ЭПУ_3 (Методические указания по выполнению лабораторных работ)

35

Лабораторная работа № 3

Исследование двухфазных управляемых

выпрямителей

Цели работы:

1. Исследование процессов в двухфазном управляемом выпрямителе при резистивной нагрузке.

2. Исследование влияния характера нагрузки на процессы, характеристики и параметры управляемого выпрямителя.

3. Исследование процессов в управляемом двухфазном выпрямителе с вольт-добавкой.

4. Приобретение навыков экспериментального исследования управляемых выпрямителей.

Краткие теоретические сведения

Во многих областях радиоэлектроники и электротехники возникает необходимость регулирования напряжения (тока) в нагрузке. Применение в устройствах, нуждающихся в регулировании, управляемых вентилей и в первую очередь большой группы полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой – тиристоров (тринисторов), отличающихся малыми габаритами и массой, высокой надежностью и быстродействием, позволяет существенно повысить названные показатели мощных регулируемых выпрямителей, стабилизаторов, преобразователей, инверторов, модуляторов и т. д.

О
сновное свойство управляемого вентиля заключается в возможности произвольной задержки момента его открывания на угол регулирования α при наличии на нем прямого напряжения. При включенном тиристоре отключение управляющего тока не вносит изменений в процесс протекания тока тиристора. Для запирания тиристора необходимо снизить его анодный ток до величины тока выключения.

Применяя тиристоры, следует иметь в виду, что использование нагрузки емкостного характера связано с большими "бросками" тока вентиля, что может привести к отказу последнего. В случае необходимости использования такой нагрузки следует последовательно с тиристором включать дроссель, замедляющий скорость нарастания тока в цепи. Кроме того, при необходимости использования управляемого выпрямителя с емкостным фильтром., в динамическом режиме, например, при сбросе или резком изменении нагрузки, возможны нарушения последовательности чередования (или пропуска) фаз и как следствие – неустойчивости работы регулятора.

Схема управления должна обеспечивать надежное отпирание тиристора в заданном интервале времени за счет формирования управляющих сигналов с соответствующими параметрами (τ_u, U_mу, I_mу). Наиболее широкое применение при построении управляемых выпрямителей находит импульсно-фазовый способ управления, при котором на управляющий электрод тиристора подаются импульсы определенной длительности и амплитуды с достаточно короткими фронтами. Изменяя их положение относительно фазы напряжения на тиристоре, можно управлять моментом включения последнего и, следовательно, током нагрузки.

Наиболее широкое применение тиристоры находят в управляемых выпрямителях, схемы которых во многом аналогичны схемам неуправляемых выпрямителей. Однако использование тиристоров вместо обычных диодов связано с изменением формы токов и напряжений на элементах схемы выпрямителя, а также энергетических соотношений.

В данной работе исследуется двухфазная однотактная схема выпрямителя на триодных тиристорах (рис. 1), широко применяющаяся в низковольтных и сильноточных источниках вторичного электропитания. С учетом отмеченных особенностей тиристоров исследуются процессы в схеме при резистивном и индуктивном характерах нагрузки.

Тиристоры VS1 и VS2, как и в обычной схеме выпрямления, пропускают ток поочередно. В течение первого полупериода положительный потенциал приложен к аноду тиристора VS1, и под действием напряжения вторичной фазной обмотки ее ток замыкается через этот тиристор и нагрузку. В течение второго полупериода положительный потенциал второй фазной обмотки приложен к аноду тиристора VS2, и ее ток будет протекать по нагрузке в том же направлении. Таким образом, по каждой вторичной обмотке трансформатора протекает один импульс тока за период напряжения питающей сети, что обусловливает наличие постоянной составляющей тока во вторичных обмотках. При расположении обмоток трансформатора на одном стержне (например, при броневой конструкции магнитопровода) в результате встречного направления магнитодвижущих сил, создаваемых постоянными составляющими токов вторичных обмоток, вынужденное намагничивание магнитопровода трансформатора отсутствует.

Основные электрические параметры рассматриваемого выпрямителя без учета потерь при угле регулирования α = 0 и резистивной нагрузке могут быть получены так же, как и для однофазной однотактной схемы (см. лаб. № 1):

U₀ = 2E_2m/π = 0,9U₂; I₂ = I_V = 0,78I₀; I_mV  = 1,57I₀; I_0V  = I₀/2; (1)

Uобр = 2E_2m = πU₀; I₁ = 1,11(w₂/w₁)I₀; kп = E_mп/U₀=0,67,

где U₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; kп – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

Ток вторичных обмоток несинусоидален, что обусловливает появление мощности искажения, так что их суммарная расчетная мощность составит P_II = 2U₂I₂ = 1,73 P₀, в то же время ток первичной обмотки при резистивной нагрузке и нулевом значении угла регулирования (α = 0) синусоидальный и, следовательно, коэффициент искажения тока ν₁ = 1.

Расчетные мощности первичных обмоток и габаритная мощность трансформатора, соответственно, равны:

P_I = U₁I₁ = 1,23 P₀; Pгаб = (P_I + P_II)/2 =1,48 P₀.

