Н.А. Резниченко Исследование однофазного регулируемого выпрямителя на тиристорах

Министерство образования Российской Федерации Государственное учреждение

Кузбасский государственный технический университет Кафедра общей электротехники

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО РЕГУЛИРУЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА ТИРИСТОРАХ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Электротехника и электроника"

для студентов специальности 170100 "Горные машины и оборудование"

Составитель Н.А.Резниченко

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 6 от 23.02.01

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией cпециальности 170100 Протокол № 5 от 2.04.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2001

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя на тиристорах; снятие, исследование и построение характеристик выпрямителя.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Для питания многих устройств необходимо решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке с целью обеспечения требуемого режима ее работы (например при управлении скоростью двигателей постоянного тока). Регулирование выходного напряжения выпрямителей трансформатором с отпайками на вторичной стороне, автотрансформатором, трансформатором с подмагничиванием сердечника постоянным током (выпрямители средней и большой мощности), с помощью реостата или потенциометра (выпрямители малой мощности) при относительной простоте характеризуется низким КПД вследствие значительного потребления энергии в регулировочных элементах, громоздкостью устройств и неэкономичностью (высокая стоимость регуляторов).

Наиболее экономичным, удобным и поэтому самым распространенным способом управления выпрямленным напряжением (током), не имеющим перечисленных недостатков, является фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых тиристоров, в связи с чем выпрямитель называется управляемым.

На рис.1 приведена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевой (средней) точкой трансформатора. Схема состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки О этих обмоток. Свободные концы вторичных обмоток а и б присоединяются к анодам тиристоров VS1, VS2, катоды которых соединены вместе. Нагрузка Rн включается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и

2

нулевым выводом О трансформатора, который служит отрицательным полюсом. Тиристоры VS1 и VS2, как и вторичные обмотки трансформатора, могут работать поочередно через полупериод при положительных значениях анодных напряжений U2a, U2б (рис.2, а). Момент открывания тиристоров VS1, VS2 в этом случае определяется моментом подачи на управляющий электрод от системы управления СУ импульсов управления Uy (рис.2, б).При подаче таких импульсов в моменты времени ωt1 и ωt2 тиристоры соответственно VS1 и VS2

открываются с задержкой по отношению к моментам перехода напряжения через нуль (момент естественного отпирания тиристоров), то есть в общем случае с фазовым сдвигом α = ωt, где ω - угловая частота напряжения сети. Угол α, отсчитываемый от точки естественного отпирания тиристоров и выраженный в градусах, называют углом управления. Поскольку управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямляемого напряжения, то угол управления для обоих тиристоров остается постоянным.

В интервале времени 0 - ωt1 и π - ωt2 мгновенное значение напряжения на нагрузке равно нулю (рис.2, д), так как оба тиристора заперты, а в моменты времени ωt1 и ωt2 оно возрастает скачком, изменяясь затем по синусоидальному закону до момента перехода напряжения через нуль. Изменение угла управления позволяет регулировать выпрямленное напряжение Ud. Среднее значение выпрямленного напря-

3

Рис.2. Временные диаграммы в однофазном регулируемом выпрямителе с нулевой точкой: а) напряжений на вторичных обмотках трансформатора; б) сигналов управления на управляющих электродах VS1 и VS2; в) тока во вторичной полуобмотке а0 трансформатора и в тиристоре VS1; г) тока во вторичной полуобмотке б0 трансформатора и в тиристоре VS2; д) напряжения и тока в нагрузке; е) тока в первичной обмотке трансформатора; ж) напряжения на тиристоре VS1

Выражение (2) представляет собой уравнение регулировочной характеристики управляемого выпрямителя (рис.3). Зависимость изменения напряжения на нагрузке Ud при изменении тока нагрузки Id называется внешней нагрузочной характеристикой, которая описы-

ся незначительно из-за малых

личии простейшего емкостного фильтра∆U напряжение∆U , I Rхолостого= 0. Приходана-

a тр d ф

определяется амплитудным напряжением фазы трансформатора, а

5

снижение напряжения Ud с ростом Id происходит более резко. Еще более резко снижается напряжение на нагрузке при наличии RCфильтра, так как Rф составляет заметную величину.

При включении LCфильтра снижение напряжения Ud значительно меньше, так как активное сопротивление последовательного элемента фильтра Rф определяется активным сопротивлением провода обмотки дросселя, а оно невелико. Внешняя характеристика

управляемого выпрямителя с учетом потерь имеет такой же вид, как и для неуправляемого. На рис.5 показаны характеристики при различных углах управления α. Так как с увеличением угла управления среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается, то характеристики сдвигаются вниз относительно оси ординат.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для исследования однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевой точкой используется переносной стенд (рис.6), на передней панели которого приведены силовая схема выпрямителя, схема системы управления, измерительные приборы (вольтметр и амперметр), переключатели для изменения Rф и Rн, режимов работы выпрямителя на активную и активно-индуктивную нагрузки.

Для визуального наблюдения за характером поведения напряжений и токов на отдельных участках схемы на панель выведены контрольные гнезда.

6

Рис. 6. Схема переносного стенда для исследования однофазного регулируемого выпрямителя

7

СИЛОВАЯ ЧАСТЬ

Схема силовой части выпрямителя показана на передней панели стенда (см. рис.6) и соответствует схеме выпрямителя на рис.1, работающего на активную нагрузку.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Сущность управления выпрямленным напряжением заключается в задержке момента включения тиристора по отношению к моменту его естественного отпирания. Включение тиристоров со сдвигом фаз на угол α (угол управления) производится импульсными сигналами, которыми обычно являются импульсы прямоугольной формы малой длительности, либо кратковременными импульсами с крутым передним фронтом.

Система управления предназначена для формирования управляющих импульсов подобной формы и подачи их на управляющие электроды с требуемым фазовым сдвигом.

Существуют разнообразные системы управления, но все они состоят из трех основных элементов (рис.7).

Входное устройство создает многофазное напряжение, синхронизированное с напряжением питающей сети Uc. Фазосдвигающее устройство обеспечивает требуемый сдвиг фазы управляющих импульсов и тем самым определяет угол регулирования. В данной схеме стенда (см. рис.6) используется мостовой фазовращатель с ручным управлением (рис.8,а), имеющий векторную диаграмму напряжений, приведенную на рис.8, б. При изменении сопротивления Rф фаза напряжения Ucd, являющегося выходным напряжением мостового фазовращателя, при постоянной амплитуде плавно изменяется от 0 до 180°. Напряжение Ucd с выхода фазовращателя (см. рис.6) поступает на входы усили-

9

начальную фазу выходного напряжения фазовращателя посредством переключателя Rф (см. рис.6), можно изменить момент возникновения управляющих импульсов, то есть регулировать значение выпрямленного напряжения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Подготовить к работе электронный вольтметр, осциллограф.

2.Включить в сеть переносной стенд ЭС16 «Однофазный регулируемый выпрямитель на тиристорах» и проверить работоспособность устройств.

3.Снять регулировочную характеристику выпрямителя Udср=f(α) при активной нагрузке (S1 в положении Rн), заданной преподавателем. Данные занести в табл.1.

Таблица 1

Uн, В

Iн, А

α, °

4.При параметрах, заданных преподавателем, снять осциллограммы напряжений и токов на нагрузочном резисторе.

5.Снять нагрузочную характеристику выпрямителя Uнср=f(Iнср) при активной нагрузке (S1 в положении Rн) и при активно-индуктивной нагрузке (S1 в положении RнLн), изменяя переключателем Rн ее значе-

ние при α, задаваемых преподавателем. Данные занести в табл.2.