Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активную и активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв
Студент гр № 533 д.т.н. профессор
Бутова Д.С. Кулик В.Д.
Санкт-Петербург
2013г.
Содержание
стр.
Задание на курсовую работу……………………………………………………..3
1. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку………………………………………………….………..…...4
Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку при разных углах и Lγ…………………..………..….…6
Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активную ………………………………………………….…..……….……...12
2. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку………………………………………...……..13
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв….……………...15
Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку…...……………..…………………….….20
3. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС………………………………………………………...22
Расчёт напряжения источников питания……………………………….…….22
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС при разных углах регулирования….…………...24
Построение зависимости величины противоЭДС, возникающей в двигателе, от угла регулирования………………………………………………………..27
4. Влияние управляемого выпрямителя на промышленную сеть …...……….29
5. Исследование аномальных режимов управляемого выпрямителя....….…..32
Полный отказ в работе одного плеча моста Т1…..…………………………..33
Включение тиристора аномальным импульсом α1-6=450 α1=00......………….37
Асимметрия импульсов управления по причине нарушений работы СИФУ……………………………………………………………...…………….41
Вывод……….…………………………………………………..…………………45
Список используемой литературы…………………………….………………..46
Задание
Рассчитать и исследовать тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель при различной нагрузке на двигатель постоянного тока при нормальных и аномальных режимах работы.
Данные двигателя (вариант №2)
Мощность - 14 000 Вт
Напряжение - 440 В
Номинальная частота вращения - 1500 об/мин
Максимальная частота вращения - 3500 об/мин
КПД - 88%
Сопротивление обмотки якоря Rя - 0.294 Ом
Индуктивность обмотки якоря Lя - 11 мГн
Сопротивление обмотки возбуждения Rв - 96 Ом
I. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе при активно-индуктивной нагрузке.
1. Нормальный режим работы (сопротивление обмотки возбуждения).
1.1 рассчитать и построить переходные процессы (iв=f(t)) при заданных параметрах обмотки возбуждения и Lγ=0.1Lя, α=0.
Схема выпрямителя показана на рис. 1.1. Из схемы видно, что при её рассмотрении следует учитывать влияние на показатели схемы коммутационных процессов, реально происходящих в схеме. Ввиду наличия индуктивностей, которые учитываются приведёнными ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями Lγ.
Lγ=0.1Lя=0.1*11*10-3=0.0011 Гн
RH=RВ=96 Ом
|
|
|
|
|
|
Рис.1.1 Принципиальная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.
|
Рис. 1.2. Кривые мгновенных линейных напряжений.
|
Рис.1.3. Кривая выходного напряжения Ud, при Lγ=0.011 Гн
Рис.1.4.Кривая мгновенного значения тока id
Ввиду наличия индуктивностей, которые приводятся ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями Lγ, каждый переход с одного вентиля на другой происходит в течении угла коммутации γ. Коммутация начинается в точках естественного включения вентелей.
Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения Iн тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.
1.2 рассчитать и построить регулировочные характеристики при Lв=(0; 102; 103).
Определить амплитуды, состав гармоник при трёх значениях α=0; 60; 75.
Рис.1.6 Регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке и
(1), 
(2), 
(3).
Из рис.1.6 видно, что диапазон регулирования выпрямителем при чисто активной нагрузке составляет от 0º до 120º.
При активно-индуктивной нагрузке при LВ=100*Lя диапазон изменения угла α лежит в пределах от 0º до 104º. Уменьшение диапазона изменения угла регулирования объясняется тем, что при α ≥ 90º площадь положительного значения напряжения будет равна площади нижнего, и согласно критерию равенства площадей (SL1 = SL2) среднее значение выпрямленного напряжения будет равно нулю.
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активную и активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв
Активная нагрузка при разных улах:
|
|
|
|
|
Рис.1.7 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.0011Гн, LB=0 Гн, и Rн=Rв (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
При моделировании выпрямителя, нагружённого активным сопротивлением, можно заметить, что напряжение на нагрузке и сетевые токи имеют не синусоидальную форму. Следовательно, они содержат высшие гармоники. Из рисунка 1.7(а) следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).
|
|
|
|
|
Рис.1.8 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.0011Гн, LB=0 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Система управления настраивается таким образом, чтобы импульсы подавались на те тиристоры, потенциал анода которых в рассматриваемый момент времени имел наивысшее значение по отношению к потенциалу анода остальных тиристоров. Например, когда потенциал точки а имеет наибольшее положительное значение по отношению к потенциалу точки b, импульсы управления подаются на тиристоры Т1, Т4, эти тиристоры откроются. Ток потечет по цепи a– Lа – a’ – T1 – Rн – T4 – b’ – Lв –b. Далее, несмотря на то, что потенциал точки а станет более положительным по отношению к потенциалу точки с, тиристор Т2 не откроется, т.к. на него не был подан импульс управления. Открывание тиристора Т2 произойдет только в момент, когда на него подадут импульс управления.
