МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ ПОВІТРЯНИХ СУДЕН

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4

Вивчення та дослідження статичних перетворювачів струму

Виконала: Романець Софія Сергіївна

Перевірив: Захарченко Віктор Панасович

Київ 2022

Лабораторна робота 4 вивчення та дослідження статичних перетворювачів струму Мета роботи

1. Вивчення схем і конструкції трансформаторно-випрямних блоків (ТВБ) і трифазних статичних перетворювачів (ПТС).

2. Дослідження статичних і динамічних характеристик авіаційних електроагрегатів ВУ-6 і ПТС-250.

Завдання до роботи

1. Вивчити основні відомості, конструкцію та електричну схему ТВБ ВУ-6.

2. Дослідити навантажувальну та динамічні характеристики ВУ-6, знайти величину зворотного струму.

3. Вивчити основні відомості, конструкцію та електричну схему ПТС-250.

4. Дослідити роботу ПТС-250 при активному та активно-індуктивному навантаженнях.

Основні теоретичні відомості

На ПС з первинною енергосистемою трифазного змінного струму 200/115 В для живлення радіообладнання, пілотажно-навігаційних приладів, електромагнітних реле, кіл керування, сигналізації необхідна вторинна енергосистема постійного струму напругою 27 В.

Потужність споживачів постійного струму не перевищує 5…10% від загальної споживаної потужності змінного струму. Як джерела енергії постійного струму у вторинних системах можуть застосовуватися електромашинні або статичні перетворювачі. Статичні перетворювачі мають ряд переваг порівняно з електромашинними, тому вони одержали широке застосування на ПС. Вони не мають рухомих частин, характеризуються безіскровою комутацією струму, безшумною роботою, відносно меншою вагою на одиницю потужності (кг/кВт), підвищеним ККД та високою надійністю, особливо у висотних умовах.

ТВБ можуть працювати автономно або разом (паралельно). Під час паралельної роботи навантажувальні характеристики ТВБ та їх вхідні навантаження повинні бути ідентичними для виконання рівномірного завантаження. Конструктивно ТВБ складаються із двох вузлів: трансформаторного та випрямного. У складі випрямної частини перетворювача входять кремнієві діоди. Схеми увімкнення випрямних діодів показані на рис. 4.1 (а, б, в, г).

Схеми однонапівперіодного випрямлення (рис. 4.1, а) пропускає струм тільки у випадку наявності на аноді додатного потенціалу і тому струм в навантаженні переривчастий. ККД випрямлячів залежить від якості самого випрямляча, від схеми з’єднання, величини і характеру навантаження. Звичайно ККД випрямних трифазних перетворювачів із урахуванням трансформатора становить 0,8...0,85.

Деякі схеми ТВБ конструктивно складаються зі знижувального трансформатора, випрямних перетворювачів (кремнієві діоди) і допоміжних перетворювачів для регулювання напруги, охолодження, захисту від перегрівання та сигналізації. На рис.4.1, б показана схема однофазного двонапівперіодного випрямляча зі знижувальним трансформатором. ТВБ трифазного змінного струму залежно від схем з’єднання трансформаторів і вентилів можуть бути: трифазними однонапівперіодними (рис.4.1, в) та двонапівперіодними (рис.4.1, г). Кількість вторинних фаз трансформатора обирається кратною кількості первинних фаз.

За умови однакової кількості фаз одержуємо трифазне випрямлення трифазного струму, при подвоєній кількості вторинних фаз одержуємо шестифазне випрямлення трифазного струму. Під час вибору вторинних фаз прагнуть одержати мінімальні пульсації у кривій випрямленої напруги, ослабити високі гармоніки в колі змінного струму (попереджається надмірне перегрівання генераторів змінного струму і поява резонансних явищ у колах змінного струму), забезпечити високий рівень використання обмоток трансформатора по вихідній потужності.

а
б
в
г

Рис. 4.1

У шестифазній однонапівперіодній схемі ТВБ (рис. 4.2) з цифрами 6 і 12 у позначенні, вторинні напруги відносно первинних зміщені на 180 і 360. Однак, звичайна шестифазна схема однопівперіодного випрямляча з нульовим виводом має низький рівень використання заліза й обмоток трансформатора, оскільки час протікання струму через обмотку і діод становить 1/6 періоду. Введення в таку схему деяких елементів (наприклад, увімкнення між точками 0 і 0’ реактора) поліпшує її роботу з точки зору комутації струму, збільшення навантажувальної здатності вентилів і обмоток. На рис. 4.3 наведено шестифазну двонапівперіодну схема ТВБ-3.

