МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тольяттинский государственный университет

Институт энергетики и электротехники

Кафедра «Промышленная электроника»

В.А. Медведев

Силовая электроника

Учебно-методическое пособие по лабораторным работам

Тольятти

ТГУ

2014

УДК 621.314.572

ББК 32.852

М42

М42 Медведев, В.А. Силовая электроника: учеб.-метод. пособие по лабораторным работам / В.А.Медведев. – Тольятти : ТГУ, 2014 - 31с.

Сборник содержит цикл лабораторных работ по дисциплине «Силовая электроника». Для каждой лабораторной работы изложены цель и программа работы, а также приводятся краткие теоретические сведения, указания по подготовке и выполнению работы, перечень контрольных вопросов и необходимой литературы.

Лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 140400.62 «Электротехника и электроэнергетика» всех форм обучения при изучении ими дисциплины «Силовая электроника».

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

© ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2014.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Исследование преобразователя частоты………………………………………...4

2. Узлы параллельной коммутации тиристоров………………………………….12

3. Автономный резонансный инвертор…………………………………………...19

4. Трехфазный автономный инвертор напряжения………………………………25

Библиографический список…...…………………………………………………...31

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

0. 1.1. Цель работы

Изучить физику процессов, происходящих в преобразователе частоты, а также исследовать электромагнитные процессы в трехфазном мостовом неуправляемом выпрямителе и трехфазном мостовом параллельном автономном инверторе тока (АИТ) с обратными диодами.

0. 1.2. Теоретические сведения

Преобразователь частоты состоит из двух частей: трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя и трехфазного мостового параллельного автономного инвертора тока с обратными диодами.

Трехфазный выпрямитель используется для создания на входе инвертора постоянного напряжения.

Автономный инвертор тока содержит трехфазный инверторный мост, выполненный на тиристорах VS1…VS6, с дросселем L_d во входной цепи (рис. 1.1, а). Коммутирующие конденсаторы С1, С2, С3 подключены параллельно нагрузке через автотрансформатор TV и соединены в звезду. Длительность проводящего состояния каждого тиристора составляет Ψ = 120⁰. Одновременно проводят ток два тиристора: один в катодной группе, другой в анодной группе. Чередование совместной работы тиристоров подчиняется следующей последовательности: 16, 63, 32, 25, 54, 41, 16, 63 и так далее.

Предположим, что в интервал времени ωt = (0÷60⁰) открыты тиристоры VS1 и VS6. Ток i_d протекает по контуру (+Е, L_d, VS1, т. А, обмотка автотрансформатора w_1А, обмотка автотрансформатора w_1С, т. С, VS6, -Е), формируя токи фаз А и С. Коммутирующие конденсаторы заряжаются по контуру (+Е, L_d, VS1, т. А, С1, С3 (R1, R3), т. С, VS6, -Е). Конденсатор С1 заряжается до максимального напряжения полярностью без скобок, так как ранее он был заряжен частично, и напряжение u_C1 возрастает. Конденсатор С2 разряжается, и отрицательное напряжение u_C2 уменьшается, а конденсатор С3 перезаряжается полярностью без скобок (рис. 1.1, б – з).

В момент времени ωt = 60⁰ открывается тиристор VS3 и тиристор VS1 закрывается, так как к нему прикладывается обратное напряжение с конденсаторов С1 и С2, заряженных полярностью без скобок, по цепи (VS1, т. А, С1, С2, т. В, VS3, VS1). На интервале ωt = (60÷120⁰) открыты тиристоры VS6 и VS3 и протекает ток фаз В и С по контуру (+Е, L_d, VS3, т. В, обмотка w_1В, обмотка w_1С, т. С, VS6, -Е). Коммутирующие конденсаторы заряжаются по контуру (+Е, L_d, VS3, т. В, С2, С3 (R2, R3), т. С, VS6, -Е). Конденсатор С₁ разряжается по цепи (С1, обмотка w_1А, обмотка w_1С, С3, С1), и напряжение u_C1 уменьшается. Конденсатор С2 перезаряжается полярностью в скобках, и напряжение u_C2 увеличивается, а конденсатор С3 заряжается до максимального напряжения полярностью без скобок, так как ранее он был заряжен частично, и отрицательное напряжение u_C3 возрастает.