|
|
|
|
|
Рис.1.9 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=0 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения. LB=0
| № гармоники | ||||||||||||
| α | ||||||||||||
| 434.83 | 28.66 | 9.24 | 5.17 | 3.27 | 53.40 | 36.40 | 21.97 | |||||
| 370.9 | 102.46 | 31.57 | 28.81 | 20.25 | ||||||||
| 349.9 | 110.59 | 33.45 | 35.52 | 16.61 | ||||||||
| 273.03 | 109.92 | 66.02 | 39.49 | 22.62 | ||||||||
| 181.32 | 109.17 | 53.43 | 35.49 | 26.46 | ||||||||
| 105.91 | 109.88 | 43.75 | 26.76 | 21.75 | ||||||||
| 48.30 | 72.76 | 30.96 | 20.24 | 15.43 | ||||||||
| 2.45 | 4.76 | 4.38 | 3.91 | 3.48 | ||||||||
.
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазного тока.
| № гармоники | ||||||
| α | ||||||
| 5.06 | 1.09 | 0.59 | 0.39 | 0.33 | ||
| 2.50 | 1.17 | 0.57 | 0.50 | 0.34 | ||
| 1.12 | 0.78 | 0.47 | 0.28 | 0.24 |
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.
В качестве нагрузки которого используется чисто активное сопротивление и можно сказать, что выпрямитель при углах управления 0º ≤ α < 60º работает в режиме непрерывных токов, то есть импульсы управления подаются на тиристоры, когда значение их тока не равно нулю.
При углах управления α = 60º управляемый выпрямитель работает в граничном режиме. Это значит, что импульсы управления подаются на тиристоры в момент снижения их тока до нуля.
В диапазоне угла управления 60º < α ≤ 120º выпрямитель работает в режиме прерывистого тока. Такой режим наступает в том случае, если импульсы управления подаются на тиристоры после снижения их токов до нуля.
Активно-индуктивная нагрузка при LB=102*Lя. и разных углах:
|
|
|
|
|
Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Из рисунка 1.10 следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).
|
|
|
|
|
Рис.1.11 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
|
|
|
|
|
Рис.1.12 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения.
| № гармоники | ||||||
| α | ||||||
| 95.20 | 118.67 | 56.27 | 37.32 | 28.52 | ||
| 418.34 | 56.7 | 32.22 | 21.92 | 13.18 | ||
| 371.2 | 102.08 | 32.45 | 28.2 | 21.53 | ||
| 350.07 | 110.61 | 33.30 | 35.96 | 16.96 | ||
| 273.25 | 110.62 | 66.25 | 39.03 | 22.94 | ||
| 180.94 | 109.06 | 53.57 | 35.84 | 27.02 | ||
| 95.14 | 118.69 | 56.37 | 37.33 | 28.53 | ||
| 17.09 | 202.04 | 67.69 | 39.70 | 30.12 | ||
| 1.24 | 76.60 | 18.15 | 11.80 | 8.79 | ||
| 0.02 | 0.29 | 0.09 | 0.05 | 0.04 |
.
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазных токов.
| № гармоники | ||||||
| α | ||||||
| 2.38 | 0.47 | 0.33 | 0.20 | 0.18 | ||
| 1.02 | 0.21 | 0.17 | 0.09 | 0.11 | ||
| 0.46 | 0.17 | 0.05 | 0.09 | 0.08 |
Из таблиц видно, что постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.
Активно-индуктивная нагрузка при LB=103*Lя. и разных углах:
|
|
|
|
|
Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
При увеличении индуктивности пульсации тока сглаживаются, соответственно увеличивается постоянная составляющая тока на нагрузке. Но переходной процесс затягивается. На рис 1.9 с индуктивностью 11 Гн переходной процесс длится 0,6с.
При угле управления α = 0о на тиристоры будет подаваться импульсы управления в момент естественной коммутации вентилей. В таком случае при положительном потенциале точки а’ относительно точки b’ к анодам тиристоров Т1 и Т4 будет приложен положительный потенциал, а к их катодам – отрицательный, что приведет к их открываю. Ток будет протекать по цепи a –La – a’ – T1 – Rн –Lн – T4 – b’ – Lв – b.
Далее точка b становиться более положительна по сравнению с точкой с. Из-за этого разность потенциалов у линейного напряжения uac становиться большей по сравнению с остальными напряжениями. В этот момент подаются импульсы управления на тиристоры Т1 и Т2. Возникает контур коммутации встречно току тиристора Т4. Ток Т4 снижается до нуля и тиристор закрывается. После этого ток начинает протекать по контуру
a– La – a’ – T1 – Rн –Lн – T2 – c’ – Lc– c .
