного тока составляет 8 мА. Для двух таких диодов 12-го класса, обладающих обратными токами, например 6,0 и 4,0 мА, статическое обратное сопротивление составит:

Rобр1

=

U обр1

=

1200

= 200

кОм;

Rобр2

=

U обр2

=

1200

= 300

кОм.

 

Iобр1

 

6

 

Iобр2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 2.1 приведены обратные ветви вольтамперных характеристик двух диодов, рассчитанных на одинаковое обратное напряжение Uп, и имеющих обратные токи при таком напряжении соответственно I1 и I2. При последовательном включении таких диодов и приложении расчетного двойного обратного напряжения 2Uп, через диоды будет протекать обратный ток I0, который I1< I0< I2.

8

U1

Uп

U2

 

 

Uобр

 

I1

I0

 

 

 

I2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

Iобр

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Распределение обратного напряжения

между последовательно включенными диодами

При протекании общего для всех последовательно включенных диодов обратного тока приложенное обратное напряжение распределяется между диодами пропорционально их обратным сопротивлениям. Вследствие этого к диоду, обладающему наибольшим сопротивлением, будет приложено недопустимо высокое напряжение, что может вызвать пробой его, а затем и остальных последовательно включенных диодов. Поэтому при последовательном соединении нескольких диодов должны быть приняты меры для обеспечения равномерного распределения обратного напряжения между ними. Это достигается путем включения параллельно каждому диоду шунтирующего резистора одинакового сопротивления. Эти резисторы образуют делитель напряжения (рис. 2.2). Для того чтобы деление обратного напряжения между диодами определялось сопротивлениями этих резисторов, сопротивление шунтирующего резистора выбирают в 3–5 раз меньше минимального обратного сопротивления [2].

Rш1 VD1

Rш2 VD2

Рис. 2.2. Подключение шунтирующих резисторов к последовательно включенным диодам

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться со схемой стенда, представленной на рис. 2.3.

2.Поставить переключатель SA3 в крайнее левое положение (против

часовой стрелки), чтобы установить Rш = . Разомкнуть переключатель SA1 и замкнуть переключатель SA2.

3. Подключить стенд к лабораторному автотрансформатору (ЛАТР) и включить переключатель «Сеть».

9

А1

Rш1

Rш10

ЛАТР Т1 SA1

V1

VD1

Сеть

SA3

 

SA2 VD2

V2

Rш1

Rш10

Рис. 2.3. Стенд для исследования последовательного соединения

мощных полупроводниковых диодов

4. Снять обратную ветвь вольтамперной характеристики первого диода (VD1). Для этого изменить напряжение на входе стенда с помощью ЛАТР и записать показания миллиамперметра А1 и вольтметра V1. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1

 

Результаты измерения вольтамперной характеристики диода VD1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1, В

 

0

50

100

150

200

250

 

300

 

I1, мA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.Убавить напряжение ЛАТР до минимального значения. Разомкнуть переключатель SA2 и замкнуть переключатель SA1.

6.Снять обратную ветвь вольтамперной характеристики второго диода (VD2). Для этого изменить напряжение на входе стенда с помощью ЛАТР и записать показания миллиамперметра А1 и вольтметра V2. Результаты измерений занести в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Результаты измерения вольтамперной характеристики диода VD2

U2, В

0

50

100

150

200

250

300

I1, мA

 

 

 

 

 

 

 

7.По результатам измерений построить графики вольтамперных характеристик диодов VD1 и VD2, как показано на рис. 2.1. Определить по

графику вольтамперных характеристик обратный ток I0 и обратные напряжения диодов U1 и U2 при этом токе.

8.Рассчитать обратные сопротивления диодов по формуле (2.1). Выбрать величину Rш в 3–5 раз меньше наименьшего обратного сопротивления.

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]