Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
При работе управляемого выпрямителя на активно - индуктивную нагрузку необходимо разомкнуть ключ S (см. рис.3.1, а ). Временные диаграммы. поясняющие работу выпрямителя при активно - индуктивной нагрузке приведены на рис.3.1, в. Из рис. 3.1, в следует, что при активно-индуктивном характере нагрузки каждая пара вентилей проводит ток на интервале времени длительностью λт=π независимо от величины угла регулирования α.
Напомним, что при чисто активном характере нагрузки длительность ведения тока каждой парой вентилей однофазного мостового выпрямителя зависит от величины угла регулирования α и изменяется от λт=π (при α =00) до λт=0 (при α =1800). Включение дросселя с индуктивностью Ld вносит существенные изменения в работу выпрямителя, выполненного по любой схеме. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения вторичной обмотки u2 тиристоры не закрываются (как это происходит при чисто активной нагрузке), а проводят ток в течение некоторого времени при отрицательном напряжении u2 на интервале времени ωt>π, смотри рис.3.1, в). При достаточно большой величине индуктивности дросселя Ld длительность ведения тока вентилями достигает λт=π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt>π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции eL=-Ldi/dt, противоположная по знаку напряжению u2. Под воздействием этой ЭДС и происходит протекание тока нагрузки. Этот процесс происходит до тех пор, пока накопленная в индуктивности Ld энергия WL=LdI2/2 расходуется частично в активном сопротивлении Rd и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени eL>u2 и к анодам тиристоров VS1 и VS2 прикладывается положительный потенциал uв=(eL-u2)>0.
Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя WL=LI2/2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и ЭДС самоиндукции eL=0, то к вентилям VS1 и VS2 прикладывается отрицательное напряжение вторичной обмотки трансформатора u2. Тиристоры VS1 и VS2 закрываются.
Величина среднего значения выпрямленного напряжения при активно-индуктивном характере нагрузки может быть определена по формуле (3.5).
(3.5)
Рис.3.2. Регулировочные характеристика однофазного мостового выпрямителя при активной (а) и активно-индуктивной (б) нагрузке
Максимальное обратное напряжение на закрытом тиристоре определяется по формуле (3.3), а максимальное прямое напряжение на тиристоре зависит от угла регулирования α:
(3.6)
Кривые первичного и вторичного токов при активно–индуктивной нагрузке имеют прямоугольную форму, симметричную относительно оси абсцисс. Действующее значение вторичного тока равно: (3.7)
А действующее значение первичного тока отличается от действующего значения вторичного тока в коэффициент трансформации раз:
(3.8)
Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме двукратна по отношению к частоте напряжения питающей сети, т.е. fп=2fc.
При одинаковых углах управления тиристорами α среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током нагрузки будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению площади отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, так как в этом случае отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения вообще нет.
Поэтому в режимах с прерывистым током нагрузки регулировочные характеристики управляемого выпрямителя будут находиться между регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для чисто активной нагрузки – 1 и регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для активно-индуктивной нагрузки для режима непрерывного тока – 2 (рис. 3.2).
Однофазные мостовые схемы из–за больших пульсаций выпрямленного напряжения и малой их частоте применяют в основном в электроустановках малой мощности, например, во вторичных источниках питания.
Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления
двигателем по цепи якоря. Однако двигательная нагрузка отличается от активно-индуктивной нагрузки, рассмотренной ранее. Двигательная нагрузка помимо активного сопротивления и индуктивности содержит источник ЭДС.
Рассмотрим работу однофазного мостового управляемого выпрямителя для случая, когда приемник энергии имеет противо-ЭДС – Е (рис.3.3).
Рис. 3.3 - Работа управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС
При конечном значении L и R моменты включения вентилей зависят от
противо-ЭДС. При заданном угле управления тиристорами α включение вентилей произойдет лишь в тот момент, когда потенциал на анодах тиристоров станет больше потенциала катодов, т.е. включение тиристоров возможно при (U1≥Е ). Если (Е ≥ U1) вентили не включаются, ток id = 0, а продолжительность прохождения тока через вентиль λт = 0. С уменьшением величины противо-ЭДС Е угол λт возрастает, и в пределе, при (Е = 0) имеем λт = 180 эл.град. (при угле управления α = 0 эл.град.). В зависимости от угла λт имеем несколько режимов работы схемы.
В режиме I угол (0 < λт < 180о) и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В режиме II угол (λт=180о) и выпрямленный ток имеет непрерывный характер.
Из-за наличия в нагрузке источника противо - ЭДС процессы коммутации
вентилей усложняются. Изменяются и регулировочные характеристики
управляемого выпрямителя.
Порядок выполнения работы:
1. Изучить краткие теоретические сведения об однофазных управляемых
выпрямителях.
2. Теоретически рассчитать и построить регулировочные характеристики
для однофазного управляемого выпрямителя для заданного типа нагрузки:
- для активной нагрузки;
- для активно-индуктивной нагрузки.
3. Теоретически рассчитать и построить внешние характеристики для однофазного управляемого выпрямителя для заданного типа нагрузки.
4. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку.
5. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.
6. Исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на двигательную нагрузку.
7. Сравнить экспериментально снятые регулировочные и внешние характеристики по п. 3, 4, 5 с теоретически построенными по п.2 и п.3 и сделать выводы.
8. Оформить отчет по лабораторной работе и сделать заключение по результатам работы.
Описание универсального лабораторного стенда [1]
Для проведения необходимых экспериментальных исследований универсальный лабораторный стенд в своем составе имеет трехфазный управляемый выпрямитель с возможностью переключения на однофазную мостовую схему. Управляемый выпрямитель собран на тиристорах, ток которых составляет 25 А. В однофазном режиме работы управляемый выпрямитель подключается на линейное напряжение сети UАС, которое является синхронизирующим напряжением (см. лабораторную работу № 1). В однофазном режиме для управления тиристорами используется аналоговая система импульсно-фазового управления (см. лабораторную работу № 1). В однофазном режиме работы тиристоры VS1 и VS5 имеют общий катод, реализуя положительный выход мостового выпрямителя, а тиристоры VS4 и VS2 – общий анод, реализуя отрицательный выход мостового выпрямителя (см. рис. 3.1).
Универсальный стенд позволяет исследовать работу однофазного управляемого выпрямителя на активную, активно-индуктивную и двигательную (активно-индуктивную с противо-ЭДС) нагрузку.
Для проведения необходимых измерений в состав универсального стенда
входят измерительные приборы, позволяющие измерять действующие и
средние значения постоянного и переменного тока и напряжения.
Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и
передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.
Для более детального исследования работы однофазного управляемого
выпрямителя необходим осциллограф (желательно с памятью).