|
|
|
|
|
Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
|
|
|
|
|
Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Исследуем работу выпрямителя при 60º < α ≤ 120º (рис.1.12). Для рассмотренного случая (α = 75º,) в момент времени, когда потенциал точки а’ больше потенциала точки b’ и ток проводят тиристоры Т1, Т4 по цепи a – Ra – La – a’ – T1 – Rн –Lн – T4 – b’ – Lв – Rв – b. В момент времени t1 (рис. 1.12а) когда потенциал точки а становиться более положителен по отношению к потенциалу точки с, ток проводиться по прежнему тиристорами Т1 и Т4. Это происходит благодаря накопленной электромагнитной энергии в катушке индуктивности WL= 
. В момент времени t2 (рис. 1.12а), когда ubc становится более положительным по сравнению с напряжением uab, к тиристору Т4 должно приложиться запирающее напряжение. Но в катушке индуктивности чтобы поддержать течение тока в предыдущем направлении возникает ЭДС самоиндукции, которая преодолевает линейное напряжение ubс до тех пор пока на тиристор Т2 не подадут импульс управления, момент t3 .После этого возникнет контур коммутации в – Rв – Lв – в’ – T4 – T2 – с’ – Lс – Rс – с, встречный току Т4, который впоследствии зарывается.
На рис. 1.13 3 гармоника третья гармоника напряжения больше, чем первая. Средне выпрямленное напряжение на нагрузке = 110В Но благодаря большой индуктивности ток на нагрузке практически не имеет пульсаций. При угле регулировании ›600 происходит рекуперация энергии в сеть.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения, при LB=103*Lя.
| № гармоники | ||||||
| α | ||||||
| 436.33 | 25.96 | 7.07 | 3.68 | 2.51 | ||
| 419.25 | 55.95 | 31.87 | 22.09 | 13.79 | ||
| 368.09 | 107.33 | 34.98 | 29.61 | 23.07 | ||
| 348.35 | 114.70 | 35.12 | 37.39 | 17.77 | ||
| 274.91 | 111.52 | 66.77 | 39.33 | 23.32 | ||
| 186.33 | 107.38 | 52.59 | 35.26 | 26.67 | ||
| 102.6 | 119.20 | 56.19 | 37.24 | 28.5 | ||
| 40.87 | 109.7 | 53.19 | 35.53 | 26.78 | ||
| 47.14 | 23.07 | 15.82 | 12.19 | |||
| 5.51 | 18.75 | 8.53 | 6.21 | 5.24 | ||
| 0.03 | 0.14 | 0.07 | 0.05 | 0.04 |
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав тока фазы а,b,c
| № гармоники | ||||||
| α | ||||||
| 0.48 | 0.10 | 0.07 | 0.04 | 0.03 | ||
| 0.15 | 0.04 | 0.06 | 0.04 | 0.05 | ||
| 0.08 | 0.05 | 0.05 | 0.06 | 0.05 | ||
В результате гармонического анализа, проведенного для различных углов управления, мы получили зависимости величин гармоник тока сети и напряжения на нагрузке от угла α. Протекание высших гармоник по обмоткам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные потери и нагрев. Дополнительные потери создаются так же в передающих линиях и промежуточных трансформаторах. Падение напряжения от высших гармоник на линиях передач и промежуточных трансформаторах вызывает искажение формы питающего напряжения , что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Искажение формы питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети соизмерима с мощностью силового преобразователя.
1.3 Рассчитать и построить внешние характеристики при Lγ=(0; 0.1; 0,5)Lя Гн
Рис.1.14 Внешняя характеристика управляемого выпрямителя при разных индуктивностях рассеивания Lγ
Уменьшение напряжения на нагрузке с увеличением её тока связано с повышением коммутационных падений напряжения в виду роста угла коммутации γ. Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения Iн тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.
В процессе выполнения моделирования выпрямителя подразумевалось, что преобразователь подключён к промышленной сети через, понижающий напряжение, трансформатор. На практике любой трансформатор обладает индуктивность рассеивания. Чем больше угол γ тем меньше среднее выпрямленное напряжение на нагрузке. Коммутационные процессы сказываются на форме выпрямленного напряжения ud и уменьшении его среднего значения Ud.
.
2.Аномальный режим работы.
Под аномальным режимом работы выпрямителя понимаются режимы, вызванные отказом в работе одного или двух вентилей моста, а так же ложными (аномальными) импульсами их управления с углами, отличающимися от заданного значения, которые попадают на управляющие электроды из-за коммутационных процессов или по причине нарушений в работе СИФУ.
В начале исследования аномальных режимов определимся условными положительными направлениями фазных токов. Положительные направления фазных токов совпадают с направлениями от точек а`, b’, c’ соответственно к точкам a, b, c (см рис 2.1)
Отрицательные – имеют противоположенные направления: от точек a, b, c к точкам a’, b’, c’. В дальнейшем будем пользоваться этими условными направлениями фазных токов. В этом разделе сравним три способа диагностики управляемых выпрямителей:
1) способ диагностики, основанный на спектральном анализе кривой выходного напряжения
2) способ, основанный на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения выпрямителя.
3) способ, основанный на гармоническом анализе и визуальной оценке кривых фазных токов.
В данном случае задача состоит в определении вентиля вышедшего из строя.
Рис 2.1 Схема управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой