Опасность корытыша выходов усилителей фаз на землю XS5 при включении обоих змель на обоих каналах

1 Исследование трехфазного мостового выпрямителя

1. Цель работы

Углубить знания по физической сущности процессов преобразования переменного тока в постоянный, приобрести навыки экспериментального исследования устройств промышленной электроники с помощью осциллографа.

1.2 Теоретические сведения о трехфазном мостовом управляемом выпрямителе

Трехфазная мостовая схема получила преимущественное применение при построении управляемых выпрямителей трехфазного тока (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Основными характеристиками, определяющими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

– средние значения выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d ;

– коэффициент полезного действия η;

– коэффициент мощности χ;

– внешняя характеристика – зависимость среднего напряжения на выходе от среднего тока нагрузки: ;

– регулировочная характеристика – зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла управления ;

– коэффициент пульсаций – отношение амплитуды данной гармонической составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (тока): .

Рассмотрим свойства и принцип работы выпрямителей построенных по трехфазной мостовой схеме (схеме Ларионова).

Вентили на схеме выпрямителя (рисунок 1.1) разбиты на две группы: катодная группа, у которой соединены катоды (VS1, VS3, VS5); анодная группа, у которой соединены аноды (VS2, VS4, VS6). Общие точки вентилей двух групп соединены с источником питания (в данной схеме с вторичными обмотками трансформатора). Нумерация тиристоров выбрана для упрощения понимания принципов работы управляемого выпрямителя.

В неуправляемых выпрямителях или при нулевом угле управления α в управляемых выпрямителях в каждый момент времени ток будет проводить тот вентиль, потенциал анода которого будет максимальным (в катодной группе) или потенциал катода которого будет минимальным (в анодной группе). Поэтому мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя определяется значением линейного напряжения фаз, подключенных к нагрузке в данный момент времени через открытые вентили. На временной диаграмме рисунок 1.2а показана очередность проводящего состояния тиристоров.

В управляемых выпрямителях средние значения токов и напряжений зависят от угла управления α, отсчитываемого от точек естественной коммутации тиристоров θ₁, θ₂, θ₃ и т.д. до момента открытия тиристоров (рисунок 1.2а). Это обуславливается задержкой на угол управления моментов подачи отпирающих импульсов на тиристоры (рисунок 1.2б) системой управления выпрямителя.

При наличии достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки задержка вступления в работу очередных тиристоров создает задержку на такой же угол α моментов запирания проводящих тиристоров. При этом кривые потенциалов φ_d(+), φ_d(–) и напряжения u_d приобретают вид, показанный на рисунке 1.2а, в. В кривой выпрямленного напряжения создаются «вырезки»,

Рисунок 1.2 – Временные диаграммы работы трехфазного преобразователя

вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при изменении угла α осуществляется регулирование величины выпрямленного напряжения U_d. Влияние угла α на кривую u_d и среднее значение напряжения U_d показаны на рисунке 1.3а – г. Поскольку в трехфазной мостовой схеме выпрямлению подвергается линейное напряжение, кривая u_d на рисунке 1.3 а-г, как и на рисунке 1.2в, состоит из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_ab, u_ac, u_bc u_ba, u_ca, u_cb.

При изменении угла α в диапазоне от 0 до 60° переход напряжения u_d с одного линейного напряжения на другое осуществляется в пределах положительной полярности участков линейных напряжений (рисунок 1.3а, б). Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы, как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузках.

