Лабораторная работа 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Цель работы: изучить принцип фазо-импульсного управления тиристорным выпрямителем и исследовать его характеристики.

3.1 Теоретические сведения

От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы (автотрансформаторы, трансформаторы с подвижными обмотками, с подмагничиванием сердечника и др.). Управление выпрямителем может также осуществляться с помощью реостатов или потенциометров, включаемых в цепи постоянного или переменного тока. Однако, подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют низкий к.п.д., большие массу, габариты и стоимость.

Более экономичным и удобным является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.

Управляемые выпрямители чаще всего строятся на тиристорах.

Тиристорами называют управляемые полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) р-n структур, способные под действием сигналов управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее).

Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной р-n-р-n структуре. Условно-графическое изображение такого тиристора приведено на рис. 3.1. Электроды прибора называются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод.

а б в

Рисунок 3.1 – Тиристор управляемый по катоду (а), управляемый по аноду (б) и схема включения тиристора (в)

Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 3.1, в), то при нулевом сигнале на управляющем электроде ток в цепи будет отсутствовать

(I = 0). Это связано с тем, что в закрытом состоянии сопротивление тиристора очень велико. Если на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор открывается и через нагрузку R_Н начинает протекать ток. Падение напряжения на включенном тиристоре мало (U_ПР._ОТКР = 1 – 3 В), поэтому анодный ток после включения определяется выражением

I_Н» U_П/ R_Н

Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля или до отрицательного значения (U_П £ 0) или прерывания анодного тока. Управляющая цепь выполняет только одну функцию – включение тиристора. Такой тип тиристора является наиболее распространенным и называется однооперационным или незапираемым.

Существуют также двухоперационные (запираемые) тиристоры. В этих приборах при подаче отрицательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса.

Если включить тиристор в электрическую цепь с источником переменного напряжения, то тиристор будет проводить ток в каждый положительный полупериод («+» подведен к аноду) при условии подачи управляющего импульса вначале каждого положительного полупериода. Изменяя момент подачи управляющего импульса, то есть угол сдвига момента подачи управляющего импульса относительно начала положительного полупериода, можно управлять средним значением тока и напряжения на нагрузке. Этот угол сдвига обозначают a и называют углом открытия (включения) тиристора.

Управляемый тиристорный выпрямитель содержит (рис. 3.2, а) трансформатор Т, выпрямительный блок на тиристорах VS и блок фазового управления БФУ.

В зависимости от назначения выпрямителя выпрямительный блок может строиться по однополупериодной, однофазной или трехфазной мостовой, шестифазной с уравнительным реактором, кольцевой и другим схемам.

Блок фазового управления обеспечивает формирование управляющих импульсов и их фазовое регулирование. Число каналов управления равно числу тиристоров выпрямительного блока. Изменение фазы импульсов может осуществляться ручным регулятором или автоматически в зависимости от сигналов обратной связи.

Если нагрузка работает на переменном токе, то она включается в сеть через пару (или несколько пар при многофазной нагрузке) встречно-параллельно включенных тиристоров (рис. 3.2, б).

Рисунок 3.2 – Структурная схема тиристорного выпрямителя (а) и управления нагрузкой, работающей на переменном токе

Блоки фазового управления могут строится по различным схемам. Основными являются схемы с использованием фазосдвигающей цепочки (фазовращателя) и схемы, использующие ток, называемый вертикальным принципом управления.

На рис. 3.3 приведена схема импульсно-фазового управления однополупериодным, однофазным выпрямителем с мостовым фазовращателем.

Рисунок 3.3 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с

импульсно-фазовым управлением

В состав мостового фазовращателя входят: вторичная обмотка трансформатора Т₁, содержащая две одинаковые части W₂ = W₃ c выводом от средней точки, конденсатор С₁ и резистор R₁. Обозначим напряжения на обмотках трансформатора U₃ и U_4, напряжение на конденсаторе U_С, а напряжение на резисторе U_R. Очевидно, что

`U<sub>2</sub> +`U₃ =`Uав = `U_С +`U_R

Напряжения U₃ и U₄ совпадают по фазе между собой и с напряжением на обмотке W₂, от которой питается цепь нагрузки тиристорного выпрямителя. Напряжение на конденсаторе U_С отстает по фазе от напряжения на резисторе U_R на 90°. Векторная диаграмма напряжений фазовращателя приведена на рис. 3.4.

Рисунок 3.4 – Векторная диаграмма фазовращателя

Так как векторы напряжений `U<sub>С</sub> и`U_R сдвинуты на 90° и сумма их при любых значениях U_C и U_R`постоянна, то точка сложения этих векторов (точка d) лежит на окружности радиуса R = U<sub>3</sub> = U<sub>4</sub>. Выходное напряжение фазовращателя U<sub>фв</sub> = U<sub>сd</sub> на векторной диаграмме отображается вектором `U_cd. Этот вектор сдвинут относительно напряжений U₃ и U_4, а значит и U₂ на угол a. Изменяя величину сопротивления резистора R₁ или емкость конденсатора C_1, можно изменять угол a. Обычно переменным выполняют резистор R₁. При R₁®0, a ® 0, а при R ® ¥, a ® 180°. При этом амплитуда напряжения U_сd остается постоянной U_сd = U₃ = U₄.

