Исследование трехфазного однотактного управляемого выпрямителя

Цель работы:

1. Изучить принципы построения и работы трехфазных управляемых выпрямителей.

2. Изучить регулировочные характеристики трехфазного однотактного 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].Трехфазный однотактный выпрямитель, или трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, имеет в своем составе вентильный блок и сетевой трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду с выводом нулевой точки этой обмотки. Тиристоры подключены к выводам вторичных обмоток своими анодами, а катоды их соединены в общую точку. Нагрузка подключена между нулевой точкой вторичной обмотки и общей точкой катодов вентилей. Общая точка катодов венти­лей служит положительным полюсом выходного напряжения, а нулевая точка вто­ричной обмотки трансформа­тора – отрицательным полю­сом. Вентили поочередно пропускают ток через цепь нагрузки.

На рис. 5.1 приведена электрическая схема трехфазного однотактного управляемого выпрямителя.

Рис. 5.1 - Схема трехфазного однотактного управляемого выпрямителя

Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 5.2. Токи в вентиле и соответствующей фазе вторичной обмотки трансформатора равны i_в=i₂ (для конкретных фаз i_в1=i_а, i_в3=i_в, i_в5=i_c) и протекают только на одном полупериоде напряжения переменного тока в течение временного такта θ=2π/3. Поэтому этот преобразователь называют трехфазным однотактным. Начало ведения тока вентилем определяется моментом подачи импульсов управления u_у.в на этот вентиль и ха­рактеризуется углом регулирования (или управления) α, отсчиты­ваемым от точек пересечения фазных напряжений k, l, m – точек естественного открытия вентилей, в сторону отставания. Опережение им­пульсами управления точек k, l, m не приведет к естественной коммутации тока вентилей, так как в таком случае ток должен переходить с вентиля, имеющего более высокий потенциал анода, на вентиль с меньшим анодным потенциалом, что может быть осуществлено только с применением устройств принудительной коммутации или двухоперационных и полностью управляемых вентилей. На диаграмме рис.5.2 принято α=0. В каждый момент времени мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d (утолщенная кривая на рис. 5.2) определяется мгновенным значе­нием кривой напряжения той фазы, с которой соединен работающий вен­тиль.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d зависит от угла управленияи от режима работы схемы, который при этом имеет место. Так, для режима, соответствующего активно – индуктивному характеру нагрузки (L_d=∞) и α>π/6, прохождение анодного тока через вентиль не прекращается в течение такта θ, не­смотря на то, что к концу интервала работы вентиля в фазе вторичной обмотки трансформатора появляется отрицательное напряжение. Это объ­ясняется тем, что возникающая в процессе снижения анодного тока по­ложительная ЭДС самоиндукции на L_d уравновешивает отрицательное фазное напряжение, падение напряжения в вентиле и активное падение напряжения в анодной цепи. Поэтому при L_d=∞ ток непрерывен при любом значений угла α и выражение для среднего значения выпрямленного напряжения имеет вид

(5.1)

где

U_dα – среднее значение выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя при α>0^о;

;

U₂ – действующее значение вторичного фазного напряжения трансформатора;

k_сх –коэффициент преобразова­ния схемы, для трехфазного однотактного преобразователя k_сх=1,17.

Среднее за период значение тока вентиля

(5.2)

где i_а – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора на интервале

проводящего состояния вентиля VS1 равен току нагрузки:

i_a=I_d.

Рис. 5.2 - Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного однотактного выпрямителя

Действующее значение фазного тока схемной обмотки (вторичной) трансформатора и действующее значение тока вентиля

(5.3)

Напряжение на каждом вентиле равно разности фазных напряжений - фазы, подключенной к аноду того вентиля, на котором определяет на­пряжение, и фазы, подключенной к аноду работающего вентиля. Например, при работе вентиля VS3 напряжение на вентиле VSI u_в1=u_а-u_в, а при работе вентиля VS5 u_в1=u_а-u_с (cм. рис. 5.2). Следователь­но, максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно ам­плитуде линейного вторичного напряжения трансформатора

(5.4)

При α=π/2 в соответствии с (5.1) U_d=0, что и определяет диа­пазон изменения угла регулирования выпрямителя при активно – индуктивном характере нагрузки (L_d=∞): 0≤ α ≤ π/2.

При чисто активной нагрузке (L_d=0) прерывистый ток получается при углах регулирования α>π/6, а среднее значение выпрямленного напряжения при α>π/6 определяется по формуле

(5.5)

Нетрудно видеть, что в этом случае выходное напряжение будет равно нулю только при α=5π/6 . Напомним, что временные диаграммы рис. 5.2 характеризуют работу трехфазного неуправляемого выпрямите­ля с нулевым выводом при угле регулирования α=0.

Режим работы трансформаторов в этой схеме выпрямления, так же как и в других схемах выпрямления, су­щественно отличается от работы их в линейных цепях переменного тока. В основе этого лежит несинусоидальность токов в схемных (вторичных) обмотках и в ряде схем еще и однополупериодность (однотактность) протека­ния токов по фазам вторичных обмоток. В результате создаются условия, приводящие к образованию постоянных составляющих токов во вторичных обмотках трансформатора [см. рис. 5.2, кривую тока i_в1=i_а=f(ωt)].

Несинусоидальность токов вторичных обмоток обуславливает также несинусоидальность токов в фазах первичных обмоток, но в токах этих обмоток отсутствуют постоянные составляющие. Дополнительной особен­ностью, связанной с различной формой первичных и вторичных токов, является различная величина действующих значений этих токов по отношению к среднему значению выпрямленного тока I_d и, следовательно,

различная величина расчетной мощности обмоток трансформаторов.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного однотактного выпрямителя f_п=k_тm₂ f_c =1·3 f_c=3 f_c.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить краткие теоретические сведения о трехфазных управляемых

выпрямителях.

2. Теоретически рассчитать и построить регулировочные характеристики

для трехфазного однотактного управляемого выпрямителя для заданного типа нагрузки:

- для активной нагрузки;

- для активно - индуктивной нагрузки.

3. Исследовать работу трехфазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку.

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

5. Исследовать работу трехфазного 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, ток которых составляет 25 А.

В трехфазном режиме работы тиристоры VS1, VS3, VS5 образуют катодную группу, реализуя положительный выход выпрямителя, а нулевой вывод трехфазной сети реализует отрицательный выход трехфазного однотактного выпрямителя (см. рис.5.1).

Поскольку в лабораторном стенде НТЦ-25 отсутствует сетевой трансформатор, вместо нулевой точки вторичной обмотки создан искусственный ноль.

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).