Исследование однофазного тиристорного регулятора напряжения

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы тиристорных регуляторов напряжения (ТРН).

2. Изучить регулировочные характеристики ТРН.

3. Экспериментально исследовать работу ТРН на активную и активно-индуктивную нагрузку на универсальном лабораторном стенде «Основы электропривода и преобразовательной техники».

Краткие теоретические сведения [2].

Силовая схема одной фазы такого преобразователя содержит полупроводниковый коммутатор, который может быть выполнен в виде двух встречно - параллельно включенных тиристоров (рис.7.1, а) или транзисторов. В таких преобразователях применяют фазовый, фазоступенчатый, широтно - импульсный на пониженной частоте и другие методы регулирования переменного напряжения.

Рассмотрим фазовый метод регулирования переменного напряжения.

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния ключа полупроводникового коммутатора в течение каждого полупериода напряжения питающей сети.

Отметим, что фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления α, с опережающим углом управления α или с тем и другим (двустороннее фазовое регулирование). Фазовое регулирование преобразователей переменного напряжения аналогично принципу фазового регулирования управляемых выпрямителей. Отличие заключается в схемах соединения тиристоров их силовых схем, вследствие чего участки синусоид переменного напряжения, составляющие кривую выходного напряжения в управляемых выпрямителях, являются однополярными, а в регуляторах переменного напряжения − двухполярными и симметричными относительно оси абсцисс. Системы импульсно−фазового управления регуляторов переменного напряжения и управляемых выпрямителей абсолютно идентичны.

Тиристорный регулятор напряжения (ТРН) имеет по два встречно–параллельно включенных тиристора в цепи с питающим напряжением и нагрузкой. Однако вместо двух встречно–параллельно включенных тиристоров возможно применение симметричных тиристоров, симмисторов, обладающих способностью проводить ток как при положительном, так и отрицательном значении напряжения питающей сети переменного тока.

В ТРН нашло применение фазовое регулирование переменного напряжения с отстающим углом управления (регулирования) α.

На рис. 7.1, а–г приведены схема и временные диаграммы однофазного ТРН при активной нагрузке, а на рисунке 7.2, а–г приведены схема и временные диаграммы однофазного ТРН при активно – индуктивной нагрузке.

При активном характере нагрузки запирание тиристоров, проводивших до этого ток, осуществляется за счет изменения полярности переменного напряжения питающей сети по окончании каждого полупериода, т.е. после достижения точек на временной оси ωt=π, 2π, 3π, … (естественная коммутация).

При активно-индуктивном характере нагрузки индуктивность L_нг замедляет нарастание тока i_нг при отпирании тиристоров и препятствует его уменьшению при снижении напряжения u, (см. рис. 7.2, г). Ток i_нг продолжает протекать через нагрузку и соответствующий тиристор и после перехода напряжения питания через нуль, достигая нулевого значения спустя интервал δ в пределах очередной полуволны напряжения u. Интервал проводимости тиристоров увеличивается на угол δ, т.е. ψ=π-α+δ. За счет увеличения интервала проводимости тиристоров в кривой u_нг, так же как и в управляемых выпрямителях, появляются дополнительные участки напряжения u (см. рис. 7.2, б), отсутствующие при чисто активном характере нагрузки. Интервал паузы в кривой выходного напряжения сокращается до значения (α–δ). Указанное приводит к изменению и формы кривой напряжения на тиристоре (см. рис.7.2, в).

Регулировочная характеристика ТРН представляет собой зависимость действующего напряжения нагрузки U_нг от угла α, т.е. U_нг =f(α) при постоянном напряжении питающей сети (U=U_N=const) и постоянном токе нагрузки (I_нг=const).

При чисто активном характере нагрузки зависимость U_нг =f(α) находят из соотношения

В относительных единицах

(7.1)

где U − действующее значение переменного напряжения на входе ТРН.

Вид регулировочной характеристики приведен на рис. 7.3.

Отметим, что выражение регулировочной характеристики (7.1) справедливо для фазового регулирования как с отстающим, так и с опережающим углом регулирования α.

Угол регулирования, при котором действующее значение выходного напряжения равно нулю, называется по аналогии с управляемыми выпрямителями углом запирания α_зап.

Из выражения (7.1) нетрудно установить, что для фазового регулирования как с отстающим, так и с опережающим углом регулирования угол запирания α_зап=180^о.

Рис. 7.1. Схема и временные Рис.7.2. Схема и временные

диаграммы ТРН при активной диаграммы ТРН при активно- нагрузке индуктивной нагрузке

u − напряжение питающей сети;

u_нг − напряжение нагрузки; u_в − напряжение на тиристоре силовой схемы;

i_нг − ток нагрузки;

α − угол управления;

Ψ − длительность открытого состояния тиристора;

δ − длительность проводящего состояния тиристора после смены знака напряжения питающей сети

Регулировочную характеристику для двустороннего фазового регулирования можно получить из выражения:

Окончательно

(7.2)

Из выражения (7.2) следует, что при двустороннем фазовом регулировании α_зап=90^о.

Рис.7.3. Регулировочная характеристика однофазного ТРН при активной нагрузке

Рис.7.4. Внешние характеристики однофазного ТРН при активной нагрузке

Внешняя характеристика ТРНпредставляет собой зависимость напряжения U_нг от тока I_нг, т.е. U_нг=f(I_нг) при постоянном напряжении питающей сети, (U₁=U_N=const) и постоянном угле регулирования (α=const) (рис. 7.4).

U_нг=U_{нг 0}-∆U, (7.3)

где U_{нг 0} – действующее значение напряжения на выходе ТРН при холостом ходе нагрузке, т.е. при I_нг=0:

;

∆U – падение напряжения на элементах ТРН при токе I_нг≠0:

∆U=∆U_в.пр+I_нгR_э, (7.4)

R_э – эквивалентное активное сопротивление схемы;

R_э=R_с.п+ R_в.д;

R_с.п - сопротивление соединительных проводов;

R_в.д- динамическое сопротивление вентиля.

Коэффициент мощности ТРН χ дает оценку эффективности потребления мощности от питающей сети и представляет собой отношение активной мощности, потребляемой ТРН от питающей сети по первой (основной) гармоники, P₍₁₎, к полной мощности S, потребляемой ТРН от питающей сети, т.е.

, (7.5)

где k_иск – коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого от питающей сети;

k_сдв– коэффициент сдвига:

k_сдв=cosφ.

Параметр φ характеризует угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от кривой напряжения питающей сети.

(7.6)

(7.7)

Перемножив cosφ и k_иск, получим

(7.8)

Отметим, что и для двустороннего фазового регулирования коэффициент мощности также определяется по формуле (7.8). При этом коэффициент сдвига равен единице, а коэффициент искажения соответствует выражению (7.8).

Нетрудно видеть, что в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент мощности равен относительному значению напряжения нагрузки, т.е. χ= U_нг/U , и связан с ним линейной зависимостью (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Зависимость коэффициента мощности ТРН от относительного напряжения на нагрузке для одиночного преобразователя

Для увеличения коэффициента мощности можно рекомендовать, когда это возможно, питание одной нагрузки от группы преобразователей, питающихся от одной и той же сети переменного тока. Примером такого случая может служить работа группы преобразователей переменного напряжения на нагревательные сопротивления электропечей.

Повышение коэффициента мощности объясняется тем, что токи основных и высших гармоник, создаваемых в питающей сети отдельными преобразователями, суммируются геометрически. Благодаря этому фазовый сдвиг суммарной основной гармоники по отношению к напряжению питающей сети, а также суммарные амплитуды высших гармонических получаются меньшими, чем при одном преобразователе, работающем на полную мощность.

Коэффициент мощности будет существенно улучшен, если для управления отдельных преобразователей, составляющих одну группу, применять комбинацию рассмотренных выше способов фазового регулирования.

В лабораторной работе коэффициент мощности определяется отношением активной мощности P, потребляемой ТРН, к полной мощности S:

χ=P/S

Коэффициент полезного действия однофазного ТРНопределяется отношением мощности, потребляемой нагрузкой, к мощности, потребляемой ТРН из питающей сети

η=P_нг/(Р_нг+ ΔР_в),

где ΔР_в – потери в вентилях.

где I_в.ср- среднее значение тока, протекающего через вентиль на интервале одного полупериода;

ΔU_в.пр –прямое падение напряжения на открытом вентиле;

I_в.дз – действующее значение тока, протекающего через вентиль;

R_в.д- динамическое сопротивление вентиля.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о ТРН.

2. Теоретически рассчитать и построить регулировочные характеристики

для однофазного ТРН при активной нагрузки.

3. Теоретически рассчитать и построить внешние характеристики

для однофазного ТРН при активной нагрузки.

4. Исследовать работу однофазного ТРН на активную нагрузку.

5. Сравнить экспериментально снятые регулировочные и внешние характеристики по п. 4 и п. 5 с теоретически построенными по п.2 и п.3 и сделать выводы.

6. Оформить отчет по лабораторной работе.