В момент времени ωt = 120⁰ подается управляющий импульс на открытие тиристора VS2, он открывается, и конденсаторы С1 и С3, заряженные полярностью без скобок, закрывают тиристор VS6, прикладывая к нему обратное напряжение по цепи (VS6, т. С, С3, С1, т. А, VS2, VS6). И на интервале ωt = (120÷180⁰) открыты тиристоры VS3 и VS2 и протекает ток фаз А и В по контуру (+Е, L_d, VS3, т. В, обмотка w_1В, обмотка w_1А, т. А, VS2, -Е). Коммутирующие конденсаторы заряжаются по контуру (+Е, L_d, VS3, т. В, С2, С1 (R2, R1), т. А, VS2, -Е). Конденсатор С1 перезаряжается полярностью в скобках. Конденсатор С2 заряжается до максимального напряжения полярностью в скобках, так как ранее он был заряжен частично, и напряжение u_C2 возрастает, а конденсатор С3 разряжается по цепи (С3, С2, обмотка w_1В, обмотка w_1С, С3), и отрицательное напряжение u_C3 уменьшается.

Далее процессы, происходящие в АИТ, протекают аналогично рассмотренным. Вид кривой напряжения на каждом тиристоре на этапе закрытого состояния определяется напряжениями конденсаторов, подключаемых к нему проводящими тиристорами общей с ним группы. Так, для тиристора VS6 на интервале ωt = (120÷240⁰) (рис. 1.1, и) кривая u_VS6 определяется напряжениями конденсаторов С1 и С3, а на интервале ωt = (240÷360⁰) – напряжениями конденсаторов С2 и С3. Угол Θ на кривой напряжения на тиристоре – это угол, определяющий время, предоставляемое тиристору для восстановления запирающих свойств.

Трехфазный АИТ имеет резко падающую внешнюю характеристику [2], что является его существенным недостатком, так как во многих случаях требуется иметь на нагрузке постоянное или изменяющееся по определенному закону напряжение. Чаще всего для регулирования и стабилизации выходного напряжения в АИТ применяют неуправляемый обратный выпрямитель.

Принцип использования неуправляемого обратного выпрямителя заключается в том, что такой выпрямитель потребляет от источника переменного тока (инвертора) активную мощность. С целью увеличения КПД инвертора обратный выпрямитель по цепи постоянного тока включают на шины источника питания. Тем самым обратный выпрямитель возвращает часть преобразованной энергии вновь в источник питания. Построение схемы АИТ с обратным выпрямителем показано на рис. 1.2.

Обратный выпрямитель В и нагрузка Z_н подключены к выходу инвертора И через автотрансформатор TV с коэффициентами трансформации исоответственно.

0. 1.3. Программа работы

1.3.1. Ознакомиться с теорией и методами исследования процессов, происходящих в преобразователе частоты, схемой лабораторной установки, назначением переключателей и измерительных приборов.

1.3.2. Исследовать экспериментально работу преобразователя частоты.

1.3.3. Снять экспериментально и построить внешнюю характеристику преобразователя частоты.

0. 1.4. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка выполнена на основе промышленного преобразователя частоты ПЧ-4-42-200. На рис. 1.3 показана верхняя панель, на которой изображена принципиальная электрическая схема установки.

Входной выпрямитель преобразователя частоты выполнен на вентилях VD1…VD6 и подключается к инвертору выключателем S1. Выключатель S4 предназначен для закорачивания индуктивности L_d в пусковом режиме АИТ.

Автономный инвертор тока на тиристорах VS1…VS6 собран по схеме с обратным выпрямителем на диодах VD7…VD12. Коммутирующие конденсаторы С1…С3 подключены параллельно первичной обмотке автотрансформатора TV и соединены в звезду. Нагрузка R_н включена во вторичную обмотку автотрансформатора TV. Величина сопротивления нагрузки регулируется ступенчато переключателем S6, расположенным на задней стенке лабораторной установки.

Лабораторная установка питается от трехфазной сети переменного тока. Питающее напряжение подается на установку при включении автоматического выключателя, расположенного на передней стенке лабораторной установки. Там же расположена сигнальная лампа «Сеть», загорание которой свидетельствует о наличии напряжения.

Для проведения экспериментальных исследований работы преобразователя частоты лабораторная установка укомплектована электронным осциллографом ЭО, вольтметром PV1 и комплектом приборов, содержащим

вольтметр переменного тока PV2, амперметр РА, ваттметр PW. Для получения диаграмм на экране осциллографа на верхнюю панель лабораторной установки выведены гнезда. Гнезда XS5 и XS6 предназначены для подключения осциллографа. Гнезда XS1 и XS2 предназначены для снятия диаграмм напряжения, а гнезда XS3 и XS4 – для снятия диаграмм тока. Гнезда XS1 и XS2 или XS3 и XS4 подключаются через соединительные провода к соответствующим измерительным гнездам на верхней панели лабораторного стенда.

Выключатели S2 и S3 при выполнении лабораторной работы не используются и находятся все время в отключенном положении.