Исследование трехфазных схем выпрямления

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Цель работы: изучение принципа действия трехфазной схемы выпрямления с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы выпрямления; снятие внешних характеристик выпрямителей при работе на активную нагрузку и активно-индуктивную; ознакомление с формой кривых тока и напряжения на отдельных участках схем выпрямления; экспериментальная проверка основных соотношений между токами и напряжениями.

Описание лабораторной установки

Принципиальная схема установки для исследования трехфазных схем выпрямления приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема для исследования трехфазных схем выпрямления

Питание стенда осуществляется от трехфазной сети переменного тока с напряжением 220 В. Диоды V1, V3, V5 с трансформатором образуют схему выпрямления с нулевым выводом. В мостовой схеме используются дополнительные диоды V2, V4, V6. Переключение исследуемых схем осуществляется переключателем П2. Нагрузкой выпрямителей служит ламповый реостат и дроссель. Миллиамперметр I1 и амперметр I2 измеряют действующее значение тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора измеряется вольтметром U2, среднее значение выпрямленного напряженияUdи тока нагрузки Id, а так же среднее значение тока вентиля Iа измеряются приборами магнитоэлектрической системы. Для наблюдения осциллограмм тока и напряжения на отдельных участках схемы с помощью осциллографа на лицевую панель стенда выведены гнезда. Резисторы R1, R2, R3 служат для снятия формы кривых тока в обмотках трансформатора в нагрузке.

Указания и пояснения к работе

В работе исследуются две схемы выпрямления трехфазного тока: трехфазная схема с нулевым выводом и трехфазная мостовая схема.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом (рис. 2.2) содержит трёхфазный трансформатор, три вентиля (диода) и нагрузку. Первичные обмотки трансформатора соединяются звездой или треугольником, вторичные - звездой. Нагрузка подключается между нулевой точкой звезды и общей точкой катодов вентилей.

Вентили схемы работают поочередно в течение 1/3 периода. В любой момент времени ток проводит тот вентиль, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других вентилей.

Рис. 2.2. Трехфазная нулевая схема выпрямления (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б…е)

На интервале времени Ө 1 …Ө 2 наибольшее положительное напряжение в фазе А, поэтому открыт вентиль V1. К нагрузке в это время приложено напряжение U2a. В момент времени Ө 2 происходит переход тока с вентиля V1 на вентиль V2. Вентиль V2 проводит ток до момента времени Ө 3. Напряжение на нагрузке на интервале Ө 2… Ө 3 равно U2 в. В момент времени Ө 3 ток переходит на вентиль V3. Вентиль V3 проводит ток до момента времени Ө 4 и т.д. Переход тока с одного вентиля на другой (коммутация) происходит в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений. Отсюда следует, что кривая выпрямленного напряжения Ud может быть получена, как огибающая синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 2.2, в). Частота пульсаций - кривой Ud в 3 раза выше частоты сети ωп = 3ωс, коэффициент пульсаций g = Uо.г.мак / Ud = 0,25.

При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока повторяет по форме кривую выпрямленного напряжения (рис. 2.2, в). Напряжение на вентиле (Uv = φd ‒ φк) в проводящую треть периода близко к нулю (рис. 2.2, г). В остальные две трети периода вентиль закрыт и к нему прикладывается обратное напряжение, равное разности фазовых напряжений или линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора (заштрихованная область (заштрихованная область на рис. 2.2, б), потенциал анода φа определяется потенциалом фазы, к которой присоединен вентиль, а потенциал катода φк определяется потенциалом фаз работающих вентилей. Максимальное значение обратного напряжения

Форма тока во вторичной обмотке трансформатора (рис. 2.2, д) совпадает с формой тока вентиля (рис. 2.2, г), т.е. в любой момент времени ток во вторичной обмотке протекает только в одной фазе и в одном направлении. Постоянная составляющая этого тока, равная Id/3, не трансформируется в первичную обмотку трансформатора и создает поток вынужденного намагничивания. Ток в первичной обмотке трансформатора (рис. 2.2, е) протекает во всех трех фазах.

При работе схемы на индуктивную нагрузку кривая выпрямленного напряжения и напряжения на вентиле останутся такими же, как при работе на активную нагрузку. Изменится лишь форма токов, протекающих в элементах схемы. Если L → ∞, то токи через вентили и через вторичные обмотки трансформатора будут представлять собой импульсы тока длительностью 120° и амплитудой, равной среднему значению Id выпрямленного тока.

Трехфазная нулевая схема выпрямления применяется в установках средней мощности.

Недостатки схемы: велико обратное напряжение на вентилях; плохое использование вторичных обмоток трансформатора, т. к. ток по вторичной обмотке в каждой фазе протекает только 1/3 периода; наличие потока вынужденного намагничивания, который может привести к насыщению магнитопровода. Во избежание насыщения приходится увеличивать сечение магнитопровода, что утяжеляет трансформатор. Для устранения потока вынужденного намагничивания применяют секционирование вторичных обмоток и включение их по схеме «звезда - зигзаг».

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 2.3) содержит трехфазный трансформатор, шесть вентилей и нагрузку.