При α > 60° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рисунок 1.3в, г). В случае активно-индуктивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вторичные обмотки трансформатора после изменения полярности их линейного напряжения (рисунок 1.3в, г), в связи, с чем в кривой u_d появляются участки линейных напряжений отрицательной полярности. При эти участки продолжаются до моментов очередного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d = 0 соответствует угол α = 90° (рисунок 1.3г). Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой U_d при α > 60° появляются нулевые паузы. Напряжение U_d станет равным нулю при значении угла α = 120°.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления α (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале (рисунок 1.2в):

Рисунок 1.3 – Кривые выходного напряжения трехфазного мостового управляемого выпрямителя при и различных углах управления

, (1.1)

где U₂ – действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора;

– среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного выпрямителя при α = 0, т.е. значение выходного напряжения неуправляемого выпрямителя.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке на интервале 60° 120° находят из выражения

. (1.2)

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрямителя, построенные по выражениям (1.1), (1.2), приведены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Регулировочные характеристики трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Кривые анодных токов тиристоров и токов обмоток трансформатора при (см. рисунок 1.2 г, д) отличаются от кривых соответствующих токов при нулевом угле управления, наличием отстающего фазового сдвига относительно напряжений ( ).

Кривая напряжения на тиристоре приведена на рисунке 1.2е. Амплитуда обратного напряжения равна 1,045U_d0. Этой величиной определяется не только обратное напряжение, но и возможное значение амплитуды прямого напряжения на тиристоре при регулировании угла α.

На рисунке 1.5а-д приведены временные диаграммы напряжений и токов управляемого выпрямителя с учетом коммутационных процессов, вызываемых индуктивностями рассеивания обмоток трансформатора (на рисунке 1.1 не приведены). Коммутационные процессы обусловлены переходом тока с тиристора, заканчивающего работу, на тиристор, вступающий в работу (рисунок 1.5в) той же тиристорной группы (анодной или катодной). Каждый такой коммутационный процесс начинается в момент подачи отпирающего импульса на очередной в порядке вступления в работу тиристор (рисунок 1.5а). Коммутация токов продолжается в течение интервала γ и протекает так же, как и при нулевом угле управления (или в схеме неуправляемого мостового выпрямителя).

Потенциалы выводов нагрузки на этапах коммутации за счет падений напряжения на реактивных сопротивлениях уменьшаются. На интервале γ они определяются полусуммой напряжений двух фаз с коммутирующими вентилями. Коммутационные падения напряжения сказываются на форме кривой напряжения u_d и уменьшении его среднего значения U_d (рисунок 1.5б) на величину . В этом случае среднее значение напряжения .

Расчет среднего значения коммутационных падений напряжения производят с учетом, что напряжение (рисунок 1.5а) к моменту начала коммутаций имеет нулевую фазу:

Рисунок 1.5 – Временные диаграммы с учетом явления коммутации

(1.3)

Из анализа цепей можно получить соотношение для длительности коммутационного процесса  через параметры коммутационной цепи

(1.4)

где x_a – суммарное индуктивное сопротивление индуктивностей рассеивания трансформатора.

Подстановкой (1.4) в (1.3) находим и среднее значение напряжения на нагрузке с учетом явления коммутации:

(1.5)

Соотношение (1.5) является уравнением внешних характеристик трехфазного управляемого выпрямителя. Вид внешних характеристик соответствует рисунку 1.6.

Влияние коммутационных процессов на форму кривых первичного и вторичного токов трансформатора, а также на форму кривой напряжения на тиристоре показано на рисунке 1.5г, д. Первые гармоники токов приобретают результирующий фазовый сдвиг, равный . Процессы коммутации не сказываются на величинах максимально возможных прямого и обратного напряжений на тиристоре, которые остаются равными 1,045 .

Рисунок 1.6 – Внешние характеристики управляемого выпрямителя

1.3 Описание лабораторной установки.

Структурная схема стенда изображена на рисунке 1.7. Тиристорный мостовой выпрямитель (ТМВ) питается от генератора трехфазного напряжения (ГТН). Управление силовыми приборами выпрямителя выполняет система управления (СУ), включающая в себя также управление родом нагрузки (Н), режимом работы ТМВ. СУ выпрямителя и ГТН содержат общий источник питания (ИП).

Рисунок 1.7 – Структурная схема лабораторного стенда по исследованию трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Принципиальная схема стенда изображена на рисунке 1.8.