Значительная величина коэффициента пульсаций по первой гармонике выпрямленного напряжения (1) предопределяет использование сглаживающего фильтра с индуктивной реакцией (L- или LC-фильтра). Дроссель с большой индуктивностью обеспечивает неизменность тока в нагрузке, и при симметрии трансформатора токи каждого из тиристоров оказываются неизменными по величине и равными току нагрузки iн(ωt) = I₀ в течение полупериода. Изменение формы токов во вторичных обмотках приводит к изменению расчетной мощности трансформатора. Если среднее значение (постоянная составляющая) тока тиристора I_0VS (он же ток вторичной обмотки) остается неизменным, т. е. I_0VS = I₀/2, то амплитудное и действующее значения токов изменяются по сравнению со случаем резистивной нагрузки (1):

I_mV = I₀; I_VS = I₂ = 0,707 I₀ .

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора можно определить, используя форму этого тока, имеющую вид меандра:

I₁  = I₀w₂/w₁ .

Расчетные мощности вторичных P_II и первичной P_I обмоток, а также габаритная мощность трансформатора Pгаб при индуктивной нагрузке и α = 0 равны:

P_II = 2U₂I₂ = 1,57P₀; P_I = U₁I₁ = 1,11 P₀; Pгаб = (P_I + P_II)/2 = 1,34 P₀.

Если учесть сопротивление индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора X_s, сопротивление вентилей в открытом состоянии R_v , резистивное сопротивление обмоток трансформатора rт и дросселя фильтра rдр, то получим уравнение внешней (нагрузочной) характеристики неуправляемого выпрямителя:

U₀ = U₀x – ∆U_Σ = 2E_2m/π – (X_s/π + rт + R_v + rдр)I₀ (2)

Рассмотрим процессы в двухфазном управляемом выпрямителе при изменении угла регулирования α и проанализируем, как при этом изменяются его параметры.

При резистивной нагрузке тиристор VS1 остается закрытым в промежутке [0 < ωt ≤ α], несмотря на положительное напряжение на нем. Тиристор откроется в момент поступления на его управляющий электрод импульса управления (ωt = α) и останется в таком состоянии практически до момента ωt = π (рис. 2). Постоянные составляющие выпрямленного напряжения и тока в этом случае определяются, соответственно, выражениями

_π

U₀(α) = 1/π ∫ E_2m sin ωt dωt = 0,5 U_0max (1 + cos α);

^

I₀(α) = U₀(α)/Rн ; I_0VS = 0,5 I₀(α), (3)

где U_0max = U₀(α = 0) = 2,82/π U₂ ≈ 0,9U₂ .

Уравнения (3) описывают регулировочную характеристику управляемого выпрямителя U₀(α) = f(α) при постоянстве сопротивления нагрузки Rн (рис. 3). Действующее значение тока вторичной обмотки I₂ (он же вентильный ток I_vs) зависит от угла α и определяется выражением:

I₂(α) = I_vs(α) = = kф₂(α)I_0VS , (4)

где kф₂ = I_VS(α)/I_0VS – коэффициент формы тока вентиля (рис. 4).

Как показывает выражение (4) и рис. 4, с ростом угла регулиро­вания α (особенно при α > 60°) коэффициент формы тока резко возрастает, что соответствует возрастанию коэффициента увеличения расчетной мощности вторичной обмотки трансформатора k₂ , а также k₁ и kгаб:

k₂ = 2P_II/P₀ = 0,707 π kф₂/(1 + cos α);   k₁ = 0,707 k₂ ; kгаб = (k₁ + k₂)/2.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора равно I₁(α) = 0,707 n I₂(α). График зависимости коэффициента искажений тока первичной обмотки ν₁ = I₁₍₁₎/I₁ = f(α) приведен на рис. 4.

С
ущественной особенностью работы управляемого выпрямителя является то, что первая гармоника тока первичной обмотки i₁₍₁₎ отстает по фазе от напряжения питающей сети u₁ на угол φ₁(α) даже при чисто резистивном характере нагрузки (рис. 2). При этом cos φ₁ есть довольно сложная функция угла регулирования α, но для широкого диапазона углов регулирования (0° < α < 100°) cos φ₁ ≈ cos(α/3).

Появление реактивной составляющей в токе i1 вызывает не только снижение cos φ₁ и увеличение расчетной мощности сетевого трансформатора, но и уменьшение полного коэффициента мощности выпрямителя χ = ν₁ cos φ₁. Другим существенным недостатком управляемых выпрямителей является высокий коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, который чаще всего определяется по основной гармонике выпрямленного напряжения

k п = E_mп/U₀(α) = 2/3√ 1+4(1 – cos α)  (5)

и существенно возрастает с ростом угла регулирования α. Процессы в схеме управляемого выпрямителя при индуктивном характере нагрузки поясняются временными диаграммами, приведенными на рис. 5 для случая Xн/Rн→∞. Тиристор VS1, вступив в работу в момент ωt = α, будет открыт до момента ωt = π + α (а не до ωt = π, κак в случае резистивной нагрузки), когда произойдет коммутация. В связи с этим выпрямленное напряжение uв(ωt) в интервале углов (0 < ωt < α) и (π < ωt < π + α) принимает отрицательные значения, что уменьшает постоянную составляющую выпрямленного напряжения (см. рис. 5), а вместе с тем ток через нагрузку I₀(α) поддерживается неизменным за счет запаса энергии, накопленной в индуктивности фильтра L1. Постоянные составляющие выпрямленного напряжения и тока могут быть для рассматриваемого случая определены из следующих выражений: