Лабораторная работа №4. Целью лабораторной работы является:

ИССЛЕДОВАНИЕ НУЛЕВОГО УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

1. Цель работы

Целью лабораторной работы является:

- изучение принципа действия трехфазного нулевого управляемого выпрямителя;

- исследование влияния характера нагрузки на вид регулировочной характеристики выпрямителя.

1. Указания по подготовке к лабораторной работе

1. Ознакомиться с графиком выполнения работы и сдачи отчета.
2. Изучить необходимый теоретический материал (см. список рекомендуемой литературы и раздел 3 данного методического руководства).
3. Подготовить таблицы для снятия экспериментальных характеристик.

1. Основные теоретические сведения

Принцип действия неуправляемого трехфазного нулевого выпрямителя и основные соотношения, характеризующие его работу, рассмотрены ранее (см. методические указания к выполнению лабораторной работы №3). Все соотношения, полученные для схемы неуправляемого выпрямителя справедливы и для управляемого выпрямителя при угле управления a = 0.

В исследуемой схеме трехфазного нулевого управляемого выпрямителя, показанной на рисунке 1, применяются управляемые вентили – тиристоры.

Работа выпрямителя с углом управления a ¹ 0 приводит к задержке вступления в работу очередного тиристора и затягиванию работы предыдущего. Изменяя момент подачи импульса напряжения на управляющие электроды тиристоров, можно регулировать среднее значение тока и напряжения в цепи нагрузки выпрямителя. Зависимость среднего значения напряжения на нагрузке U_d от угла управления a (характеризующего момент открытия тиристоров) называется регулировочной характеристикой.

Рисунок 1 – Схема трехфазного управляемого выпрямителя с

нулевым выводом

Временные диаграммы, характеризующие работу трехфазного нулевого управляемого выпрямителя, приведены на рисунке 2. На рисунке 2,а,б,в,г показаны кривые выпрямленного напряжения u_d для режима работы схемы на активную нагрузку при различных углах управления. В этом случае кривая тока i_d по своей форме повторяет кривую выпрямленного напряжения. Следует отметить, что имеются две характерные области управления:

- первая область находится в диапазоне углов p /6 > a > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока;

- вторая область начинается при углах a > p /6, причем в кривой выпрямленного тока в этом случае появляются паузы, в течение которых мгновенные токи равны нулю.

Среднее выпрямленное напряжение для первой области регулирования определяется следующим образом:

. (1)

Каждый вентиль схемы работает в этом случае треть периода.

Во второй области регулирования (a > p /6) ток через вентиль обрывается при прохождении мгновенного выпрямленного напряжения через нуль. Диапазон изменения углов a при этом составляет p/6 £ a £ 5p/6, а среднее выпрямленное напряжение

Рисунок 2 – Временные диаграммы напряжений и токов управляемого трехфазного нулевого выпрямителя:

а – тока ί_d и напряжения u_d; б,в,г – токов ί_d и напряжений u_d при активной нагрузке соответственно при углах управления a = 30°, 60° и 90°; д,е – то же, при активно-индуктивной нагрузке и углах управления a = 60° и 90°; ж – то же, при a = 90° и включении обратного диода; з – анодного тока ί_α и обратного тока ί_Д0 при активно- индуктивной нагрузке и a = 90°.

определяется по формуле

(2)

В формулах (1 и 2) .

При работе управляемого выпрямителя на активно- индуктивную нагрузку (L_d®¥) ток через каждый вентиль протекает всегда 1/3 периода. Переход тока с вентиля на вентиль происходит в момент подачи отпирающего импульса на очередной вступающий в работу вентиль. Кривая выпрямленного напряжения для углов управления a < p/6 не отличается от случая работы схемы на активную нагрузку.

При больших углах управления (a > p/6 и L_d® ¥), в кривой выпрямленного напряжения появляются интервалы, когда u_d принимает отрицательные значения, (см. рисунок 2, д, где a = p /3 и рисунок 2,е, соответствующий a =p). Продолжительность протекания тока при этом режиме больше, чем при активной нагрузке. Среднее выпрямленное напряжение для работы схемы со сглаженным выпрямленным током (L_d®¥) рассчитывают по формуле U_d = U_d0×cosa. Величина напряжения U_d при тех же углах a меньше, чем при активной нагрузке.

Теоретически при a = 90^° и L_d® ¥ энергии, запасаемой в положительную часть периода е₂ (или u₂), должно быть достаточно для поддержания тока ί_d в течение такого же отрезка времени при отрицательном значении е₂ и среднее значение выпрямленного напряжения при этом должно равняться нулю. Практически при L_d ¹ ¥ и a = 90° ток ί_d прерывистый и площадь отрицательной части кривой u_d меньше положительной, а U_d ¹ 0.

Для возвращения энергии, запасенной в индуктивности дросселя L_d, в цепь нагрузки включен обратный (нулевой) диод Д₀. В результате этого, ток через каждый тиристор силовой схемы выпрямителя проходит в течение положительной части периода е₂. В отрицательную же часть периода е₂ тиристоры выключаются, а под действием э.д.с., возникающей в индуктивности L_d, включается диод Д₀, и ток нагрузки замыкается по контуру Д₀-R_d-L_d (ί_Д0 на рисунке 2, з). Отрицательный участок кривой u_d исключается и среднее значение напряжения U_d увеличивается (рисунок 2, ж).

Определение коэффициента мощности выпрямителя.

Для неуправляемого выпрямителя с активной нагрузкой коэффициент мощности выпрямителя можно приближенно определить из соотношения (смотри лабораторную работу №3)

, (3)

где P₁ –активная мощность, потребляемая выпрямителем из сети

, (4)

S₁ – полная мощность, потребляемая из сети переменного тока

;

I₁₍₁₎ – действующее значение первой гармоники сетевого тока.

С учетом высших гармоник первичного тока ,

получим

. (5)

Без учета потерь в диодах выпрямительной схемы и трансформаторе можно принять P₁=P_d.

При подстановке формул (4), (5) в формулу (3) получим

, (6)

где K – коэффициент искажения формы потребленного тока. Для многофазных выпрямителей K=0,955..0,960;

φ – угол сдвига между первой гармоникой тока и напряжением сети

Для управляемого выпрямителя и при учете коммутационных процессов в схеме (a > 0; g > 0) между синусоидальным напряжением и основной гармоникой тока в сети появляется дополнительный фазовый сдвиг j = a + g/2. Коэффициент мощности при этих условиях уменьшается:

λ = n cos(a + g/2). (7)

Для многофазных выпрямителей, g = 10 -15°.

При включении обратного диода продолжительность анодного тока уменьшается за счет перехода тока на этот диод в отрицательную часть периода е₂ и соответственно уменьшается угол сдвига фаз между напряжением и током в сети, это приводит к повышению т коэффициента мощности.

В приближенном расчете, выполняемом в лабораторной работе трудно учесть все высшие гармоники в кривой сетевого тока точно определить коэффициент искажений. Поэтому расчетное значение коэффициента мощности получается несколько заниженным.