Исследование управляемого выпрямителя на тиристорах
Цель работы: изучение принципа регулирования выходного напряжения выпрямителя; ознакомление с работой схемы бесконтактного регулируемого выпрямительного устройства.
Описание лабораторной установки
Управляемый выпрямитель состоит из двух частей: силовой и системы импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ), расположенных внутри стенда.
На лицевой панели изображена схема электрическая принципиальная устройства (рис. 4.1); установлены измерительные приборы PA и PV для снятия характеристик; находятся рукоятки движков резисторов R1, R9 и RН. В нижней части панели расположен тумблер S, а внизу справа – гнёзда «1-16» для подключения осциллографа.
Рис. 4.1. Схема лабораторного стенда
В силовую часть входит согласующий трансформатор Т2, который согласует напряжение сети с необходимым напряжением на нагрузке. В данной схеме трансформатор Т2 – понижающий (220/60). Выпрямительный мост собран на двух тиристорах (VS9 и VS10) и двух диодах (VD11 и VD12). Нагрузкой выпрямителя в лабораторном стенде служит активное переменное сопротивление RН.
Назначение СИФУ состоит в том, чтобы выработать импульсы управления тиристорами и изменить их фазу относительно анодного напряжения тиристоров (вторичного напряжения силового трансформатора). Импульсы с регулируемой задержкой относительно фазы анодного напряжения получают путём вращения ручки движка резистора R1. Тем самым можно регулировать среднее значение тока и напряжения в цепи нагрузки.
Вращая ручку движка резистора R9, можно регулировать амплитуду импульса тока управления. Тумблер S предназначен для согласования фаз (фазировки) напряжений трансформаторов T1 и Т2. При фазировке фаза напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1 такая, что потенциал точки «А» выше потенциала точки «В», а фаза напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т2 в этот же момент времени такая, что потенциал точки «N» выше потенциала точки «M». Включение стенда осуществляется тумблером «Сеть», расположенным в левом нижнем углу стенда.
Задания по выполнению лабораторной работы
1. Снять и построить регулировочную характеристику управляемого выпрямителя (УВ) Ud = f(α). Результаты измерений занести в таблицу (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя
| α, град | |||||||
| Ud, В |
2. Снять и построить внешние характеристики УВ Ud = f(Id) при угле управления α = const. Результаты измерений занести в таблицу (табл. 4.2).
Таблица 4.2. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя
| α = 30° | Id, A | |||||||
| Ud, В | ||||||||
| α = 60° | Id, A | |||||||
| Ud, В | ||||||||
| α = 90° | Id, A | |||||||
| Ud, В |
3. Получить на экране осциллографа кривые выпрямленного напряжения Ud на нагрузке и напряжения между анодом и катодом тиристора VS9 при углах регулирования α = 0° и α = 90° и объяснить форму этих кривых.
4. Получить на экране осциллографа кривые выпрямленного тока Id при указанных в п. 2 условиях.
5. Определить минимальный ток управления, при котором тиристор VS9 еще управляется при α = π/2 и α = 0.
6. Зарисовать форму кривых напряжения на выходе фазового моста Uав, на базе транзистора VT3, в коллекторе VT3, на резисторе R7, а также форму тока управления тиристора VS9. Кривые расположить одну под другой.
7. Вычислить угол регулирования α и нарисовать векторную диаграмму фазосдвигающего устройства для одного из заданных вариантов значений R и С (по номеру бригады). Результаты вычислений занести в таблицу (табл. 4.3).
Таблица 4.3. Исходные данные
| Вариант | ||||||||||||
| R, кОм | ||||||||||||
| С, мкФ | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 2,0 | 2,5 | 2,5 |
Методические указания по выполнению лабораторной работы
К пункту 1.
Осциллограф подключить к точкам «m» и «n» нагрузки. Полуволну выпрямленного напряжения следует развернуть на 6 клеток экрана. Каждая клетка будет соответствовать 30 электрическим градусам. Вращая ручку потенциометра R1, поочередно срезать полуволну на одну клетку (30 эл. град.), затем на две клетки (60 эл. град.) и т. д., при этом записывать показания вольтметра в таблицу (табл. 4.1).
К пункту 2.
Ток нагрузки Id устанавливают c помощью переменого резистора Rн и контролируют по амперметру, с вольтметра снимают значения выходного напряжения Ud. Провести исследования для трёх значений угла регулирования: α = 0°, α = 30°, α = 60°.
К пункту 3.
Для получения кривых напряжения на нагрузке необходимо осциллограф подключить к точкам «m» и «n». Угол следует задавать по осциллографу установкой значения напряжения, соответствующего 0 эл. град. и 90 эл. град., используя данные п. 1. Рис. 4.2, б иллюстрирует осциллограмму напряжения на тиристоре при α = π/2. На участках 0-1 и 4-5 тиристор VS9 закрыт и к нему прикладывается прямое напряжение. На участке 2-3 закрыт тиристор VS10, а тиристор VS9 шунтируется нагрузкой и диодом VD11, поэтому все напряжение с вторичной обмотки трансформатора подключается к тиристору VS10, а на VS9 будет обратное напряжение, близкое к нулю. В отрезок времени 3-4 VS10 – открыт и все напряжение подключается к тиристору VS9 и к нагрузке. При α = 0 тиристоры ведут себя как диоды.
