Лабораторная работа №7. Сглаживающие фильтры в цепи постоянного тока управляемого выпрямителя

Цель работы. Исследовать влияние L -и LC -фильтра на выходное напряжение преобразователя, определить коэффициент сглаживания, получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, освоить процедуру снятия выходной характеристики преобразователя.

Основные теоретические положения

Кривая выходного напряжения выпрямителя всегда имеет пульсирующий характер независимо от схемы выпрямления. Ее можно представить как сумму постоянной и переменной составляющих. Чем меньше амплитуда переменной составляющей, тем меньше пульсация кривой выходного напряжения. Таким образом, качество выпрямленного напряжения можно оценивать по отношению амплитуды переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения. Это отношение называют коэффициентом пульсации :

(7.1)

где – коэффициент пульсации n -й гармоники; – амплитуда п -й гармоники.

Анализ показывает, что наиболее весома первая гармоника пульсирующей составляющей, поэтому при расчетах фильтров за коэффициент пульсации принимают отношение амплитуды первой гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации кривой выходного напряжения выпрямителя по первой гармонике:

(7.2)

Ниже приведены расчетные коэффициенты пульсации q, %, для m -пульсных выпрямителей:

m ……………………….2 3 6 12 24

………………………66, 7 25 5, 7 1, 4 0, 35

Очевидно, что с ростом пульсности выпрямления резко уменьшается коэффициент пульсации, что свидетельствует об улучшении качества выпрямленного напряжения.

При питании конкретного потребителя требуемый коэффициент пульсации выпрямленного напряжения должен быть не выше заданного значения (от нескольких процентов до десятых долей процента). Для уменьшения коэффициента пульсаций необходимо снижать амплитуду пульсации выпрямленного напряжения. Обычно в качестве элементов фильтра используются реактивные элементы (дроссели и конденсаторы), так как их сопротивления зависят от частоты протекающего тока.

Параметры фильтра рассчитываются из условия подавления самой низшей гармоники выходного напряжения выпрямителя. Если совокупность реактивных элементов фильтра эффективно подавляет низкочастотную составляющую выходного напряжения, то высокочастотную составляющую фильтр тем более подавит. Степень эффективности (сглаживания) фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания S -фильтра. Под коэффициентом сглаживания понимают отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра :

(7.3)

Сглаживающие фильтры делятся на простые, сложные и резонансные. На рисунке 6.1 показаны основные типы сглаживающих фильтров, используемых в устройствах силовой электроники.

Рисунок 7.1 – Основные типы сглаживающих фильтров а) простой индуктивный; б) простой емкостной; в) Г -образный RC -фильтр; г) Г -образный LC -фильтр; д) многозвенный фильтр; е) резонансный фильтр

Простой индуктивный фильтр (рисунок 7.1, а) состоит из дросселя , включенного последовательно с сопротивлением нагрузки . Поскольку активное сопротивление обмотки дросселя много меньше, чем сопротивление нагрузки , то постоянная составляющая напряжения на выходе выпрямителя будет равна среднему значению напряжения на нагрузке , тогда как переменная составляющая выходного напряжения выпрямителя распределится пропорционально сопротивлениям по переменной составляющей между реактивным сопротивлением дросселя (, где – угловая частота колебаний первой гармоники пульсирующего напряжения) и сопротивлением нагрузки .

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент пульсации?

2. Какими параметрами определяется качество напряжения на выходе выпрямителя и нагрузке?

3. От чего зависит коэффициент пульсации выходного напряжения выпрямителя без фильтра?

4. Какие типы фильтров используются в выпрямителях?

5. Что такое коэффициент сглаживания?

6. Почему при использовании емкостного фильтра значение напряжения и пульсации на нагрузке зависят от значения ее сопротивления?

7. Какую форму имеет ток, потребляемый из сети, при работе выпрямителя с емкостным фильтром?

Лабораторная работа №8. Исследование работы ведомого инвертора

Цель работы. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, получить наглядное представление о работе инвертора, естественные внешние характеристики инвертора.

