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 λ_т=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 λ_т=π (при α =0⁰) до λ_т=0 (при α =180⁰). Включение дросселя с индуктивностью L_d 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 L_d длительность ведения тока вентилями достигает λ_т=π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt>π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции e_L=-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 L_d энергия W_L=L_dI²/2 расходуется частично в активном сопротивлении R_d и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени e_L>u₂ и к анодам тиристоров VS1 и VS2 прикладывается положительный потенциал u_в=(e_L-u₂)>0.

Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя W_L=LI²/2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и ЭДС самоиндукции e_L=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. f_п=2f_c.

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 i_d = 0, а продолжительность прохождения тока через вентиль λ_т = 0. С уменьшением величины противо-ЭДС Е угол λ_т возрастает, и в пределе, при (Е = 0) имеем λ_т = 180 эл.град. (при угле управления α = 0 эл.град.). В зависимости от угла λ_т имеем несколько режимов работы схемы.

В режиме I угол (0 < λ_т < 180^о) и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В режиме II угол (λ_т=180^о) 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 U_АС, 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).