а) б)
Рис. 4.2. Выпрямитель для момента времени 2-3: а – эквивалентная схема;
б – осциллограммы напряжений на тиристоре VS9 при α = π/2
К пункту 4.
Кривые выпрямленного тока Id срисовать с экрана осциллографа, подключенного параллельно нагрузке (гнёзда 15 и 16). При активной нагрузке форма тока совпадает с формой напряжения.
К пункту 5.
Осциллограф подключить параллельно резистору R11 (гнёзда 10 и 11). Изменяя величину сопротивления резистора R9, добиваются того, чтобы показания вольтметра резко изменились (должны уменьшиться примерно в два раза, т.к. выпрямитель переходит в однополупериодный режим). Затем движок резистора R9 плавно возвращают в положение, соответствующее показанию вольтметра перед уменьшением напряжения на нагрузке. Ток управления будет определяться как частное от деления падения напряжения на резисторе R11 на величину его сопротивления, равную 200 Ом.
Амплитуду напряжения на резисторе R11 следует определить при помощи осциллографа. Предварительно ручками вертикального и горизонтального перемещения сигнал устанавливается в удобное для измерений положение. По делениям прозрачной шкалы экрана определяется число делений «h», равное наибольшему размеру изображения сигнала на экране. Значение амплитуды сигнала в вольтах равно произведению значения h в делениях шкалы на цифровую отметку показаний переключателя «Вольт/деление».
Форму тока управления IУ условно считать прямоугольной. Минимальное значение тока управления
,
где tИ – определяется по осциллограмме; T = 20 мс.
К пункту 6.
Осциллограф подключать к соответствующим гнездам на лицевой панели стенда. Для снятия формы тока управления тиристора VS9 осциллограф следует подключить к сопротивлению R11.
К пункту 7.
Угол регулирования α между началом положительного полупериода анодного напряжения и моментом подачи управляющего импульса равен углу сдвига фазы между напряжением на выходе фазового моста Uав и напряжением вторичной обмотки трансформатора Т1 и определяется по формуле
α = 2arctg(ω·С·R),
где ω – угловая скорость, ω = 2·π·f.
Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать:
· принципиальную схему лабораторной установки согласно рис. 4.1;
· векторную (круговую) диаграмму фазосдвигающего устройства;
· таблицы с результатами измерений;
· регулировочную и внешние характеристики выпрямителя;
· осциллограммы согласно п.п. 3-6 задания.
Задания для домашней подготовки
1. Объясните работу принципиальной схемы выпрямителя.
2. Каким образом определяется угол регулирования α?
3. Покажите зависимость величины напряжения на нагрузке Ud от угла регулирования α?
Краткие теоретические сведения
Управляемый выпрямитель состоит из двух частей: силовой части и системы импульсно-фазового управления (СИФУ).
Силовая часть
На рис. 4.3 дана функциональная схема управляемого выпрямителя. В состав выпрямителя входят полупроводниковые вентили, собранные по мостовой схеме, и согласующий трансформатор Т2.
Рис. 4.3. Схема управляемого выпрямителя
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения на нагрузке Ud от угла регулирования Ud = f(α) называется регулировочной характеристикой выпрямителя.
При активной нагрузке вид регулировочной характеристики описывается уравнением Ud = Ud0 .
Изменяя угол α отпирания тиристора, можно регулировать величину напряжения на нагрузке Udα:
Udα = U2sinωtdt = (1 + cosα).
Если α = 0, то тиристор эквивалентен диоду:
Udα = Ud0 = U2 = 0,9U2.
При α = π/2 (рис. 4.4, г) напряжение на нагрузке будет составлять половину от максимального:
Udα = Ud0∙ .
При α = π напряжение Udα = 0.
Рис. 4.4. Диаграммы напряжений:
а – напряжение U2 вторичной обмотки трансформатора; б – напряжение на нагрузке при α = 0; в – импульсы тока управления, подаваемые на тиристоры при
α = π/2; г – напряжение на нагрузке при α = π/2
Система импульсно-фазового управления (СИФУ)
В состав СИФУ входят: фазосмещающее устройство (ФСУ), формирователь и усилитель импульсов (ФиУИ), источник питания со сглаживающим фильтром C2-R2-C3.
Фазосмещающее устройство
Для изменения фазы управляющего импульса относительно анодного напряжения тиристоров применен статический мостовой фазовращатель RС. В качестве одной пары плеч взяты две вторичные полуобмотки трансформатора Т1, а в качестве дру- гой – активное сопротивление R1 и конденсатор С1 (рис. 4.5). Выходное напряжение фазовращателя UАВ снимается с диагонали моста (точки «А» и «В»).
а) б)
Рис. 4.5. Фазосмещающее устройство: а – схема;
б – векторная потенциальная диаграмма
Вторичное напряжение U2 трансформатора Т1 будет уравновешиваться суммой падений напряжений на сопротивлении R1 и конденсаторе С1:
U2 = UR1 + UС1.
При изменении сопротивления R1 изменяется соотношение напряжений UR1 и UС1, но их геометрическая сумма остается постоянной и конец вектора напряжения диагонали фазового моста UАВ будет описывать полуокружность. Фаза между напряжением U2 вторичной обмотки трансформатора T1 и напряжением диагонали моста UАВ будет меняться (рис. 4,5, б).
Форма UУПР снимается с диагонали моста и остаётся синусоидальной.
Из векторной диаграммы определяют угол α:
α = 2j = аrctg(ω·С·R).