Лабораторная работа «ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХТАКТНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ»

Цель работы: исследование электромагнитных процессов, энергетических и нагрузочных характеристик однофазного двухтактного выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.

 

Указания к выполнению работы

Однофазный мостовой выпрямитель (двухтактная схема на рис. 4.9) является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления.

 

Рис. 4.9. Однофазный мостовой выпрямитель
с активно-индуктивной нагрузкой

Нагрузка выпрямителя имеет индуктивный характер при питании выпрямленным током обмоток электромагнитов, втягивающих катушек электрических аппаратов или при использовании дросселей в качестве первого элемента фильтра источников питания устройств автоматики и электропривода.

При обычно выполняющемся условии схема на рис. 4.9 характеризуется следующими соотношениями.

Параметры выходной электрической энергии выпрямителя:

– средневыпрямленные значения напряжения и тока

                                » ,  ,                     (4.36)

где  – действующее значение переменного синусоидального напряжения на входе выпрямителя, равное 220 В (рис. 4.9);

– частота гармонических составляющих выпрямленного напряжения

,                    (4.37)

где n  1, 2, 3 – последовательный ряд чисел;

 – коэффициент пульсаций по гармоническим составляющим выпрямленного напряжения

;                                       (4.38)

– коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения

.                             (4.39)

Параметры вентилей:

– среднее, действующее и максимальное значения прямого тока диодов

            , ,

;                                     (4.40)

– амплитуда обратного напряжения на каждом диоде

.                                (4.41)

Параметры преобразовательного трансформатора:

– действующие значения тока и напряжения сетевой обмотки трансформатора

                , ; (4.42)

– полная мощность сетевой обмотки трансформатора

                                                                          (4.43)

Параметры входной электрической энергии:

– частота гармонических составляющих входного тока выпрямителя

;                      (4.44)

– амплитуды гармонических составляющих входного тока выпрямителя

,                                   (4.45)

где  – амплитуда первой (основной) гармонической составляющей входного тока выпрямителя; ν – порядок гармонической составляющей входного тока выпрямителя;

 – коэффициент искажения синусоидальности входного тока выпрямителя

 ;                      (4.46)

– реактивная мощность искажений на входе выпрямителя

                                ;       (4.47)

– активная входная мощность выпрямителя

;                              (4.48)

– коэффициент мощности выпрямителя

 ;                                  (4.49)

– КПД выпрямителя

=                                            (4.50)

 

Описание лабораторной установки и методики измерений

Виртуальная лабораторная установка для исследований, предусмотренных содержанием работы, приведена на рис. 4.10. Установка включает в себя:

– источник V1 синусоидального напряжения (220 V, 50 Hz, 0 Deg);

– однофазный трансформатор T1 с коэффициентом трансформации ;

– активно-индуктивную нагрузку L1, R1, R2 c сопротивлением , регулируемым в сторону повышения до 100 Ом нажатием клавиши «А» и в сторону понижения сопротивления нажатием клавиш «Shift + A»;

– однофазный диодный мост на вентилях FGF1M (D1…D4);

– двухканальные осциллографы XSC1, XSC2;

– датчик V2 для наблюдений на экране осциллографа XSC1 входного тока  выпрямителя;

– измерительный пробник 5 для контроля действующего значения входного тока выпрямителя;

– измерительный пробник 2 для контроля средневыпрямленного напряжения  и средневыпрямленного тока , амплитуды обратного напряжения на вентиле, действующего значения  переменных составляющих выпрямленного напряжения и действующего значения переменных составляющих выпрямленного тока.

 

Рис. 4.10. Виртуальная установка однофазного двухтактного выпрямителя
с активно-индуктивной нагрузкой

 

Установка позволяет также с помощью средств анализа Фурье, имеющихся в программе Multisim, определять гармонический состав токов и напряжений
в выбранных точках установки для экспериментального определения коэффициента мощности, коэффициента пульсаций, КПД, коэффициента сглаживания пульсаций и других параметров выпрямителя.

 

Домашняя подготовка

1.Изучить подраздел 4.1 данной работы.

2. Провести расчет параметров выходной электрической энергии выпрямителя, параметров преобразовательного трансформатора, параметров вентиля и параметров входной электрической энергии выпрямителя по формулам
(4.36–4.50) для активного сопротивления нагрузки  равного 5 % от номинального значения (рис. 4.10). При определении средневыпрямленного напряжения  учесть, что в системе Multisim используется виртуальная модель диода RGF1M, в которой прямое падение напряжения на диоде не равно нулю, а составляет приблизительно 0,9 В. Поэтому для расчета средневыпрямленного напряжения необходимо скорректировать формулу (4.36):

                                                                                  (4.51)

Рабочее задание

1.Открыть виртуальную лабораторную работу «Одн. выпр.» в папке «Лаб. выпр.»

2. Изменяя сопротивление нагрузки  от 5 до 95 Ом с шагом 10 Ом измерить и рассчитать основные характеристики выпрямителя. Результаты измерений и расчетов занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Результаты исследований

R1, Ом	Измерения				Расчет
	, А	, В	, А	, В	S1, кВА	, кВт

Вычисления полной мощности выпрямителя и мощности в нагруз­ке­ проводить по выражениям (4.43) и (4.50).

3. С помощью спектрального Фурье-анализа определить гармонический состав токов и напряжений в точках «2», «6», «7» лабораторной установки для режима . Для этого в меню «Simulate» выбрать команду «Analyses» и далее команду «FourierAnalyses». В открывшемся диалоговом окне опции имеют следующие значения: «Fundamental frequency» – основная частота первой гармоники (50 Гц), «Number of harmonics» – число анализируемых гармоник (задается равным 9), «Stop time for sampling» – время анализа (задается равным 40 с), «Chart and Graph» – вывод результатов на экран в виде таблицы и линейчатого графика.

Далее открыть закладку результатов «Output», нажатиями кнопки «Remove» освободить окно «Selected variables», выбрать точки «2», «6», «7» для Фурье-анализа и нажатием кнопки «Add» перенести их в окно «Selected variables», после чего нажать «Simulate».

4.Результаты Фурье-анализа входного тока выпрямителя занести в табл. 4.3. Сравнить частоты гармоник тока с определенными по формуле (4.44). Рассчитать активную входную мощность (формула 4.48), мощность искажений (формула 4.47), коэффициент искажения синусоидальности входного тока (формула 4.46), коэффициент мощности и КПД выпрямителя (формулы 4.49
и 4.50).

Таблица 4.3

Результаты Фурье-анализа

Номер гарм. сост. (ν)	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Частота, Гц
Амплитуда, В
Фаза, град

 

5. Результаты Фурье-анализа в точках «2» и «7» занести в таблицы, аналогичные таблице 4.3. Определить коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания выпрямленного напряжения. Сравнить их, а также частоты гармонических составляющих с определенными по формулам (4.37), (4.38), (4.39).

6. Снять осциллограммы входного напряжения и входного тока выпрямителя (рис. 4.11), выходного напряжения и выходного сглаженного напряжения (рис. 4.12) для одной из точек измерения нагрузочной характеристики и представить их в отчете.

Рис. 4.11. Временные диаграммы входного напряжения
и входного тока выпрямителя

Рис. 4.12. Временные диаграммы выходного напряжения
и выходного сглаженного напряжения выпрямителя

Содержание отчета

1.Схема лабораторной установки для исследования мостового однофазного выпрямителя.

2.Формулы (4.36–4.50) и результаты расчетов параметров выходной
и входной энергии, параметров вентилей и трансформатора.

3.Таблицы с данными измерений.

4.Нагрузочные и энергетические характеристики выпрямителя.

5.Осциллограммы мгновенных значений токов и напряжений.

6.Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1. Из каких основных функциональных блоков состоит выпрямитель?

2. Используя осциллограммы напряжений и токов, объясните принцип работы однофазной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку.

3. Что понимают под средним значением и коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения и тока?

4. По каким формулам определяются среднее значение и амплитуда основной гармонической составляющей выпрямленного напряжения?

5. Проведите анализ нагрузочной характеристики и энергетических характеристик выпрямителя.

6. Что является признаком схем выпрямления: однотактных и двухтактных?

7. По каким параметрам вентиля определяют, что его режим работы
в выпрямительном устройстве не выходит за допустимые границы?

8. Какие величины необходимо определить, чтобы правильно выбрать параметры обмоток преобразовательного трансформатора?

9. Что такое коэффициент пульсаций?

10. Что такое коэффициент сглаживания?

11. Какими параметрами определяется качество напряжения на выходе выпрямителя и на нагрузке?

 

Рекомендуемая литература

1.Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники : учебник / Г.С. Зиновьев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 1999. – Ч.1. – 199 с.

2. Ковалев Ю.З. Электрооборудование промышленности. Полупроводниковые силовые преобразователи энергии : учеб. пособие / Ю.З. Ковалев, Е.М. Кузнецов. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. – 164 с.

4.3. Лабораторная работа «ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО
УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С НУЛЕВЫМ ВЫВОДОМ»

Цель работы: исследование трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при работе на активно-индуктивную нагрузку с противоЭДС в режиме выпрямления; исследование внешней, энергетических и регулировочных характеристик; определение гармонического состава тока потребления трехфазного управляемого выпрямителя.

 

 

Указания к выполнению работы

В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу управления выпрямленным напряжением на нагрузке. Трехфазная схема управляемого выпрямителя с нулевым выводом (рис. 4.13) получила распространение в диапазоне мощностей до 10 кВт.

Рис. 4.13. Трехфазный нулевой выпрямитель
с активно-индуктивной нагрузкой

 

Под действием ЭДС  ток через вентиль протекает и тогда, когда фазная ЭДС вентильной обмотки трансформатора е₂ изменила направление. Поэтому при углах включения тиристора a > a_кр выпрямленное напряжение u’_0,a на входе фильтра имеет участки отрицательного напряжения (рис. 4.14, в). На этих участках нагрузка является источником, т. е. возвращает ранее накопленную в индуктивности энергию обратно в питающую сеть. Часть этой энергии теряется в активном сопротивлении R₀. При достаточно большой индуктивности L₀ (когда pm₂wL₀  >> R₀) ток i_0,a нагрузки непрерывен и ток через управляемый вентиль протекает всегда 1/m₂ часть периода. В режиме непрерывного тока уравнение и график регулировочной характеристики при m₂ ³ 2
и р = 1 имеют определенный вид (формула 4.52 и рис. 4.14, г).

U^*_0,a= Сosa.                                         (4.52)

г

а

д

в

б

Рис. 4.14. Эквивалентная схема (а), волновые диаграммы напряжений U_0,a
и тока i_0,a (б, в), регулировочная характеристика (г) и коэффициент пульсации К_п(1) (д) управляемого трехфазного одноактного выпрямителя при активно-индуктивной
нагрузке. Режим непрерывного тока (pm₂wl₀ >> R₀)

Коэффициент пульсаций на входе фильтра  определяется по формуле

.                      (4.53)

При работе как на активную, так и на активно-индуктивную нагрузку угол a включения оказывает влияние на соотношение между активной и реактивной мощностями. Как можно видеть из рис. 4.15, а и б, импульс тока работающего вентиля смещен по фазе относительно фазной ЭДС на угол a (или на угол
a + 0,5g с учетом эффекта коммутации). Поэтому основная гармоника этого тока, а значит, и фазный ток i_1,1 выпрямителя (рис. 4.15, а) отстают относительно сетевого напряжения U₁ на такой же угол (a + 0,5g).

б

а

Рис. 4.15. Схема (а) и диаграмма тока и напряжения (б)
при работе источника переменного напряжения на управляемый выпрямитель

 

В результате управляемый выпрямитель нагружает сеть реактивной мощностью как потребитель, обладающий коэффициентом фазового сдвига.

 

                                           ,              (4.54)

где P_C и Q_C­  соответственно активная и реактивная мощность, потребляемая выпрямителем из сети. В случае работы выпрямителя на индуктивную нагрузку для улучшения коэффициента фазового сдвига в схему включают нулевой или  ответвляющий диод D4 (рис. 4.13). Когда ЭДС е₂ становится меньше нуля,
то работающий тиристор закрывается и блокировочный диод D4 открывается. При этом ток в дросселе L1 (совпадающий с током нагрузки) не прерывается и протекает по контуру L1-R1-D4. При открывании следующего тиристора нулевой диод D4 закрывается.

За счёт нулевого диода в кривой u_0,a (рис. 4.14, в) исчезают отрицательные площадки, и поэтому регулировочная характеристика и зависимость коэффициента пульсации от угла a становятся такими же, как и при активной нагрузке. Нулевой диод улучшает также коэффициент сдвига фазы до значения .

 

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 485; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!