Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Лабораторная работа №3. Работа управляемого выпрямителей
|
|
Цель работы
Получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, определить внешние характеристики управляемых выпрямителей, получить осциллограммы напряжений работы управляемого выпрямителя.
Основные теоретические положения
Внешней характеристикой ТП называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления a.
Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.
Снижение напряжения обусловлено тремя факторами:
1. Коммутационным падением напряжения (
).
2. Падением напряжения в активных сопротивлениях цепей преобразователя, по которым протекают токи (
).
3. Падением напряжения в вентилях (
).
Соответственно внешнюю характеристику ТП (при wLн = ¥) (рисунок 3.1) можно описать в виде следующего уравнения:
(3. 1)
Рисунок 3.1 – Внешняя характеристика трехфазного нулевого ТП
В зависимости от мощности выпрямителя влияние активных и реактивных элементов схемы в этом процессе различно. Обычно в маломощных выпрямителях преобладает влияние активного сопротивления обмоток трансформатора, а в мощных – индуктивного сопротивления.
Следует отметить, что при значениях тока нагрузки, не превышающих номинальных, внутреннее падение напряжения ТП (при a = 0), как правило, составляет не более 10 - 20% напряжения Ed0. Однако, при перегрузках и режимах, близких к короткому замыканию, становится существенным влияние внутренних сопротивлений схемы.
Следует учитывать, что внешние характеристики ТП меняют свой вид при малыхтоках нагрузки.
Рассмотрим физические процессы для режимов непрерывных и прерывистых токов при работе ТП на якорь двигателя постоянного тока. Нагрузка в этом случае представляется как нагрузка с противоЭДС, имеющая также активное сопротивление 
и индуктивное сопротивление 
. На рисунке 3.2 изображена схема трехфазного нулевого ТП, работающего на якорь двигателя постоянного тока (ДПТ).
Рисунке 3.2 – Схема трехфазного нулевого ТП, работающего на якорь ДПТ
Для увеличения индуктивного сопротивления нагрузки часто последовательно с якорем ДПТ включают сглаживающий реактор 
, назначение которого – сглаживание тока якоря двигателя.
Для мгновенных значений напряжения якорной цепи при отсутствии перекрытия вентилей (g = 0) справедливо уравнение:
(3. 2)
где R я.ц. = R я + R тр + R р; L = L я + L тр + L р; 
– падение напряжения в вентилях; e2 и i – мгновенные значения вторичной ЭДС трансформатора и тока; Eя – ЭДС якоря двигателя.
В выражении (3.2) ЭДС трансформатора изменяется по синусоидальному закону. ЭДС двигателя в установившемся режиме из-за инерционности вращающихся масс не может заметно измениться за время интервала пульсаций и считается постоянной. При этом разность ЭДС, стоящая в левой части уравнения, в какие-то моменты положительна, а в некоторые моменты оказывается отрицательной. Однако при больших токах в индуктивностях якорной цепи запасается такое количество электромагнитной энергии, которого достаточно для поддержания тока прежнего направления в промежутках времени, когда (e2 - Eя) < 0 и, даже, на протяжении части отрицательной полуволны напряжения трансформатора, когда e2 < 0. Ток в анодной цепи вентиля поддерживается за счет ЭДС самоиндукции (
) при убывании тока. Поэтому при достаточно больших значениях индуктивности и тока последний не прерывается, и выпрямленная ЭДС преобразователя определяется средним значением ЭДС трансформатора за интервал повторяемости выпрямленной ЭДС (Tп = 2p/mn).
Режим работы ТП при малых токах нагрузки встречается достаточно часто. Имеется много электроприводов, обслуживающих механизмы с пульсирующим, либо знакопеременным моментом, или требующим частого изменения направления вращения, т.е. реверса механизма. Во всех этих случаях ток снижается до нуля, или, даже, изменяет свое направление. Для выполнения таких функций используются реверсивные ТП, состоящие из двух преобразователей, позволяющих изменять направление тока. При этом ТП часто работает с малыми токами, имеющими иногда нулевое значение. В таком случае, внешние характеристики ТП меняют свой вид, т.к. здесь в действие вступают совсем другие соотношения, которые описывают другие физические процессы.
Рисунок 3.3 – Работа ТП в зоне непрерывных токов
Уравнение (3.2) справедливо лишь тогда, когда ток в нагрузке протекает непрерывно. Непрерывность тока имеет место при любых его значениях, если принято, что индуктивность L н в цепи выпрямленного тока бесконечно большая.
Но реальная индуктивность нагрузки не только не в состоянии идеально сгладить выпрямленный ток, но она даже не может обеспечить его непрерывность. Если L н имеет конечную величину, то непрерывное протекание тока возможно лишь при превышении последним некоторого граничного значения Id гр..
При малых нагрузках (рисунок 3.4) ток под действием противоЭДС двигателя снижается до нуля (момент Q2) раньше момента включения последующего вентиля. В результате ток через якорь при малых нагрузках на валу двигателя проходит не непрерывно, а отдельными импульсами.
В режиме прерывистых токов выражение (3.2) справедливо только для интервалов времени, в течение которых ток проходит по цепи якоря. В промежутках между импульсами тока вращение якоря поддерживается за счет механической энергии вращающихся масс, а напряжение на выходных клеммах преобразователя равно ЭДС якоря двигателя (Eя).
Рисунок 3.4 – Работа ТП в зоне прерывистых токов
Этим объясняется тот факт, что в режиме прерывистого тока среднее значение выпрямленного напряжения, измеряемого на нагрузке и определяемое площадью между кривой abcde и осью абсцисс, деленной на интервал повторяемости, по мере снижения нагрузки резко возрастает. Чем меньше ток, тем раньше наступит его прерывание, и тем выше оказывается среднее выпрямленное напряжение. В результате этого крутизна внешних характеристик ТП при малых нагрузках резко возрастает.
На рисунке 3.5 изображены внешние характеристики трехфазного нулевого ТП, работающего на якорь ДТП.
Линейная часть внешних характеристик – это зона непрерывных токов ТП. Нелинейная часть – зона прерывистых токов. Они отделены друг от друга величиной граничных токов – точки пересечения внешних характеристик с эллипсом, определяющим значения граничных токов.
Рисунок 3.5 – Внешние характеристики ТП с учетом режима
прерывистых токов
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для исследования работы выпрямителя (общие указания).
1.1. Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены (т.е. кнопки включения в сеть не должны светиться).
1.2. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления
" 
" устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1 с помощью специальных проводов.
1.3. 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);
1.4. После того, как схема собрана, необходимо, чтобы преподаватель произвел проверку схемы.
2. Произвести настройку, сборку и включение блоков стенда:
2.1. Собрать требуемую схему вентилей на основе схемы соединения отдельных блоков, расположенных согласно рисунку 3.6. Номера необходимых блоков указаны на рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.
Рисунок 3.6 – Схема соединения управляемого выпрямителя
2.2. Переключатели номинальных фазных напряжений вторичных полуобмоток трансформаторов А3 и А4 установите в положение «73 В».
2.3. Включите выключатели «СЕТЬ» блоков мультиметров Р1.1, Р1.2.
2.4. Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А5.
2.5. Включите выключатель «СЕТЬ» датчиков тока и напряжений А17.
2.6. Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А5, установите по его индикатору значение угла управления a = 170.
2.7. Нажмите кнопку «3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А5 и удерживайте ее до тех пор, пока не загорится расположенный рядом с ней светодиод.
2.8. Включите источник G1. О наличии фазных напряжений на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.
2.9. При необходимости можно выключить стенд следуя порядком, обратном порядку включения и изменить участки, на которых необходимо проанализировать параметры токов/напряжений.
3. Определение внешней характеристики трехфазного нулевого выпрямителя
3.1. Уменьшая сопротивление реостата А10, увеличивайте выпрямленный ток Id преобразователя А5 (не превышая 1, 0 А) и записывайте показания вольтметра Р1.1 и амперметра Р1.2. Используя форму таблицы 3.1 снять характеристики работы выпрямителя.
3.2. Измерения выполнить при значении индуктивного сопротивления установленного на блок А11 равном 0 и 3 Гн.
3.3. Повторите измерения для значений угла управления вплоть до 180º с шагом по 10º.
3.4. Снимите осциллограммы напряжений на выходе выпрямителя для каждого опыта.
3.5. По завершении эксперимента отключите источник G1, питание преобразователя А5, блока мультиметров Р1.1, Р1.2, блока датчиков тока и напряжений А6.
3.6. Используя форму таблицы 3.1 снять характеристики работы выпрямителя.
4. Определение внешней характеристики трехфазного мостового выпрямителя
4.1. Изменить схему в соответствии с рисунком 3.7.
Рисунок 3.7 – Схема соединения неуправляемого выпрямителя
4.2. Уменьшая сопротивление реостата А10, увеличивайте выпрямленный ток Id преобразователя А5 (не превышая 1, 0 А) и записывайте показания вольтметра Р1.1 и амперметра Р1.2. Используя форму таблицы 3.1 снять характеристики работы выпрямителя.
4.3.
4.4. Измерения выполнить при значении индуктивного сопротивления установленного на блок А11 равном 0 и 3 Гн.
4.5. Повторите измерения для значений угла управления вплоть до 180º с шагом по 10º.
4.6. Снимите осциллограммы напряжений на выходе.
4.7. По завершении эксперимента отключите источник G1, питание преобразователя А5, блока мультиметров Р1.1, Р1.2, блока датчиков тока и напряжений А6.
| a = | ||||||||||
| Id , А | ||||||||||
| Ud, В |
Содержание отчета
1. Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.
2. Осциллограммы исследованных участков схемы для углов управления трехфазная нулевая схема: 0, 90, 150; трехфазная мостовая схема: 0, 90, 120 для активной и нагрузки смешанного типа.
3. Сводная таблица данных для каждой части лабораторной работы, где было необходимо построить те или иные характеристики преобразователя.
4. Графики экспериментально полученных характеристик.
5. На основании данных полученных в ходе выполнения работы построить регулировочные характеристики схем выпрямителя.
Контрольные вопросы
1. Что такое угол управления (регулирования) α. От какой точки он отсчитывается на временных диаграммах: а) при пульсности 
= 2; б) при пульсности = 3; в) при пульсности = 6?
2. Что такое режим прерывистого и непрерывного тока? Когда возникает режим прерывистого тока при активной нагрузке: а) при =2; б) =3; в) =6? Может ли возникнуть режим прерывистого тока при активно-индуктивной нагрузке?
3. Что такое анодная индуктивность и как она влияет на значение выходного напряжения выпрямителя?
4. Что такое угол коммутации γ и от чего он зависит?
5. Как изменится выходное напряжение однофазной мостовой схемы неуправляемого выпрямителя, если эквивалентная входная индуктивность сети увеличится в 2 раза при неизменном значении входного напряжения?
Лабораторная работа №4. Исследование работы выпрямителя при разных видах нагрузки
Цель работы. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, получить наглядное представление о работе выпрямителя в виде осциллограмм токов и напряжений в зависимости от вида нагрузки выпрямителя и его типа.
Основные теоретические положения
Выпрямление – преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, подводимую к нагрузке.
В общем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис. 2.1) содержит трансформатор Т, блок силовых полупроводниковых приборов (схема выпрямления) СВ, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст. Трансформатор служит для изменения значения синусоидального напряжения сети ПЭС до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства, например, трансформатор, могут отсутствовать, что зависит от условий работы.
Рисунок 4.1 – Структурная схема выпрямительного устройства
При выпрямлении процессы определяются: техническими характеристиками источника переменного тока, видом электронного полупроводникового прибора и способом его управления, характером нагрузки на стороне постоянного тока
При рассмотрении принципа выпрямления принимаются следующие основные допущения:
· На стороне переменного тока включен источник напряжения синусоидальной формы со стабильной частотой;
· Рассматриваются СПП с «идеальными» характеристиками;
· Нагрузка представлена сосредоточенными элементами конкретного характера;
· Дополнительные потери в схеме выпрямления отсутствуют.
Для более детального представления зависимости процессов выпрямления от различных факторов рассмотрим простейшую схему с активной нагрузкой (см. рисунок 4.2).
Ток начинает протекать сразу же, как к нему будет приложено прямое напряжение (один полупериод). Следующий полупериод вентиль находится в непроводящем состоянии. Ток в нагрузке повторяет форму входного напряжения на проводящем интервале вентиля. В результате в нагрузке появляются периодические однонаправленные токи, что свидетельствует о процессе выпрямления, т.е. появлении постоянной составляющей тока в цепи нагрузки (рисунок 4.3).
Рисунок 4.2 – Схема выпрямления с активной нагрузкой
Рисунок 4.3 – Диаграмма напряжений и токов для однофазной схемы с активной нагрузкой
Если ввести в нагрузку, кроме резистора 
, реактор с индуктивностью 
(рисунок 4.4), то ток будет продолжать протекать через вентиль и после прохождения 
через ноль. Это обусловлено тем, что в индуктивности в первом полупериоде будет накапливаться энергия, которая поддерживает протекание тока 
после смены знака напряжения до момента, когда ток становится снова равным нулю.
Рисунок 4.4 – Схема и диаграмма напряжений и токов для активно-индуктивной нагрузки
Практический интерес может представлять также нагрузка в виде источника ЭДС постоянного тока (см. рисунок 4.5), включенная с обратной для вентильного ключа полярностью. Такие схемы выпрямления называются схемами с противоЭДС в цепи нагрузки.
Рисунок 4.5 – Схема выпрямления с противоЭДС в цепи нагрузки и диаграмма напряжений и токов для однофазной схемы с противоЭДС
В момент 
напряжение на вентиле становится прямым, и он начинает проводить ток, направленный встречно источнику противоЭДС. При принятых допущениях подключение источника с напряжением 
к источнику противоЭДС может вызвать неограниченный рост тока . Для ограничения этого тока в цепь постоянного тока включен реактор с индуктивностью .
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для исследования работы выпрямителя при разных видах нагрузки.
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 рисунку 4.6. Номера необходимых блоков указаны на рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.
Рисунок 4.6 – Схема соединения выпрямителя
1.3. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления
" " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G1 с помощью специальных проводов.
1.4. 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);
1.5. После того, как схема собрана, необходимо, чтобы преподаватель проверил её правильность.
2. Произвести настройку и включение блоков стенда:
2.1. Переключатели номинальных фазных напряжений вторичных полуобмоток трансформаторов А3 и А4 установите в положение «73 В».
2.2. Включите выключатели «СЕТЬ» блоков мультиметров Р1.1, Р1.2.
2.3. Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А8.
2.4. Включите выключатель «СЕТЬ» датчиков тока и напряжений А6.
2.5. Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А8, установите по его индикатору значение угла управления a = 170º.
2.6. Нажмите кнопку «3Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А8 и удерживайте ее до тех пор, пока не загорится расположенный рядом с ней светодиод.
2.7.
2.8. Включите источник G1. О наличии фазных напряжений на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.
2.9. При необходимости можно выключить стенд следуя порядком, обратном порядку включения и изменить участки, на которых необходимо проанализировать параметры токов/напряжений.
3. Определение внешней характеристики.
3.1. Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А8, установите по его индикатору значение угла управления α, равный 0 градусам.
3.2. Изменяя сопротивление реостата А10, следите за изменением значения выпрямленного тока I d преобразователя А8 (не превышая 1, 0 А) и записывайте показания вольтметра Р.1.1 и амперметра Р1.2 заносите полученные данные в форму представленную в таблице 4.1.
3.3. Снимите осциллограммы выходного напряжения.
Таблица 4.1 – Сводная таблица снимаемых параметров
| Типу нагрузки | α | ||||||
| Активная | Id | ||||||
| Ud | |||||||
| Ёмкостная | Id | ||||||
| Ud | |||||||
| Активно-индуктивная | Id | ||||||
| Ud | |||||||
| Активно-емкостная | Id | ||||||
| Ud |
3.4. Повторить процедуру, описанную в п. 3 для емкостной, индуктивной, активно-индуктивной, активно-емкостной нагрузок.
3.5. Изменяя значения угла управления заполните таблицу 4.1.
3.6. По завершении эксперимента отключите источник G1, питание преобразователя А8, блока мультиметров Р1.1.
3.7. Используя полученные в ходе проведения опытов данные графически постройте характеристики U d = f (Id) выпрямителя при различных видах нагрузки.
Содержание отчета
1. Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.
2. Осциллограмма напряжений и токов при угле управления α = 90.
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 внешняя характеристика?
2. Что подразумевается под режимом непрерывного тока тиристорного преобразователя?
3. Сравните схемы выпрямления:
· - по жесткости внешних характеристик;
· - по величине 
;
· - по влиянию вида нагрузки на режимы работы выпрямителя.
4. Нарисуйте диаграммы напряжений на нагрузке, тока нагрузки вторичной и первичной обмоток трансформатора, напряжения и тока вентиля в каждой из исследуемых схем в режимах непрерывных и прерывистых токов.
5. Поясните вид внешних характеристик выпрямителя при различных видах нагрузки в неуправляемом и управляемых выпрямителях.
Лабораторная работа №5. Исследование рабочих процессов в управляемых выпрямителях работающем на двигательную нагрузку на примере однофазной мостовой, трехфазной нулевой и мостовой схемы
Цель работы. Получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям.
Основные теоретические положения
Выпрямители обычно классифицируют:
· По мощности (маломощные, средней мощности, мощные);
· по напряжению (низкого, среднего и высокого напряжения);
· по числу фаз напряжения, подаваемого на схему выпрямления (однофазные, трехфазные, многофазные);
· по виду силовых электронных ключей;
· по числу выпрямляемых полуволн (однополупериодные и двухполупериодные);
· по построению схем выпрямления (нулевые, однотактные: ток по вторичной обмотке протекает в одном направлении, и мостовые, двухтактные).
|
|