Вентили объединены в две группы: катодную - V1, VЗ, V5 с объединенными катодами, и анодную - V2, V4, V6 с объединенными анодами. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. В каждый момент времени ток проводят два вентиля: один из катодной группы, другой из анодной. В катодной группе ток проводит вентиль с наибольшим положительным потенциалом на аноде, а в анодной - с наибольшим отрицательным потенциалом на катоде. Так, на интервале времени Ө 1… Ө 3 (рис. 2.3, б…г) в катодной группе ток проводит вентиль V1, а в анодной - V6 (от Ө 1 до Ө 2) и V2 (от Ө 2 до Ө 3). На интервале времени Ө 3… Ө 5 в катодной группе открыт вентиль V3, а в анодной V2 (от Ө 3 до Ө 4) и V4 (от Ө 4 до Ө 5) и т. д. Каждый вентиль проводит ток 1/3 периода. Коммутация тока с одного вентиля на другой в данной группе происходит в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений U2. Так как положительные полуволны синусоид фазных напряжений выпрямляются вентилями катодной группы, а отрицательные - вентилями анодной группы, выпрямленное напряжение Ud (напряжение в нагрузке) равно сумме выпрямленных напряжений катодной и анодной групп или линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора (рис. 2.3, д). Частота пульсаций выпрямленного напряжений ωп = 6 fсети, коэффициент пульсации q = 0,057. При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока по форме аналогична кривой U2 (рис. 2.3, д).

Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях (рис. 2.3, ж), т.е. ток вторичной обмотки переменный, поэтому в мостовой схеме поток вынужденного намагничивания не создается. Ток i1 первичной обмотки трансформатора по форме повторяет ток вторичной обмотки.

Напряжение на вентиле в проводящую треть периода близко к нулю (рис. 2.3, в). В остальные две трети периода вентиль закрыт и к нему прикладывается обратное напряжение, равное линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора, так как вентиль, не проводящий ток, одним электродом подключен к одной фазе трансформатора, а другим - через работающий вентиль к другой.

Преимущества трехфазной мостовой схемы: отсутствие потока вынужденного намагничивания; хорошее использование трансформатора и небольшое значение типовой мощности трансформатора Sт = 1,045 Pd; высокая частота пульсаций и малый коэффициент пульсаций; хорошее использование вентилей по напряжению Uобр.макс. ≈ Ud; большее значение выпрямленного напряжения по отношению к фазному напряжению U2; меньшее значение обратного напряжения.

Основные расчетные соотношения для трехфазных схем выпрямления приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Тип схемы выпрямления
Трехфазная нулевая	0.33	1.17	0.577		2.09	0.577	0.471	1.345
Трехфазная мостовая	0.33	2.34	0.577		1.045	0.817	0.817	1.05

Порядок работы

1. Исследовать трехфазную нулевую схему.

1.1. Переключатель П2 поставить в положение «Схема с нулевым выводом».

1.2. Тумблеры лампового реостата разомкнуть.

1.3. Дроссель зашунтировать перемычкой.

1.4. Включить тумблер «Сеть».

1.5. Снять к построить внешнюю характеристику Ud = f(Id) схемы с нулевым выводом при активной нагрузке. Ток нагрузки задавать ламповым реостатом. Показания приборов записать в таблицу 2.2.

1.6. Убрать перемычку, шунтирующую дроссель.

1.7. Снять и построить внешнюю характеристику схемы с нулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке. Показания приборов записать в таблицу 2.2.

1.8. Зарисовать осциллограммы кривых тока и напряжения в обмотках трансформатора и в нагрузке, осциллограмму напряжения на вентиле. Исследовать влияние индуктивности на кривые тока и напряжения.

Примечание: осциллограммы кривых тока i1, id, i2 зарисовать при номинальной нагрузке, а осциллограммы напряжения: U1, U2, Ud - в режиме холостого хода.

Таблица 2.2.

Тип схемы выпрямления

Активная нагрузка

Активно-индуктивная нагрузка

Измерено

Вычислено

Измерено

Вычислено

U2

Id

Ud

Ia

I2

I1

U2

Id

Ud

Ia

I2

I1

В

А

В

А

А

мА

В

А

В

А

А

мА

1.9. По данным эксперимента определить соотношение напряжений Ud/U2 в режиме холостого хода и токов Ia/Id, I2/Id, I1/Id в режиме номинальной нагрузки и сравнить их с теоретическими соотношениями.

2. Исследовать трехфазную мостовую схему выпрямления, для этого:

2.1. Переключатель П2 поставить в положение «Схема Ларионова», предварительно отключив нагрузку в виде лампового реостата.

2.2. Повторять пункты 1.3, …, 1.9.

Контрольные вопросы

1. Поясните принцип действия трехфазной нулевой и трехфазной мостовой схемы выпрямления.

2. Перечислите достоинства и недостатки обеих схем выпрямления.

3. Почему в трехфазной нулевой схеме возникает поток вынужденного намагничивания и как он устраняется?

4. Поясните вид кривых I, Ud, id, ia, Uv в обеиx схемах.

5. Поясните внешние характеристики выпрямителей.

6. Сравните схемы по величине Ud, Uoбp и по использованию трансформатора.

7. По каким параметрам выбирают вентили?

Дата добавления: 2014-11-29