Микроконтроллер DD1 выдает трехканальный ШИМ сигнал с выводов микроконтроллера (PB1 – PB3) для реализации трехфазной системы напряжений. Далее эти сигналы фильтруются на RC-фильтрах (R9, C13 для фазы «а»; R10, C14 для фазы «b»; R11, C15 для фазы «с»). Усилители мощности DA4 и DA5 осуществляют усиление сигнала с микроконтроллера для дальнейшей подачи его на вход выпрямителя. Точная регулировка амплитуды каждой фазы напряжения на выходе усилителей обеспечивается резисторами R12 – R17. Конденсаторы С16 – С18 служат для фильтрации постоянной составляющей на входе усилителей.

Тиристорный ключ выпрямителя реализован в виде оптосимистора DA6-DA11 и последовательно включенного с ним диодов VD10-VD15, для реализации односторонней проводимости. Резисторы R18 – R23 являются токоограничивающими для управляющей цепи симисторных оптопар DA6-DA11.

1.4 Описание силовой схемы лабораторной установки

Схема стенда с органами управления приведена на рисунке 1.9 и передней панели стенда.

В качестве силовых элементов схемы используются тиристоры VS1 – VS6 (как было указано в п.1.3. выполненных на последовательных симисторе и диоде). Тиристоры VS1, VS3, VS5 с объединенными катодами и тиристоры VS2, VS4, VS6 с объединенными анодами, входят в катодную и анодную группы, соответственно.

Рисунок 1.9 – Схема лабораторного стенда по исследованию трехфазного мостового выпрямителя

Выпрямитель может исследоваться с двумя видами нагрузки: активной – задаваемой одним из резисторов R_Н1 – R_Н4 и активно-индуктивной – при дополнительно включенной индуктивности L_Н. Активные нагрузки R_Н1 – R_Н4 подключаются к выпрямителю через галетный переключатель SA6, которым также задается режим холостого хода (ХХ). Индуктивная нагрузка L_Н включается в цепь нагрузки переключателем SA5.

Величина среднего значения выпрямленного напряжения контролируется внешним измерительным прибором, подключаемым к гнездам XS9 и XS11.

Стенд позволяет исследовать статические и динамические характеристики выпрямителя. Для снятия осциллограмм тока осциллограф необходимо подключить:

к шунту R_Ш1 – для снятия тока фазы «а»;

к шунту R_Ш2 – для снятия тока тиристора VS4;

к шунту R_Ш3 – для снятия тока тиристора VS6;

к шунту R_Ш4 – для снятия тока в нагрузке;

к шунту R_Ш5 – для снятия тока вентиля VD1.

Сопротивление всех шунтов в схеме равно 1 Ом.

Для снятия фазных напряжений осциллограф необходимо подключить:

к гнездам XS2 и XS5 – для снятия напряжения u_a фазы «а»;

к гнездам XS3 и XS5 – для снятия напряжения u_b фазы «b»;

к гнездам XS4 и XS5 – для снятия напряжения u_c фазы «c».

К гнездам XS2 и XS6 подключают осциллограф при снятии напряжения на выводах тиристора VS4, к гнездам XS9 и XS11 – при снятии выпрямленного напряжения u_d, к гнездам XS10 и XS11 – при снятии напряжения на обратном диоде VD1.

1.5 Программа работы.

1.5.1 Снять осциллограммы фазных напряжений.

1.5.2 Снять регулировочные характеристики для активной и активно-индуктивной нагрузке.

1.5.3 Снять осциллограммы напряжения и тока нагрузки при различных углах управления и роде нагрузки.

1.5.4 Снять осциллограммы напряжения и тока тиристора VS при различных углах управления и роде нагрузки

1.5.5 Снять осциллограммы фазного напряжения, тока фазы при различных углах управления и роде нагрузки

1.5.6 Снять осциллограммы напряжения на нагрузке и тока диода при различных углах управления и роде нагрузки с включенным обратным диодом. Установить его влияние на работу схемы.

1.5.7 Снять токи в цепях тиристоров для определения влияния коммутационных процессов, вызываемых индуктивностями рассеивания обмоток трансформатора.

1.5.8 Снять семейство внешних характеристик схемы.