Министерство образования и науки

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.Туполева - КАИ

______________________________________________________________

Цой А.А., Хайрутдинова А.К.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Учебное пособие

Казань 2013

УДК 621.314.6

Цой А.А., Хайрутдинова А.К. Исследование свойств и характеристик силовых схем выпрямления: Учебное пособие по курсу «Электронные преобразователи электрической энергии»/ Казань :Изд-во Казанского нац. иссл. техн. ун-та (КАИ), 2013,47 с.

Настоящее пособие содержит основы теории и указания для экспериментального исследования и изучения свойств и характеристик основных однофазных и трехфазных схем неуправляемых и управляемых выпрямителей.

Пособия предназначено для студентов электроэнергетических профилей изучающих дисциплины в области силовых электронных преобразователей при проработке теоретического материала, моделировании в рамках самостоятельной работы и в натурном экспериментировании на аудиторных лабораторных занятиях по разделам «Выпрямители», «Тиристорные преобразователи».

Табл.19 , Ил.36, Библиогр. 5 .

ВВЕДЕНИЕ

Современные технологии обучения переносят основной упор в учебном процессе на самостоятельную работу студента под непосредственным контролем преподавателя и без него. Для обеспечения такого процесса изучаемый материал должен достаточным и представлен адекватным образом. Именно эта цель преследовалась при разработке настоящего пособия.

В предлагаемом пособии представлен учебный и методический материал для теоретического изучения и экспериментального исследования в рамках самостоятельной работы и аудиторных лабораторных занятий по разделу «Выпрямители» дисциплин «Силовая электроника», «Электронные преобразователи электроэнергии» и родственных им.

В пособии рассмотрены две базовые однофазные и две базовые трехфазные схемы выпрямления, используемые в силовых электронных преобразователях, это:

- Однофазная нулевая схема (двухфазная однотактная);

- Однофазная мостовая схема (однофазная двухтактная);

- Трехфазная нулевая схема (трехфазная однотактная);

- Трехфазная мостовая схема (трехфазная мостовая).

Для каждой из схем приводится описание принципа действия, соотношения для основных проектных параметров, схема для экспериментальных исследований и снятия характеристик, методические указания для моделирования и натурного эксперимента. Рассмотрены случаи активной и активно-индуктивной нагрузок в неуправляемом и управляемом режиме работы. Предусмотрено исследование особенностей активно-емкостной нагрузки.

При моделировании схем выпрямления рекомендуется использовать программы Electronics Workbench, Multicim, Mat Lab, Lab View.

Для натурного эксперимента используется стенд, описание которого приведено в приложении.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОДНОФАЗНАЯ НУЛЕВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

2. ОДНОФАЗНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

3.ТРЕХФАЗНАЯ НУЛЕВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

4.ТРЕХФАЗНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

ОДНОФАЗНАЯ НУЛЕВАЯ (ДВУХФАЗНАЯ ОДНОПОЛУПЕРИОДНАЯ) СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

1. Схема и принцип работы.

Схема нулевого выпрямителя, она же по другой классификации двухфазная однополупериодная схема выпрямления, приведена на (рис.1.1.). Схема состоит из двух однофазных схем питающихся от двух вторичных полуобмоток (двух фаз) трансформатора имеющих общую (нулевую) точку.

u₂

i_B1

i_B2

u_d,i_d

u₂₁

u₂₂

U_{обр.макс}

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

u_d

U_d

0 π 2π

ωt

Рис.1.2.

Являясь однофазной по питанию схема является двухфазной по числу вторичных обмоток трансформатора ( p = 2) и однополупериодной по количеству используемых в выходном напряжении тактов ( q = 1). ( Здесь p – количество фазных обмоток трансформатора, напряжение которых выпрямляется, q – количество используемых полупериодов напряжения каждой фазы). Таким образом фазность схемы m=pq=2.

Диаграммы напряжений и токов схемы выпрямления, отражающие принцип работы при активном характере нагрузки и угле управления тиристорами α = 0 приведены на рис.1.2.

Работа схемы:

1) Положительная полуволна питающего напряжения ( ):

- u₂₁ > 0 , вентиль B1 открыт , u_d = u^I₂;

- u₂₂< 0 , вентиль B2 закрыт, i_B2 = 0;

Здесь : сопротивление нагрузки .

2) Отрицательная полуволна питающего напряжения ( ):

- u₂₂ > 0 , вентиль B2 открыт , u_d = u₂₂ ;

- u ₂₁ < 0 , вентиль B1 закрыт. i_B1 = 0;

Таким образом, в любой момент времени выпрямленное напряжение в

нагрузке u_d повторяет напряжение фазы работающей в данный момент. В силу закона Ома форма тока нагрузки i_d повторяет форму выпрямленного напряжения.

2. Расчетные соотношения ( или неуправляемый выпрямитель).

2.1. Активная нагрузка (α=0).

2.1.1. Параметры нагрузки.

- Средние значения выпрямленного напряжения и тока

;

.

- Частота пульсаций выпрямленного напряжения

_.

- Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (по первой гармонике)

.

2.1.2. Параметры вентиля:

- Среднее , максимальное и действующее I_B значения тока вентиля:

;

=I_d

- Максимальное обратное напряжение вентиля

= 2,42 U₂

2.1.3. Параметры трансформатора :

- Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

;

.

- Напряжения и мощности вторичной и первичной обмоток

- Типовая (габаритная мощность)

2.2. Активно-индуктивная нагрузка ().

При ωL = ∞ ток нагрузки, поддерживаемый ЭДС самоиндукции нагрузки , остается неизменным (Рис.1.3а).

При ωL ≠ ∞ (Рис.1. 3б) появляется переменная составляющая тока, тем большая, чем меньше индуктивность нагрузки.

При достаточно малой индуктив-ности ток принимает прерывистый характер (Рис. 3в) .

ωt

В этом режиме изменяются следующие параметры схемы

I_Bср = I_Bm = ;

;

;

S_T = 1,34 P_d .

3. Расчетные соотношения. Управляемый выпрямитель.

3.1. Активная нагрузка ( α ≠ 0 ).

Особенность работы схемы в рассматриваемом режиме состоит в том, что каждый вентиль (тиристор) при приложении напряжения положительной полярности отпирается не сразу. Режим ожидания продолжается до момента подачи управляющих импульсов в момент ωt = α (рис.1.4а).

Рис.1.4.4

ωt

Среднее значение выпрямленного напряжения в этом режиме зависит от угла α

3.2. Активно-индуктивная нагрузка ( α ≠ 0 ).

В этом режиме открытый при положительном напряжении соответствующей фазной обмотки трансформатора тиристор продолжает оставаться открытым при смене его полярности (Рис.1.4б). Положительная поляризация тиристора поддерживается ЭДС самоиндукции нагрузки, препятствующей уменьшению тока. При достаточно большой индуктивности тиристор запирается только тогда, когда откроется тиристор другой фазы.

В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения равно

Графики зависимости выпрямленного напряжения от угла управления для активной и активно-индуктивной нагрузок приведены на рис.1.5.

4. Экспериментальная часть

Экспериментальное исследование этой и остальных схем может быть выполнено либо с использованием моделирующей программы, либо на специализированном лабораторном стенде.

4.1. Цели эксперимента.

- исследование режимов работы двухфазного однополупериодного выпрямителя при активной и активно-индуктивной нагрузке;

- измерение параметров нагрузки, вентилей и трансформатора в указанных режимах;

- анализ свойств и характеристик рассматриваемой схемы.

4.2. Схема эксперимента (Рис.1.6.)

3.2. Экспериментальное исследование схемы на модели.

3.2.1 Измерение параметров выпрямителя при изменении характера нагрузки.

Смонтировать схему эксперимента ( Рис.1.6). В качестве вентилей в при моделировании используются выпрямительные диоды.

При фиксированном активном сопротивлении нагрузки R_d = 100Ом, устанавливая величину индуктивности L_d = 0; 0,1Гн; 1Гн ; 10Гн измерить выпрямленные ток и напряжение, токи и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора. С помощью осциллографа определить коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Результаты эксперимента занести в табл.1.1. ωL = ∞)

Таблица 1.1.

Характер нагрузки	Id	Ud	кП	IB = I2	U2	I1	U1	I2 / Id	U2 / Ud
Активная Rd = 100 Ом
Активно-индуктивная Ld = 0,1 Гн
Активно-индуктивная Ld = 1,0 Гн
Активно-индуктивная Ld = 10 Гн

3.2.2. Снятие внешней характеристики

Для активной и активно-индуктивной (L_d = 1Гн ) нагрузок при изменении R_d измерить выпрямленные ток и напряжение I_d и U_d . Результаты записать в табл.1.2. построить график зависимости U_d = f(I_d ) для обоих типов нагрузки.

Таблица 1.2.

Rd	Активная нагрузка			Активно-индуктивная нагрузка
	Ud	Id	Ud		Id
∞
1600
1000
800
600
400
100

3.2.3. Измерение коэффициента мощности

Подключить двухканальный осциллограф на осцилографирование напряжения и тока первичной обмотки трансформатора. Измерить фазовый сдвиг между ними (χ). Результаты записать в табл.1.3. Рассчитать коэффициент мощности. Построить график зависимости Cos χ = f(L).

Таблица 1.3.