Напряжение с выхода фазовращателя U_фв = U_сd поступает на вход усилителя – ограничителя на транзисторе VT1. Параметры усилителя выбираются таким образом, что режим насыщения транзистора в отрицательный полупериод U_ФВ и режим отсечки в его положительный полупериод достигаются при напряжении фазовращателя многократно меньшем амплитудного. Поэтому на выходе усилителя получаем трапецеидальные (близкие к прямоугольным) импульсы напряжения U_КЭ. Далее эти импульсы дифференцируются цепочкой R₂C₂ и через диод VD1 подаются на управляющий электрод тиристора. После дифференцирования получаем короткие двуполярные импульсы, а диод VD1 пропускает на управляющую цепь тиристора только положительные импульсы.

Трапецеидальные и управляющие импульсы сдвигаются по фазе относительно сетевого напряжения вместе с выходным напряжением фазовращателя. Угол сдвига фаз a между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора определяет угол включения тиристора.

Временные диаграммы напряжений однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя для a = 0 и a = 90° приведены на рис. 3.5.

Рисунок 3.5 – Временные диаграммы напряжений: на аноде U_а, на выходе фазовращателя U_ФВ, на коллекторе транзистора U_КЭ, на управляющем электроде тиристора U_У и на нагрузке U_Н при a = 0 и a = 90°

Среднее значение напряжения на нагрузке без учета потерь на тиристоре определится по формуле

, (3.1)

где U_2m – амплитудное значение переменного напряжения, поданного на анодную цепь тиристора.

3.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает:

- лабораторный стенд;

- электронный осциллограф;

- вольтметр и амперметр.

3.3 Порядок выполнения работы

3.3.1 Ознакомиться со схемой лабораторного стенда и измерительными приборами.

3.3.2 Включить осциллограф в сеть и после подогрева установить линию развертки по центру экрана на нулевую линию.

3.3.3 Подключить вход осциллографа к выходу фазовращателя (гнезда 11, 17).

3.3.4 Включить питание лабораторного стенда и, вращая потенциометр фазовращателя R1, наблюдать сдвиг фазы U_ФВ на экране осциллографа.

3.3.5 Последовательно переключая штекер входа осциллографа из гнезда 11 в гнезда 12, 13, 14, 15, наблюдать временные диаграммы напряжений соответственно на выходе усилителя–ограничителя, дифференцирующей цепочки, на управляющем электроде тиристора и на нагрузке.

3.3.6 Сделать зарисовки всех осциллограмм.

3.3.7 Подключить параллельно нагрузке осциллограф (гнезда 15. 17) и вольтметр (гнезда 16, 18).

3.3.8 Определить, используя шкалу на экране осциллографа, амплитудное значение напряжения на нагрузке U_Нmax.

3.3.9 Изменяя угол открытия тиристора a от 0 до 180°, через каждые 30° фиксировать по вольтметру соответствующие значения среднего напряжения на нагрузке. Результаты измерений занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1 – Результаты измерений

3.3.10 Произвести теоретический расчет среднего напряжения на нагрузке для заданных значений a, используя формулу 3.1.

3.3.11 Построить графики зависимостей U_{Н.СР.ЭКСПЕР} =¦(a) и U_{Н.СР.РАСЧ}=¦(a).

3.3.12 Подключить вольтметр параллельно тиристору (гнезда 1, 2) и включить амперметр в цепь нагрузки (гнезда 3, 4)..

3.3.13 Установить a = 0 и определить ток нагрузки и падения напряжений на нагрузке и на тиристоре. Рассчитать мощность, выделяемую на нагрузке Р_Н и мощность, теряемую на тиристоре Р_Т. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты измерений и вычислений

3.4 Содержание отчета

3.4.1 Наименование и цель работы.

3.4.2 Электрическая схема однофазного управляемого выпрямителя (рис. 3.3).

3.4.3 Временные диаграммы напряжений на элементах выпрямителя.

3.4.4 Результаты измерений и вычислений.

3.4.5 Выводы по работе.

3.5 Контрольные вопросы

3.5.1 При каких условиях обеспечивается включение и выключение тиристора?

3.5.2. Что такое угол включения тиристора?

3.5.3. Принцип работы мостового фазовращателя.

3.5.4. Как изменяется ток нагрузки в зависимости от угла включения тиристора?

3.5.5 Применение фазо-импульсного тиристорного управления в сварочном оборудовании и системах автоматического регулирования.