Принцип действия управляемых выпрямителей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт инновационных технологий

Факультет механико-технологический

Кафедра автоматизация технологических процессов

Методические указания к лабораторным работам

По дисциплине

Преобразовательная техника

Составитель: Н.Г.Рассказчиков

Владимир 2013г

Лабораторная работа №1

Исследование однофазных управляемых выпрямителей.

Цель работы: компьютерное моделирование однофазных управляемых выпрямителей.

Моделирование выполняется в системе компьютерной математики Matlab с использованием Simulink. Каждый студент выполняет виртуальное моделирование схемы выпрямителя (рис. 1, 2) в соответствии с номером в списке студенческой группы (табл. 1). В вариантах с 1 по 10 конденсатор С_d при моделировании исключить.

Предполагается, что студент знаком с системой Matlab и с основами имитационного моделирования в Simulink.

Принцип действия управляемых выпрямителей

Принцип действия выпрямителей рис. 1, а-е рассмотрен в [1-3]. Выпрямители с управлением на первичной стороне (рис. 1, ж, з) применяются в тех случаях, когда выходные параметры: напряжение или ток нагрузки не могут быть обеспечены без последовательного или параллельного соединения тиристоров. На интервале (рис. 3) тиристоры заперты, и ток нагрузки замыкается через диоды V3,…, V6 (рис. 1, ж), благодаря энергии, накопленной в индуктивности нагрузки L_d. Вторичная обмотка трансформатора замкнута диодами и напряжение на нагрузке равно нулю. В момент отпирается тиристор V1 и трансформатор подключается к напряжению сети. При этом диоды V4, V5 запираются, а через диоды V3, V6 нагрузка подключается ко вторичной обмотке трансформатора. В момент напряжение сети меняет полярность, к тиристору V1 прикладывается отрицательное напряжение и он выключается. На интервале ток нагрузки замыкается через диоды V3,…, V6. В момент времени отпирается тиристор V2. При этом диоды V3, V6 запираются, а через диоды V4, V5 нагрузка подключается к обмотке трансформатора. В момент 2π тиристор V2 запирается, т.к. напряжение сети меняет полярность. На интервале ток нагрузки замыкается через диоды V3,…, V6. В момент отпирается тиристор V1 и процессы повторяются.

Рис. 1. Схемы однофазных управляемых выпрямителей

Рис. 2. Однофазные выпрямители

с повышенным коэффициентом мощности

В схеме выпрямителя (рис. 2, а) в начале каждого полупериода входного напряжения u_с (рис. 2, в) до момента ( ) подачи сигнала управления тиристоры V1 (V3) заперты, при этом цепь нагрузки замыкается через диоды V0, V4 либо V0, V2 соответственно и коэффициент трансформации равен k_т1=w₂/w₁. При угле отпирания α тиристор V1 (либо V3) открывается и коэффициент трансформации становится равным k_т2 = 2w₂ /w₁. Таким образом, коэффициент трансформации в момент отпирания тиристора скачкообразно возрастает в п раз, где п = k_т2 / k_т1. В данном случае п = 2. При включении тиристора коммутирующий диод V0 запирается, т.к. к нему прикладывается напряжение обратной полярности. На рис. 2, в на верхней диаграмме показана очередность работы вентилей. Временные диаграммы для схемы рис. 2, б имеют такой же вид. Очередность работы вентилей показана на нижней диаграмме рис. 2, в. Действительно на интервале α (0– ) ток проводят диоды V4, V5 (полярность напряжения вторичной обмотки показана на рис. 2, б без скобок). В момент отпираются тиристор V2 и диод V5. В момент тиристор V2 запирается и на интервале работают диоды V6, V3. В момент отпирается тиристор V1 и ток протекает через диод V6 и тиристор V1.

Порядок выполнения работы

1. Запустить Matlab и Simulink. Построить виртуальную Simulink-модель выпрямителя в соответствии с индивидуальным заданием (табл. 1). Для чего из соответствующих разделов библиотек выбрать и переместить в окно модели необходимые блоки. Выполнить соединения блоков между собой, подключить измерительные приборы и контрольные устройства.

Таблица 1

Вариант	1,	2,	3,	4,	5,	6,	7,	8,	9,	10, 20
Номер рисунка схемы	1, а	1, б	1, в	1, г	1, д	1, е	1, ж	1, з	2, а	2, б

2. Задать параметры моделирования.

3. Настроить параметры источника питания, трансформатора, нагрузки, выпрямителя и системы управления. Для всех вариантов принять:

· частоту питающей сети 50 Гц;

· напряжения первичной u₁ и вторичной u₂ обмоток трансформатора 220 В и 50 В соответственно;

· номинальную Р_н мощность трансформатора 1000 Вт;

· относительные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора R₁ = R₂ = 0,1;

· относительные индуктивности рассеивания первичной и вторичной обмоток трансформатора L₁ = L₂ = 0,5;

· параметры ветви намагничивания трансформатора R_m = 400 и L_m = 400;

· активное сопротивление нагрузки R_{d ном}= 10 Ом;

· индуктивность нагрузки L_d = 100 мГн;

· емкость конденсатора С_d=2000 мкФ.

4. Для номинального значения сопротивления нагрузки R_d изменяя угол α построить регулировочную характеристику U_dα = f (α). Результаты измерений занести в таблицу.

5. Изменяя сопротивление нагрузки R_d для α = 0 измерить:

· ток I_d и напряжение U_d нагрузки;

· среднее I_{а ср} и действующее I_{а д} значения тока тиристора;

· амплитуду I_1(1)max и фазу φ₁ первой гармоники тока источника питания;

· снять временные диаграммы токов i_d, i_a, i₂, i₁ и напряжений u_d, u_ак для режимов прерывистого и непрерывного тока нагрузки.

6. Повторить измерения п. 5 для углов α = 60°, 120°. Результаты занести в таблицу. Количество измерений и расположение точек должны быть такими, чтобы были видны особенности характеристик.

7. Для каждого значения сопротивления нагрузки по полученным данным рассчитать:

· полную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике:

(ВА);

· активную мощность, потребляемую выпрямителем от источника питания по первой гармонике:

(Вт);

· мощность нагрузки:

(Вт);

· коэффициент мощности и кпд:

, ,

где – полная мощность, потребляемая от источника; I₁ – действующее значение тока, потребляемого от источника; U_1н = 220 В.

Результаты вычислений занести в таблицу.

8. По результатам, занесенным в таблицу, построить:

· нагрузочные характеристики выпрямителя U_d = f (I_d) для различных значений α;

· энергетические характеристики выпрямителя:

, .

9. Для одного из углов α и R_{d ном} определить отношение I_d / I_{a ср} и I_d / I_{a д} и сравнить с теоретическими значениями [1].

10. При работе на нагрузку снять зависимость первой амплитуды тока от угла включения .

Содержание отчета

1. Схема виртуальной установки.

2. Выражения для расчета основных характеристик.

3. Временные диаграммы переходного и установившегося режимов работы выпрямителя.

4. Нагрузочные характеристики .

5. Регулировочная характеристика .

6. Энергетические характеристики.

7. Зависимость .

8. Результаты вычислений I_d / I_{a ср} и I_d / I_{a д}.

9. Выводы по работе.

Контрольные вопросы для допуска к работе

1. Какие стандартные блоки необходимы для построения виртуальной модели заданного выпрямителя, и в каких разделах библиотек Simulink они хранятся?

2. Как задаются параметры элементов, используемых для построения виртуальной модели?

3. Какие измерительные блоки используются при выполнении лабораторной работы и в каких разделах библиотек Simulink они хранятся?

4. Поясните назначение кнопок панели инструментов осциллографа. Как настраиваются параметры осциллографа?

5. Как определить параметры первой гармоники тока источника питания, среднее и действующее значения тока вентилей?

6. Как задавать значения угла отпирания тиристоров α и изменять сопротивление нагрузки? В каком диапазоне изменять R_d?

7. Как установить параметры моделирования (симуляции)? Параметры каких блоков модели должны быть согласованы с параметрами решателя?

8. Какие характеристики выпрямителя снимаются в лабораторной работе? Как измеряются параметры характеристик?

9. Нарисуйте временные диаграммы для исследуемого выпрямителя. Приведите кривую напряжения анод-катод для указанного режима работы.

10. Как выглядят внешние (нагрузочные) характеристики исследуемого выпрямителя для различных значений углов α?

11. Изобразите регулировочную характеристику исследуемого выпрямителя.