Исследование трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы трехфазных управляемых выпрямителей

2. Изучить регулировочные характеристики трехфазного управляемого

выпрямителя

3. Экспериментально исследовать работу трехфазного управляемого выпрямителя на активную, активно-индуктивную и двигательную нагрузку на универсальном лабораторном стенде "Основы электропривода и

преобразовательной техники".

Краткие теоретические сведения [2].В схеме трехфазного мостового выпрямителя (рис.4.1) вентили объединены в две группы – катодную и анодную, при этом аноды и като­ды вентилей соответствующих групп соединяются попарно и подключают­ся к трехфазной вторичной обмотке трансформатора. Следует отметить, что использование вы­прямителя возможно также без сетевого трансформатора Т при прямом подсоедине­нии вентильного блока к трехфазной сети. Между общей точкой катодов и общей точкой анодов групп вентилей присоединяется нагрузка. По отношению к внешней цепи общая точка катодов является положительным полюсом, а общая точка анодов – отрицательным. В данной схеме во внекоммутационном интер­вале одновременно работают два вентиля – по одному в катодной и анодной группах. В результате цепь нагрузки в любой момент присоеди­нена к питающим фазам на линейное напряжение.

Предположим, что выпрямитель выполнен на неуправляемых вентилях. В этом случае в каждый момент времени одновременно будут вести ток два вентиля, находящиеся под наибольшим мгновенным линейным напряже­нием. В табл.4.1 приведена очередность работы вентилей с учетом подачи напряжения на вентильный блок (см. рис.4.1). Как видно из табл.4.1, естественное переключение вентилей происходит через интерва­лы, равные π/3, составляющие продолжительности такта θ, а каждый вентиль ведет ток в течение двух тактов 2θ=2π/3, коммутации нечетных и четных вентилей сдвинуты относительно друг друга на один такт и чередуются на периоде напряжения питающей сети. Схема рассматривае­мого выпрямителя является трехфазной двухтактной с шестикратной час­тотой пульсаций выходного напряжения.

Таблица 4.1. Очередность работы вентилей в трехфазном мостовом выпрямителе

Показатель	Последовательность и время работы вентилей
Наибольшее линейное напряжение	Uав	Uас	Uвс	Uва	Uса	Uсв	Uав
Вентили катодной группы	VS1	VS1	VS3	VS3	VS5	VS5	VS1
Вентили анодной группы	VS6	VS2	VS2	VS4	VS4	VS6	VS6
Длительность интервала ведения тока	π/3	π/3	π/3	π/3	π/3	π/3	π/3

Рис. 4.1 -Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель

Работа трехфазного мостового управляемого выпрямителя на однооперационных идеальных вентилях при угле управления α=π/6 характеризуется вре­менными диаграммами (рис. 4.2):

– линейных напряжений вторичной обмотки трансформатора u_ab, u_ac, u_bc, u_ba, u_ca, u_cb и выпрямленного напряжения при α=30^о и α=0^о;

– точки k, …, p, q являются точками естественного открытия вентилей;

– точки k’, …, p’, q’ определяют моменты открытия вентилей с заданным значением угла регулирования α;

– утолщен­ные кривые u_d и u_в1 представляют мгновенные величины выпрямленного напряжения и напряжения на вентиле соответственно;

– i_у.в1, …, i_у.в6 – импульсы управления вентилями сдвоенной формы, что необ­ходимо для надежного открытия вентилей во всех установившихся и пе­реходных режимах.

i_в1 – ток вентиля VS1;

i_а – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения опреде­ляется по соотношению

(4.1)

Здесь при расчете по линейным напряжениям коэффициент преобразования схемы k_сх.л=1,35, а при расче­те по фазным напряжениям k_сх.ф=2,34.

Напряжение на вен­тиле (кривая u_в1 на рис.4.2) по форме кривой совпадает с соответствующим линейным напряжением.

Среднее значение тока вентиля и действующее значение фазного то­ка вторичной обмотки трансформатора определяются на основании построенных на рис.4.2 кривых i_в1, i_а :

(4.2)

Максимальное значение обратного напряжения вентиля (см. рис. 4.2) (4.3)
Коэффициент использования вентиля по напряжению

Расчетная мощность трансформатора

где S_тр1=m₁U_1фI_1ф – расчетная мощность первичной обмотки;

S_тр2=m₂U_2фI_2ф – расчетная мощность вторичной обмотки;

Рис.4.2- Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного мостового управляемого выпрямителя

(4.4)

где P_d0=U_d0 I_dN – номинальная мощность цепи постоянного тока выпрямителя.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения

где k_т –коэффициент тактности выпрямителя;

m₂ –число фаз вторичной обмотки.

Для трехфазного мостового выпрямителя

(4.5)

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения основной гармоники, частота которой f_п1=6f_c, на всем рабочем диапазоне изменения угла регулирования α может быть определен по формуле

(4.6)

Отметим достоинства и недостатки трехфазной мостовой схемы выпрямления.

Достоинства

1. Хорошее использование вентилей по напряжению.

2. Хорошее использование трансформатора по мощности, простое конструктивное исполнение трансформатора.

3. Благоприятный характер внешней характеристики.

4. Шестикратная пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатки

1. Удвоенное падение напряжения на вентилях (2ΔU_в.пр), что способствует увеличению потерь мощности, снижению КПД выпрямителя. Особенно сильно это проявляется в низковольтных сильноточных выпрямителях. Однако применение современных вентилей с малым падением напряжения в прямом направлении ΔU_в.пр=1 В в определённой мере позволяет снизить эти потери.

2. Относительно большое действующее значение тока вентиля, что способствует увеличению потерь мощности в вентилях.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о трехфазных управляемых

выпрямителях.

2. Теоретически рассчитать и построить регулировочные характеристики

для трехфазного мостового управляемого выпрямителя для заданного типа

нагрузки:

- для активной нагрузки;

- для активно-индуктивной нагрузки.

3. Исследовать работу трехфазного мостового управляемого выпрямителя на активную нагрузку.

4. Исследовать работу трехфазного мостового управляемого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

5. Исследовать работу трехфазного мостового управляемого выпрямителя на двигательную нагрузку.

6. Сравнить экспериментально снятые регулировочные характеристики

по п. 3, 4, 5 с теоретически построенными по п.2 и сделать выводы.

7. 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. Управляемый выпрямитель собран на тиристорах, номинальное среднее тока которых составляет 25 А.

В трехфазном режиме работы тиристоры VS1, VS3, VS5 образуют катодную группу, реализуя положительный выход мостового выпрямителя, а тиристоры VS4, VS6, VS2 – анодную группу, реализуя отрицательный выход мостового выпрямителя (см. рис.4.3).

Работа тиристоров управляемого выпрямителя в трехфазном режиме

контролируется с помощью микроконтроллера, основной задачей которого

является выдача сигналов на тиристоры.

Универсальный стенд позволяет исследовать работу трехфазного 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.

Для измерения параметров цепи переменного тока, питающей УВ, дополнительно включен измерительный комплект К – 50.

Стенд также позволяет осуществить индикацию измеренных величин и

передачу данных на компьютер через интерфейс RS485.

Для более детального исследования работы трехфазного управляемого

выпрямителя необходим осциллограф (желательно с памятью).