Рис. 4.2

Рис. 4.3

Трансформатор у схемі має одну трифазну первинну обмотку і дві трифазні вторинні, сполучені зірка-зірка і зірка-трикутник. Це забезпечує зсув векторів напруг вторинних обмоток на 30. При цьому частота пульсацій випрямленого струму дорівнює 4800 Гц. Унаслідок збільшення частоти пульсацій і зменшення їх амплітуди зростає якість випрямленого струму, знижуються розміри та вага згладжувальних фільтрів. Схема забезпечує найбільш повне використання заліза і обмоток трансформаторів. У блоці передбачений захист від нагріву випрямляча і трансформатора. Термовимикач випрямляча спрацьовує при температурі 150 С, а трансформатора – при 200 С. Термовимикачі замикають коло сигнальної лампи. Трансформатор складається з трифазного Ш-подібного сердечника й обмоток з алюмінієвої стрічки.

Кремнієві діоди (на 30 А кожний) змонтовані на охолоджуючих ребрах, ізольованих від корпусу блоку. Для охолодження ТВБ передбачено вентилятор. Номінальна потужність блоку – 3 кВт, номінальний струм – 110 А. При номінальній напрузі 200 В схема блоку забезпечує вихідну напругу 28,4 В при струмі навантаження 110 А; 26,2 В при струмі 100 А.

Р обота ТВБ на ПС. ТВБ на ПС отримують живлення від основної мережі змінного струму. При незмінній вхідній напрузі величина вихідної напруги постійного струму залежить тільки від величини навантаження. Якщо розглядати лінію із зосередженим навантаженням на кінці, яка живиться від випрямляча, то напруга на навантаженні буде змінюватися пропорційно струму і відхиленню змінної напруги від номінального значення (рис. 4.4). Таким чином, величина напруги (у споживача) визначається, при даному струмі навантаження, величиною внутрішнього опору випрямляча і опором лінії. Найменше значення навантаження U_мін буде відповідати мінімальній напрузі мережі змінного струму і номінальному струму навантаження. Рис. 4.4

Початкова ділянка навантажувальної характеристики випрямного блоку має складний закон зміни. У практичних розрахунках її виключають шляхом лінеаризації всієї характеристики.

Через можливий вихід з ладу окремих ТВБ на ПС необхідно мати резервну потужність постійного струму. За величиною потужність резервування у цьому випадку може перевищувати 50% через досить високу надійність статичних перетворювачів.

Коротка характеристика ТВБ. На сучасних літаках застосовуються трансформаторно-випрямні блоки ТВБ-6Б. Блок складається з таких основних частин (рис. 4.5): трифазний знижувальний трансформатор, трифазний випрямляч, конденсатори, навантажу­вальний опір, електродвигун для обертання вентиляторів.

Усі частини блоку, крім вентиляторів, закріплені всередині силумінового корпусу, закритого кришкою. Асинхронний електродвигун встановлено на корпусі із зовнішньої сторони. Струмові болти К1 і К2 служать для приєднання силових проводів. При цьому плюсовий болт К1 ізольовано від корпусу блоку, а мінусовий болт такої ізоляції не має.

З нижувальний трансформатор має три первинні і три вторинні обмотки. Первинні обмотки сполучені у «трикутник», а вторинні – у «зірку». Таке з’єднання обмоток виключає шкідливі впливи третіх гармонік ЕРС, тому криві результуючого потоку і відповідно ЕРС наближаються до синусоїди. Випрямна частина блоку виконана на 6 кремнієвих діодах ПВКЛ-100-4. Конденсатори С₁, С₂, С₃ є фільтром, на холостому ходу, його величина становить 100 Ом.

Технічні дані ТВБ-6Б:

1. Споживаний струм фазою – не більше 25 А.

2. Напруга змінного струму – 204, 206 або 208 В.

3. Струм навантаження – 200 А.

4. Вихідна напруга – 28 В.

5. Термін служби – 500 льотних годин.

6. Вага – 15 кг.

На літаках блок встановлюється горизонтально, щоб забезпечити сприятливі умови для роботи двигуна Рис. 4.5 вентилятора.

Статичні перетворювачі постійного струму в змінний. Статичний перетворювач – це напівпровідниковий перетворювач постійної напруги 28,5 В у змінний однофазний струм напругою 115В, частотою 400 Гц, або змінний трифазний струм з лінійною напругою 36 або 208 В, частотою 400 Гц. Потужності статичних перетворювачів досягають 10 кВА і обмежуються характеристиками транзисторів, які використовуються в силових колах.

На ПС цивільної авіації встановлюють статичні перетворювачі серій ПОС і ПТС. Найменування перетворювача розшифровується таким чином: П – перетворювач; О – однофазний; Т – трифазний; С – статичний. Цифра, яка стоїть після буквеного позначення, вказує вихідну потужність у ВА. Основними елементами однофазного перетворювача (рис. 4.6) є конвертор К, інвертор I і фільтри: вхідний Ф_вх і вихідний Ф_вих. Конвертор призначений для перетворення постійної напруги (20…30 В) у регульовану постійну напругу ( 50…70 В). Змінюючи вихідну напругу конвертора, можна підтримувати незмінною вихідну напругу перетворювача при зміні його струму навантаження, або вхідної напруги. Цю функцію автоматично виконує регулятор напруги перетворювача. Рис. 4.6

І нвертор призначений для перетворення постійної напруги в змінну частотою 400 Гц. Інвертор частіше всього виконується за мостовою схемою (рис. 4.7). Транзистори працюють у ключовому режимі та вмикаються попарно: VT1, VT4 і VT3, VT2. У результаті струм первинної обмотки трансформатора змінює свій напрямок кожні півперіоду, і у вихідній обмотці трансформатора будуть наводитись двополярні імпульси прямокутної форми. Рис. 4.7

Послідовність вмикання пар транзисторів, а також тривалість їх увімкненого стану визначаються імпульсами керування, які подаються на бази транзисторів від незалежної схеми керування. Інвертори з таким способом керування силовими транзисторами називають інверторами з незалежним збудженням.

Інвертори з синусоїдальною формою кривої напруги. Для отримання високого ККД транзистори силового інвертора працюють у ключовому режимі, і форма вихідної напруги в такому випадку прямокутна. Змінна напруга прямокутної форми може бути використана для живлення освітлювальних або нагрівальних установок, живлення електродвигунів, але ряд приймачів електричної енергії ПС потребує для своєї роботи синусоїдальної напруги. Крім того, змінна напруга прямокутної форми може створювати значні перешкоди роботі радіоелектронного обладнання, тому прагнуть отримати на виході перетворювача синусоїдальну напругу.

У малопотужних перетворювачах синусоїдальну напругу можна отримати шляхом переведення транзисторів інвертора у лінійний режим і подання на їхні бази синусоїдальних керуючих напруг. Інвертор у цьому випадку працює як підсилювач напруги, його ККД становить

,

де U₌ – постійна напруга живлення інвертора; U_~ – амплітуда синусоїдальної напруги на його виході.

Для U_~/U₌ = 0,5  = 0,39, тобто на транзисторах розсіюється більше 60% споживаної інвертором потужності. Цим пояснюється, що лінійний режим роботи транзисторів інвертора використовується лише у малопотужних перетворювачах, а в більшості авіаційних перетворювачах транзистори використовуються переважно у ключовому режимі.

Ступінь наближення форми кривої напруги до синусоїдальної характеризується коефіцієнтом нелінійних викривлень:

,

де U_н – діюче значення синусоїдальної кривої напруги; U₁ – діюче значення її першої гармоніки.

Для напруги прямокутної форми k_н = 0,484. Для наближення форми сигналу до синусоїдальної та зменшенні коефіцієнта нелінійних викривлень перемикання пар транзистора інвертора здійснюється із затримкою t_п (рис. 4.8, а).

Наближення форми кривої вихідної напруги інвертора до синусоїдальної може бути досягнуто і при багатократній комутації транзисторів під час півперіоду основної частоти (рис. 4.8, б). Вищі гармоніки, близькі до основної ефективно знижуються при модуляції ширини заповнюючих основну хвилю імпульсів за синусоїдальним або трапецеїдальним законом. Так, при кількості імпульсів, яка дорівнює семи протягом півперіоду, крива вихідної напруги буде містити вищі гармоніки, починаючи з чотирнадцятої. За таким технічним рішенням маса фільтра знижується, але набагато ускладнюється схема системи керування. Через те, що втрати при комутації транзисторів пропорційні кількості комутацій, то ККД інверторів у процесі зростання кількості імпульсів за період знижується.

а б

Рис. 4.8

В якості фільтрів, які виділяють першу гармоніку сигналу і поглинають вищі гармоніки, використовуються LC – фільтри.

Регулювання напруги статичних перетворювачів. При зміні навантаження інверторів і напруги мережі живлення вихідна напруга інвертора може змінюватись у широкому діапазоні, тому для стабілізації вихідної напруги перетворювача інвертор живиться від регулювального перетворювача постійної напруги – конвертора. Величина вихідної напруги конвертора формується за сигналом вимірювального органа, який вмикається на вихідну напругу перетворювача. Сигнал на виході вимірювального органа пропорційний відхиленню напруги перетворювача від його заданого значення. Спрощену принципову схему конвертора перетворювача типу ПТС-250 наведено на рис. 4.9.

У склад схеми керування входить мультивібратор на транзисторах VT1, VT2 і магнітний підсилювач АМ. Мультивібратор являється інвертором самозбудження. Схема керування формує імпульси, що вмикають і вимикають транзистори інвертора VT3-VT6. Трансформатор Т1 мультивібратора намотано на тороїдальний сердечник з пермалою, що має прямокутну петлю гістерезиса (рис. 4.10). При вмиканні джерела постійного струму через різні параметри транзисторів VT1 і VT2 в одній з обмоток w₁ або w₂ проходить струм, більший, ніж у другій. Нехай у момент розглядання більше відкритий VT1, його колекторний струм I_к1 більший за струм колектора VT2, тобто I_к1 > I_к2.

Рис. 4.9

Т оді в обмотках w₁ і w₂ починають проходити струми, тому під впливом результуючої намагнічувальної сили індукція в сердечнику змінюється, в усіх обмотках Т1 виникають синфазні ЕРС

F_н = w₁ I_к1  w₁ I_к2 = w (I_к1  I_к2) ,

w₁ = w₂ = w, ,

де n – номер обмотки; w_n – кількість Рис. 4.10 витків у даній обмотці; S – переріз сердечника Т1.

Припустимо для визначеності, що в момент увімкнення джерела сердечник був розмагнічений і його індукція дорівнює – B_s (точка 1 кривої розмагнічування рис. 4.10). Тому, що струм тече від початку обмотки w₁ (позначеного точкою), у ній і в усіх інших обмотках Т1 позитивний потенціал виникає також на початку обмотки. При цьому напруга на обмотці w₃ починає відмикати VT1, а напруга на обмотці w₄ – замикати VT2. Це призводить до збільшення I_к1 і зменшення I_к2, намагнічуюча сила збільшиться, зростуть ЕРС, тобто почнеться лавинний процес, який призведе до повного відмикання VT1 і замикання VT2. Після того, як транзистор відкриється повністю, вся напруга живлення буде прикладена до первинної обмотки w₁ трансформатора, індукція в сердечнику буде змінюватись від - В_s до +В_s (ділянка 4 – 3 на рис. 4.10). Коли індукція в сердечнику досягне значення насичення +B_s, ЕРС в обмотках трансформатора буде дорівнювати нулю.

Транзистор VT1 починає замикатись (тому, що потенціал його бази  0), і струм I_к1 буде зменшуватися. Це призводить до зміни знака похідної dB/dt, і, отже, до зміни полярності ЕРС, що наводиться в обмотках трансформатора Т1. Транзистор VT1 замкнеться, а транзистор VT2 відімкнеться. Вся напруга U_п буде прикладена до первинної обмотки w₂ трансформатора, МДС якої викликає зміну індукції від +B_s до -B_s (ділянка 2 – 1 на рис. 4.10).

П ри досягненні в сердечнику трансформатора індукції насичення знову відбувається перемикання транзисторів. Період перемикання транзисторів буде повністю визначаться часом перемагнічування сердечників:

.

Форма напруги на обмотці трансформатора U_Т1 наведена на рис. 4.11. Частоту мультивібратора можна синхронізувати також і від зовнішнього генератора коливань. Для цього на бази VT1 і VT2 по черзі можуть подаватись Рис. 4.11

замикаючі імпульси з частотою, більшою ніж власна частота мультивібратора. У цьому випадку перемикання буде відбуватися з частотою замикаючих імпульсів, а індукція не буде досягати індукції насичення. Конвертор перетворювача складається з двох силових транзисторів VT3, VT4, трансформатора Т2, двох допоміжних транзисторів VT5 і VT6, що призначені для замикання силових транзисторів, допоміжних трансформаторів Т3, Т4.

Силові транзистори функціонують так, щоб відкривалися по черзі протягом частини півперіоду qT/2 (Т – період керуючих імпульсів). Коли відкритий один з транзисторів, наприклад VT3, струм проходить через обмотку w₂ трансформатора Т2. При цьому напруга на виході інвертора становить:

,

w₁=w₂=w₃=w₄, тому U_вих = 3U_вх. До напруги U_вх додається ЕРС, яка наводиться в обмотках w₃ і w₁. У останній частині півперіоду (1q)T/2 обидва транзистора закриті, напруга на виході буде дорівнювати напрузі на вході U_вх.

Середнє значення напруги за період:

.

Змінюючи коефіцієнт заповнення q, можна регулювати вихідну напругу конвертора від U_вх до 3U_вх. Конденсатори на виході та вході згладжують пульсації струму, який споживається конвертором. Транзистори VT3 і VT4 відкриваються позитивними імпульсами, які подаються через резистори на відпайки трансформаторів Т3 і Т4. Для запирання силових трансформаторів використовуються транзистори VT5 і VT6. При подачі позитивного імпульсу на базу одного з транзисторів він відкривається та шунтує обмотку трансформатора. У результаті напруга на вторинній обмотці цього трансформатора знижується до нуля, і силовий транзистор закривається. Імпульси на відкриття силових транзисторів поступають з обмоток w₆ і w₅ трансформатора Т1, а імпульси на закриття – з навантажувальних резисторів R1 і R2 магнітного підсилювача.

Трифазний перетворювач може бути виконаний з трьох однофазних інверторів, що мають спільне коло живлення та з’єднаних на виході у зірку або трикутник. Силова частина трифазного перетворювача (рис. 4.12) складається з трьох однотипних інверторних комірок, виконаних за двотактною схемою з нульовим виводом. Iнверторна комірка містить два транзистора VT1 і VT2, що вмикають первинну обмотку трансформатора Т_А до джерела живлення.

Рис. 4.12

Транзистори VT1 і VT2 вмикаються по черзі кожні півперіоду вихідного сигналу. При цьому напруга джерела живлення U_п буде прикладена почергово то до однієї, то до другої половини первинної обмотки трансформатора, створюючи в його сердечнику змінний магнітний потік, який наводить у вторинній (вихідній) обмотці змінну напругу прямокутної форми.

В інших інверторних комірках проходять аналогійні процеси зі зсувом в 120^о. Потужність кожної комірки дорівнює одній третині вихідної потужності перетворювача. Імпульси, що керують роботою транзисторів VT1-VT6, формуються у блоці керування БК, який є цифровим розподільником імпульсів і забезпечує синхронну роботу комірок із взаємним фазовим зсувом 120^о. Розподільник імпульсів виконаний на JK тригерах (рис. 4.13) і формує три взаємно зсунутих за фазою на 120^о сигнали керування А, В і С.

Як видно з наведених діаграм, частота опорного генератора перетворювача для даної схеми керування повинна в 6 разів перевищувати вихідну частоту. Опорний генератор виконується на елементах LC. У випадках, коли потрібна дуже висока стабільність частоти, використовують кварцову стабілізацію. Трифазний перетворювач може бути виготовлений з двох інверторних комірок, вихідні трансформатори яких з’єднуються за схемою Скотта (рис. 4.14) – напруги на первинних обмотках трансформатора Т1 і Т2 зсунуті на 90^о відносно одна одної, а кількість витків вторинних обмоток трансформаторів обирається так, щоб (рис. 4.14).

Рис. 4.13 Рис. 4.14

Фазовий зсув на 90^о виконується за допомогою магнітного підсилювача або цифрових фазозсувальних пристроїв.

Перевага схеми Скотта – однакове навантаження обох інверторних чарунок як за повною, так і за активною потужністю за будь-якого соs навантаження. Стабілізація вихідних напруг у даній схемі здійснюється за допомогою двох регуляторів напруги.

Перший стабілізує лінійну напругу U_AC, впливаючи на інвертор I1, другий стабілізує U_BO, впливаючи на інвертор I2.