Характер нагрузки	χо	Cos χ
Активная Rd = 100 Ом
Активно-индуктивная Ld = 0,1 Гн
Активно-индуктивная Ld = 1,0 Гн
Активно-индуктивная Ld = 10 Гн

3.2.4. Исследование работы управляемого выпрямителя.

Для активной нагрузки построить временные диаграммы выпрямленного напряжения для заданных преподавателем величин углов управления α.

Для активно-индуктивной нагрузки (ωL = ∞) построить временные диаграммы выпрямленного напряжения для заданных преподавателем величин углов управления α.

Контрольные вопросы

1. Каким образом определяется фазность схемы выпрямления и какие характеристики зависят от этого параметра?

2. Параметры необходимые для выбора вентилей в выпрямителе, это?

3. Как определить максимальное обратное напряжение вентиля в однофазной нулевой схеме выпрямления?

4. Проектные параметры трансформатора для схем выпрямителей.

5. Каким образом величина индуктивности в нагрузке влияет на форму выпрямленного тока?

6. Почему в управляемом выпрямителе при индуктивной нагрузке ток включенного вентиля сохраняет свое направление даже при смене полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора?

7. Чем объясняется появление интервалов с отрицательным выходным напряжением при индуктивном характере нагрузки?

8. Внешняя характеристика выпрямителя, это? Объяснить характер этой зависимости.

9. Регулировочная характеристика выпрямителя это? Объяснить разницу регулировочных характеристик при активной и индуктивной нагрузках.

ОДНОФАЗНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ

1. Схема выпрямителя.

Схема выпрямителя приведена на рис.2.1.

а)

2. Принцип действия.

Мостовая схема является однофазной ( p = 1) двухполупериодной ( q = 2) схемой выпрямления. (Здесь p – количество фазных обмоток трансформатора, напряжение которых выпрямляется, q – количество используемых полупериодов напряжения каждой фазы).

Диаграммы напряжений и токов отражающие принцип работы схемы при активном характере нагрузки приведены на рис.2а.

Работа схемы:

1) Положительная полуволна питающего напряжения ( ) u₂ > 0 :

- открыты B1 , В4 , u_d = u₂ ;

- B2,В3 закрыты, i_B2 = i_B3 = 0;

Здесь сопротивление нагрузки .

2) Отрицательная полуволна питающего напряжения ( ) u₂ < 0 :

- открыты B2 , В3 , u_d = - u₂ ;

- B1,В4 закрыты, i_B1 = i_B4 = 0;

3. Основные соотношения.

Мостовая, как и нулевая схема, дает двухполупериодное выпрямление. Форма выпрямленных напряжения и тока одинаковы. Поэтому основные соотношения для обеих схем в основном совпадают.

Отличие составляют:

- Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора, которая в мостовой схеме работает оба полупериода . Оно в этом случае равно

.

- Максимальное обратное напряжение вентилей , которое для мостовой схемы равно

= 1,57 U_d ,

это в два раза меньше обратного напряжения нулевой схемы, что определяет ее преимущества для использования в высоковольтных выпрямителях.

Кроме того мостовая схема, по сравнению с нулевой, имеет удвоенное прямое падение напряжения в вентилях. Это ограничивает использование мостовых схем в низковольтных выпрямителях.

Особенностью работы схемы при индуктивном характере нагрузки состоит в том, что при, достаточно большой индуктивности ( теортически ωL=∞), ток нагрузки остается практически неизменным (Рис.2б.) В током случае I_Вmax =I_d . В силу прямоугольной формы тока меняется также величина действующего значения тока вентиля, которое в этом случае равно

I_B=

В табл.2.1. для сравнения приведены расчетные соотношения для двух однофазных схем выпрямления: нулевой и мостовой, при активном (ωL= 0) и активно-индуктивном характере нагрузки (ωL= ∞) [1,2].

Таблица 2.1.

	Нулевая схема			Мостовая схема
	ωL=0	ωL= ∞	ωL=0		ωL= ∞
Параметры нагрузки
Выпрямленное напряжение - Ud	0,9			0,9
Коэффициент пульсаций - кП	0,67			0,67
Параметры вентилей
Среднее значение тока - IBср	0,5 Id			0,5 Id
Максимальное значение тока- IBm	1,57 Id	Id	1,57Id		Id
Действующее значение тока- IB	0,785Id	0,707 Id	0,785Id		0,707 Id
Максимальное обратное напряжение - Uобр.макс.	3,14Ud			1,57 Ud
Параметры трансформатора
Напряжение вторичной обмотки - U 2	1,11 Ud0			1,11 Ud0
Действующее значение тока вторичной обмотки - I2	0,79 Id	0,707 Id	1.11 Id		Id
Действующее значение тока первичной обмотки- I1	1,11Id	Id	1,11Id		Id
Габаритная (типовая) мощность трансформатора - ST	1,48Pd	1,34 Pd	1,23Pd