Основные теоретические положения

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

Термин «инвертирование» происходит от латинского inversio - переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, при котором поток энергии изменяет свое направление на обратное и поступает от источника постоянного тока в сеть переменного тока. Такой режим был назван в противоположность выпрямительному режиму инверторным, а преобразователь, осуществляющий процесс передачи энергии от источника постоянного тока в сеть переменного тока, – инвертором. Поскольку электрические параметры преобразователя на стороне переменного тока (частота переменного тока, действующее значение напряжения) в этом случае полностью определяются параметрами сети, то такой инвертор называют зависимым, или ведомым сетью.

Исторически термин «инвертор» в преобразовательной технике распространился на все виды статических преобразователей электрической энергии постоянного тока в переменный.

Инвертирование потока энергии из прямого на обратное направление сложнее происходит в системе «тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока» (ТП-Д), чем в системе Г-Д.

Сложность вытекает из того, что не удается изменить направление тока в якорной цепи, вследствие односторонней проводимости вентилей.

Анализируя работу тиристорного преобразователя в инверторном режиме, можно перечислить условия, при которых этот режим возможен.

1. Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС – E_М.

2. Схема должна обеспечивать возможность протекания тока в направлении ЭДС нагрузки, т.е. полярность E_М¢ должна совпадать с проводящим направлением вентилей. Для выполнения этого требования мы изменим полярность ЭДС E_М на E_М¢.

3. Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС E_d¢, направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров.

4. Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать среднее значение ЭДС ТП.

При анализе инверторного режима работы ТП вместо угла управления a используют угол b, дополняющий угол a до 180°.

a + b = 180° (8.1)

Этот угол отсчитывается от точки пересечения ЭДС коммутируемых фаз в области отрицательных напряжений в сторону опережения (влево). Поэтому его иногда называют углом «опережения включения», в отличие от угла a, называемого «углом задержки включения». В действительности никакое «опережение включения» тиристоров места не имеет. Имеет место «задержка включения» еще большая, чем в выпрямительном режиме (a > 90°). Просто отсчет угла управления инвертора удобнее производить от другой точки координаты wt. Угол b получается меньше 90°, и для инвертора оказывается справедливой такая же связь между углом управления (b) и средним значением ЭДС ТП.

E_{d инв} = - E_d0 cos b (8.2)

При этом надо иметь в виду, что знак ЭДС E_dинв противоположен знаку E_{d выпр}, т.е. отрицателен.

Особенность внешних характеристик инвертора. Внешние характеристики переходят из выпрямительного режима в инверторный, не изменяя угла наклона по отношению к оси абсцисс (см. рисунок 8.1).

Рисунок 8.1. Внешние характеристики выпрямительного и инверторного режимов

Это значит, что процесс коммутации имеет ту же физическую природу, что и в режиме выпрямления. Как и в выпрямительном режиме, этот процесс связан с изменением напряжения на нагрузке.

В инверторном режиме при увеличении тока напряжение на якоре электрической машины не уменьшается, а увеличивается. Вид внешних характеристик наглядно показывает эту особенность инверторного режима. С увеличением тока расстояние от характеристики до оси абсцисс увеличивается.

Неустойчивость работы ТП в инверторном режиме при малых значениях угла b и больших значениях тока проявляется в возможности так называемого «опрокидывания» или «прорыва» инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя.

При некоторых обстоятельствах противоЭДС E_d¢ может, практически мгновенно, изменить свое направление на противоположное и действовать в цепи якоря согласно с E_М¢. Тогда окажется, что в якорной цепи действуют два источника энергии, и в ней нет ни одного приемника энергии. Эту ситуацию можно рассматривать, как двойное короткое замыкание в якорной цепи, что вызывает очень быстрое нарастание тока и требует экстренного размыкания цепи якоря. Дело в том, что отключение ТП от сети не устраняет аварийного режима, так как ток под действием ЭДС E_М¢ будет продолжать протекать через одну из фаз вторичной обмотки трансформатора и вентиль этой фазы, который был включен в момент опрокидывания инвертора. Единственным способом прекратить развитие аварии является разрыв якорной цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого.

Недопущение явления опрокидывания возможно снижением величины угла управления b ниже минимально допустимого его значения b_min. Эта величина определяется выражением:

b_min ³ g_max + d + da (8.3)

где: g_max - максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора;

d - угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения;

da - асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления.

Обратившись к внешним характеристикам ТП, работающего в инверторном режиме, можно определить и обозначить ограничительную линию, указывающую предел значений угла b и величины тока, допустимых для данного преобразователя. Эти величины между собой связаны. Чем меньше Ð b, тем меньшее значение тока допускается при работе ТП в инверторном режиме.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы инвертора.

1.1. Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены (т.е. кнопки включения в сеть не должны светиться).

1.2. Собрать требуемую схему вентилей на основе схем соединения отдельных блоков, расположенных согласно рисунке 8.2. Номера необходимых блоков указаны на рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.

Рисунок 8.2. Схема соединения инвертора

В качестве источника питания следует использовать источник с реактором в первичной цепи питающего трансформатора.

В качестве нагрузки следует использовать активно-индуктивную нагрузку с противоЭДС, включенной последовательно с нагрузкой.

1.3. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления
" " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1 с помощью специальных проводов.

2. Произвести настройку и включение блоков стенда:

2.1. Для исследования величин токов и напряжений схемы необходимо включить в неё измерительную аппаратуру:

· амперметр включить последовательно с нагрузкой;

· вольтметр параллельно нагрузке (удобнее включить на выход преобразователя.

2.2. Для получения осциллограмм следует включить в необходимые участки цепи датчики тока и напряжения, расположенный на блоке 402.3,

2.3. После того, как схема собрана, необходимо, чтобы преподаватель проверил правильность.

3. Наблюдение осциллограмм нормального режима работы ведомого инвертора.

3.1. Переключатели реостата А10 установите в положение «100 Ом».

3.2. Переключатели блока дросселей А11 установите в положение «3 Гн».

3.3. Переключатели номинальных фазных напряжений вторичных полуобмоток трансформаторов А3 и А4 установите в положение «73 В».

3.4. Регулировочную рукоятку автотрансформатора А13 поверните против часовой стрелки до упора.

3.5. Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А8.

3.6. Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А8, установите по его индикатору желаемое значение угла управления a, равное, например, 150 градусов.

3.7. Нажмите кнопку «3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А8 и удерживайте ее до тех пор, пока не загорится расположенный рядом с ней светодиод.

3.8. Включите выключатели «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и блока датчиков тока и напряжения.

3.9. Включите выключатель «СЕТЬ» блока датчиков тока и напряжения (402.3).

3.10. Включите источник G1. О наличии фазных напряжений на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

3.11. Включите выключатель «СЕТЬ» автотрансформатора А13.

3.12. Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А13 по часовой стрелке, добейтесь появления входного тока I_d (ток контролируйте по амперметру Р1.2), то есть запуска инвертора А8.

3.13. При необходимости можно выключить стенд следуя порядком, обратном порядку включения, и изменить участки, на которых необходимо проанализировать параметры токов/напряжений.

4. Определение входной характеристики.

4.1. Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А13 по часовой стрелке сторону, увеличивайте входной ток I _d инвертора А8 (не превышая 1, 0 А) и записывайте показания вольтметра Р.1.1 и амперметра Р1.2 в таблицу 6.1.

Таблица 8.1 – Сводная таблица снимаемых параметров

4.2. По завершении эксперимента отключите, питание автотрансформатора А13, преобразователя А8 и блока мультиметров Р1, а также отключите источник G1.

4.3. Используя данные таблицы 6.1, графически постройте естественную входную характеристику U _d = f (I _d) инвертора.

Содержание отчета

1. Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.

2. Осциллограмма исследованных участков схемы.

3. Сводная таблица данных и диаграмма для каждой части лабораторной работы, где было необходимо построить те или иные характеристики преобразователя.

4. Графики экспериментально полученных характеристик.

Контрольные вопросы

1. Что такое инвертирование?

2. Что является формальным признаком источника и потребителя электрической энергии?

3. Объясните растущий характер входной характеристики зависимого инвертора.

4. От чего зависит мощность, передаваемая инвертором в сеть, и как ее можно регулировать?

5. Чем определяется время восстановления управляющих свойств тиристоров в зависимых инверторах?

6. Чем ограничено минимальное значение угла инвертирования β зависимом инверторе?

7. Поясните причину повышения входного напряжения U_d инвертора при увеличении тока I_d.