Управляемый преобразователь

Цель работы: изучить работу однофазного управляемого выпрямителя на активную и активно-индуктивную нагрузку; исследовать работу инвертора, ведомого сетью; снять основные характеристики управляемого выпрямителя и инвертора.

Общие сведения

Для плавного и бесконтактного регулирования напряжения в различных отраслях промышленности широко применяются управляемые выпрямители (УВ), в вентильном звене которых устанавливаются тиристоры вместо диодов. Регулирование тока и напряжения нагрузки в широком диапазоне осуществляется путем изменения момента включения тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Дополнительным преимуществом управляемых выпрямителей является возможность работы в режиме инвертирования, т.е. преобразования постоянного тока в переменный. Установки, совмещающие оба режима работы, получили название управляемых преобразователей.

Управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом на активную нагрузку (рис.5.1,а). Для простоты предположим, что тиристоры, подобно диодам, включаются в точках естественного открывания, в данном случае, после прохождения положительных полусинусоид вторичного напряжения U ₂ через нуль.

По отношению к средней точке напряжения обеих вторичных полуобмоток сдвинуты по фазе на 180° (рис.5.1, б). В первый полупериод, когда на аноде тиристора VS1 появляется положительный потенциал по отношению к катоду, в верхнем контуре протекает ток от полуобмотки трансформатора через открытый тиристор в нагрузку (направление тока выделено жирной стрелкой при полярности напряжения, указанной на рис.5.1,а). В этом интервале времени тиристор VS2 закрыт отрицательным анодным напряжением.

В следующий полупериод полярность напряжения на полуобмотках трансформатора изменяется, и через открывшийся тиристор VS2 в нижнем контуре протекает ток по направлению штриховой стрелки. В этом интервале времени тиристор VS1 закрыт и не пропускает тока (рис.5.1,б).

Таким образом в двухполупериодной схеме выпрямления оба тиристора работают поочередно, а в нагрузке протекает пульсирующий ток одного и того же направления.

Форма этого тока повторяет огибающую положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора (рис.5.1,б), а величина зависит от сопротивления нагрузки и мгновенных значений напряжения. Форма выпрямленного напряжения на нагрузке в идеальном случае приближается к огибающей положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора.

Для регулирования тока в нагрузке каждый тиристор необходимо включать с некоторым запаздыванием по отношению к точке естественного открывания. Такое включение производится положительными импульсами, подаваемыми поочередно от СИФУ на управляющие электроды тиристоров с фазовым сдвигом w t ₁, w t ₂,... (рис.5.2). Соответствующие этому сдвигу по фазе углы запаздывания в электрических градусах называются углами регулирования и обозначаются буквами a¢, a¢¢ и т.д.

В данной схеме УВ углы регулирования можно изменять в пределах от 0 до 180°. Рассмотренный ранее граничный случай соответствовал условию a =0. При втором граничном случае, a =180°, ни один из тиристоров не сможет включиться, поскольку моменты подачи управляющих импульсов совпадают с нулевыми значениями напряжений на полуобмотках трансформатора.

Для промежуточных значений 0< a <180° (рис.5.2) в течение части положительного полупериода w t = a каждый тиристор остается закрытым, а включается только в момент подачи управляющего импульса. При этом ток в нагрузке возрастает скачком и в интервале wt =(p- a) оставшейся части полупериода изменяется по синусоидальному закону. С увеличением угла a сокращается время работы каждого вентиля и, естественно, снижается среднее значение выпрямленного тока и напряжения (рис.5.2). Таким образом, при изменении угла регулирования в диапазоне 0.....180° эти величины уменьшаются от своих предельных значений U _но (при a =0) до нуля (при a =180°).

Среднее значение выпрямленного напряжения на активной нагрузке (без учета потерь) определяется выражением

U _н= U _но(1+ cosa)/2

Зависимость U _н= f (a) является регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

При работе на активно-индуктивную нагрузку кривая тока остается непрерывной (рис.5.3,а), поскольку энергия, запасенная в дросселе в проводящую часть полупериода, расходуется на поддержание тока до момента включения следующего тиристора. Теоретически, при L ®¥, форма тока в нагрузке должна представлять собой прямую линию, а в каждом плече выпрямителя - прямоугольник.

Нельзя не отметить, что при индуктивном характере нагрузки тиристоры могут оставаться открытыми даже при отрицательном уровне напряжения каждой полуобмотки, пока ЭДС самоиндукции способствует протеканию непрерывного тока (рис.5.3). Такие условия работы сохраняются только до значений a <90°, случаю a =90° соответствуют равновеликие площади положительных и отрицательных участков полусинусоид (сравните заштрихованные площадки на рис.5.3,б). При этом среднее значение выпрямленного напряжения

равно нулю.

Для чисто индуктивной нагрузки регулировочная характеристика подчиняется косинусоидальному закону, U _н= U _но cosa. При конечных значениях индуктивности в нагрузочной цепи эта кривая отклоняется от косинусоиды в сторону больших предельных углов регулирования.

Внешние характеристики управляемого выпрямителя U _н=¦(I _н) при фиксированных значениях угла регулирования (a =const) образуют семейство прямых линий с постоянным наклоном, поскольку величина падения напряжения в элементах схемы УВ не зависят от угла a.

Инвертор.

Инвертированием называется преобразование постоянного тока в переменный ток определенной величины и частоты. В связи с изменением направления потока энергии выходным звеном инвертора становится трансформатор, а на входные зажимы подключается независимый источник постоянного тока. Полярность его выбирается противоположной (по отношению к режиму выпрямления), чтобы обеспечить прямую проводимость вентилей. Для получения переменного напряжения необходимо периодически прерывать постоянный ток и распределять его по обмоткам (фазам) трансформатора тем или иным способом. В управляемых преобразователях функции ключей-распределителей выполняют тиристоры.

В зависимости от того, какими средствами осуществляется переход тока от вентиля к вентилю (коммутация тока), различают:

автономные (независимые) инверторы (с принудительной емкостной коммутацией при любой задаваемой частоте);

инверторы, ведомые сетью (с коммутацией напряжением сети при частоте сети).

В данной работе исследуется инвертор второй группы, в котором активная мощность передается от источника ±120 В в сеть переменного тока при одновременном потреблении реактивной из сети.

В инверторном режиме тиристоры должны пропускать ток преимущественно при отрицательных полупериодах напряжения в каждой полуобмотке.

Их переключение происходит благодаря тому, что напряжение на аноде открываемого тиристора оказывается положительным и более высоким, чем у работающего за счет источника постоянного тока, а также возникающей ЭДС самоиндукции. В этом случае дроссель способствует поддержанию непрерывного тока в каждом контуре, улучшает форму кривой переменного напряжения и фильтрует высшие гармоники.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что протекание токов в вентильных полуобмотках трансформатора при изменении полярности ЭДС свидетельствует об изменении направления потока энергии - от источника постоянного тока в сеть переменного тока (рис.5.4,а).

Переход преобразователя от выпрямительного к инверторному режиму показывают временные диаграммы напряжения и тока (сравните рисунки 5.3 и 5.4).

При углах регулирования a <90° преобразователь отдает непрерывный ток в активно-индуктивную нагрузку (рис.5.3,а), и напряжение на ее зажимах положительно (U _н>0).

При установке a =90° ЭДС самоиндукции дросселя еще поддерживает непрерывный ток, однако напряжение на нагрузке равно нулю. В этом случае трансформатор выпрямителя обменивается с сетью реактивной мощностью (рис.5.3,б).

При дальнейшем увеличении углов регулирования, a >90°, наступает режим прерывистых токов, поскольку отдаваемая в контур энергия индуктивности дросселя не может превысить запасенную им в проводящую часть периода (рис.5.3,в).

Если же при a >90° источник постоянного тока с полярностью, указанной на рис.5.4,а обеспечивает непрерывный ток, то преобразователь переходит в инверторный режим с изменением знака напряжения

U _н= U _но cosa = U _но cos (p - b)=- U _но cosb.

Здесь угол b, вводимый по аналогии с выпрямительным режимом, называется углом опережения включения. Этот угол отсчитывается от точек wt = kp в сторону нуля (рис.5.4,б), k =1,2....

С увеличением угла регулирования a до 180° среднее значение напряжения преобразователя увеличивается. Теоретически, при b =0 напряжение холостого хода инвертора соответствует этой же величине при a =0 для управляемого выпрямителя. Однако в реальных условиях необходимо вводить запас по углу b _min»10...15°, с тем, чтобы завершить процесс коммутации переключаемых фаз и восстановить управляющие свойства тиристоров до момента их естественного открывания.

Входные характеристики инвертора U _н=¦(I _н) при фиксированных значениях углов опережения (b =const) подобны внешним характеристикам управляемого выпрямителя.

Предварительное задание к эксперименту

В экспериментальной части данной работы предусмотрено исследование основных характеристик для схемы однофазного преобразователя с выводом нулевой точки трансформатора. Предварительно необходимо для преобразователя, работающего в режиме выпрямителя на чисто активную нагрузку:

1. Рассчитать и построить регулировочную характеристику U _н=¦(a) для a в диапазоне от 0° до 180°. При этом принять, что напряжение U ₂=127 В.

2. Для значений a, приведенных в таблице 5.1, рассчитать внешнюю характеристику U _н=¦(I _н), приняв х _а=60 Ом.

Таблица 5.1

№варианта
a,град.

3. Построить совмещенные временные диаграммы u ₂(wt), u _н(wt) и i _н(wt) для a, заданного вариантом таблицы 5.1.

Порядок выполнения эксперимента

1. Ознакомиться с назначением всех элементов на передней панели стенда и после разрешения преподавателя подать питание от сети 220 В. Переключатель режима работы поставить в положение “ВЫПРЯМИТЕЛЬ”.

2. Включить осциллограф, подключить его входы к гнездам “управляющий электрод” и “катод” тиристоров и зарисовать форму управляющих импульсов, обратив внимание на изменение их длительности в диапазоне a =0...180°. Отсчет углов регулирования - по фазоуказателю.

3. Снять регулировочные характеристики управляемого выпрямителя U _н=¦(a) для активной (при закороченном дросселе) и активно-индуктивной нагрузки (R _{н max}). Результаты эксперимента занести в табл.5.2. и сопоставить с рассчитанной в предварительно задании характеристикой U _н=¦(a).

Таблица 5.2

Угол регулирования, a	0°	30°	60°	90°	120°	150°	Прим.
U н	Активная нагрузка
Активно-индуктивная нагрузка

4. На экране осциллографа просмотреть форму выпрямленного напряжения на нагрузке, при включенном дросселе и без него, для разных углов регулирования. Зарисовать осциллограммы при a =0 и a =60° при минимальном значении тока нагрузки.

5. Изменяя ступенями сопротивление резистора R _н, снять семейство внешних характеристик выпрямителя U _н=¦(I _н) для активной и активно-индуктивной нагрузки при фиксированных значениях a =30°, 60° и a, заданного табл.5.1. Результаты эксперимента занести в табл.5.3 и сопоставить с результатами предварительного расчета.

Таблица 5.3

Активная нагрузка	a =30°	U н(В)
I н(мА)
a =60°	U н(В)
I н(мА)
a =	U н(В)
I н(мА)
Активно-индуктивнаяи нагрузка	a =30°	U н(В)
I н(мА)
a =60°	U н(В)
I н(мА)
a =	U н(В)
I н(мА)

6. Перевести преобразователь в режим инвертирования. Для этого установить по фазоуказателю максимальный угол, подать от стабилизированного источника питания постоянное напряжение ±120 В на стенд и установить переключатель режима работы преобразователя в положение “ИНВЕРТОР”.

Примечание: при этом переключении реле блока защиты замыкает цепь нагрузки и включает реостат последовательно с источником постоянного тока. О нормальной работе лабораторного стенда сигнализирует красная лампочка.

7. Изменяя сопротивление резистора R _н снять семейство входных характеристик инвертора U _н=¦(I _н) для фиксированных значений углов регулирования, a =120°, a =150° (соответственно b =60° и b =30°). Данные эксперимента внести в табл.5.4.

Таблица 5.4

b =30° (a =150°)	I н(мА)
U н(В)
b =60° (a =120°)	I н(мА)
U н(В)

После окончания эксперимента переключатель режима работы поставить в положение “ВЫПРЯМИТЕЛЬ”. Снять питание постоянного тока, отключить напряжение сети, схему привести в исходное состояние.

Содержание отчета

Схема лабораторной установки. 2. Результаты предварительного расчета. 3. Временные диаграммы управляющих импульсов СИФУ. 4. Регулировочные характеристики УВ для активной и активно-индуктивной нагрузки (на одном графике). 5. Семейства внешних характеристик управляемого выпрямителя и входных характеристик инвертора (на одном графике). 6. Осциллограммы выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузки при a =0° и a =60°.

Контрольные вопросы

1. Опишите работу УВ и назовите область его применения.

2. Объясните различие между режимом выпрямления и инвертирования. 3. Перечислите достоинства и недостатки управляемых преобразователей. 4. Что представляют собой регулировочные характеристики УВ? 5. Какие функции выполняет дроссель в схеме УВ? 6. Объясните ход внешних характеристик управляемого выпрямителя и входных характеристик инвертора. 7. Как изменяется величина пульсации выпрямленного напряжения при изменении углов регулирования и при изменении величины тока?

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Цель работы: изучение устройства, принципа действия и исследование характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения и стабилизатора тока.

Дата добавления: 2015-05-06