Методические указания. К п.5.1. управляемые выпрямители позволяют осуществить плавное регулирование среднего значения выпрямленного напряжения изменением угла регулирования a

К п.5.1. управляемые выпрямители позволяют осуществить плавное регулирование среднего значения выпрямленного напряжения изменением угла регулирования a. При изучении материалов данной темы нужно научиться строить временные диаграммы токов и напряжений при различных видах нагрузки и углах a. Следует обратить внимание на то, что в многофазных схемах даже при активной нагрузке может иметь место режим непрерывных токов. Нужно уметь получить аналитическое выражение и построить регулировочную характеристику при чисто ак­тивной и чисто индуктивной нагрузке.

Коммутационные процессы рассматриваются пря Хδ= ¥. Нужно уметь нарисовать эквивалентную схему замещения на интервале ком мутации, объяснить, как выполняется переход тока с одного тирнстора на другой, как строится кривая выпрямленного напряжения на коммутационном интервале. Получить аналитическое выражение для угла коммутации, коммутационного падения напряжения и внешней характеристики управляемого выпрямителя,

Формулы анализа гармонического состава выпрямленного напряжения и первичного тока можно взять из любого учебника и запоминать не следует.

К п.5.2. Изучая зависимые инверторы, необходимо прежде всего уяснить, каким образом осуществляется перевод управляемого вентильного преобразователя в инверторный режим работы, уметь построить временные диаграммы токов напряжений, получить выражение для входной характеристики. Надо отчетливо понимать, что коммутация тиристоров в зависимом инверторе осуществляется напряжением сети переменного тока. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы выходящий из работы тнристор успевал восстановить свои запирающие свойства, поэтому в зависимых инверторах в отличие от управляемых выпрямителей принципиально существуют ограничения на величину угла регулирования инвертируемого тока.

Следует понимать физическую сущность ограничительной характеристики.

К п.5.3. Важнейшими энергетическими параметрами вентильных преобразователей являются коэффициент полезного действия и входной коэффициент мощности. Нужно уяснить физический сысл этих параметров, уметь нарисовать графики их зависимости от тока нагрузки при различных углах регулирования. Полезно внимательно проанализировать векторную диаграмму первичного тока управляемого преобразователя. Принципиально важно понять, что зависимый инвертор, отдавая в сеть переменного тока активную мощность, одновременно потребляет из нее реактивную. Следует обратить внимание на то обстоятельство, что увеличением глубины регулирования энергетические показатели управляемого вентильного преобразователя ухудшаются.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните, каким образом осуществляется регулирование напряжения в управляемом выпрямителе?

1. Нарисуйте диаграммы выходного напряжения и тока двухполупериодного выпрямителя однофазного тока при a=90 эл.град. и активной нагрузке; при индуктивной нагрузке (Cd=¥). Чему будет равна относительная величина среднего значения выпрямленного напряжения в первом случае? Во втором?
2. Нарисуйте регулировочные характеристики однофазных двухполупериодных выпрямителей при активной и индуктивной нагрузках, объясните их ход. Проделайте то же для трехфазного выпрямителя, с выводом нулевой точки. Сравните регулировочные характеристики при активной нагрузке. Чем они отличаются? Почему?
3. Поясните ход внешних характеристик управляемого выпрямителя при различных значениях a для случая Cd=¥. Что произойдет с характеристиками, если увеличить Xa?
4. Зависимый инвертор однофазного тока (нулевая схема) работает при Xd=¥ и Xa¹0. Приведите графики напряжения на выходе инвертора и на тиристорах, анодных токов тиристоров и тока первичной обмотки трансформатора. Как они были построены?
5. Почему в инверторном режиме накладывается ограничение на минимальную величину угла опережения b? На максимальную величину тока Id? Ответить на эти вопросы, используя построенные ранее диаграммы токов и напряжений. Что такое ограничительная характеристика?
6. Приведите формулу для подсчета КПД выпрямителя. как будет изменяться КПД, если при неизменном токе нагрузки увеличивать угол регулирования? Почему? Чем объясняется снижение КПД при малых токах? При больших?
7. Как определяется активная мощность, потребляемая вентильным преобразователем из питающей сети? Полная мощность? Как влияет величина угла коммутации на входной коэффициент мощности? Почему (объясните это на примере выпрямителя однофазного тока)? Как влияет на входной коэффициент мощности величина угла регулирования?

Задача N 1.

Задание. Определить параметры элементов силовой схемы трехфазного управляемого выпрямителя, рассчитать и построить основные характеристики, полагая Xd=¥. Привести временные диаграммы токов и напряжений при произвольно выбранных значениях a и g, схему силовых цепей.

Вариант выбирается по последней цифре шифра студента.

Варианты заданий даны в табл.1.1, где Idн, Udн – номинальный ток и номинальное напряжение нагрузки; Cp – степень регулирования; Uk% - напряжение короткого замыкания (КЗ) трансформатора. Необходимые справочные материалы для некоторых типов тиристоров приведены в табл.1.2. Схемы выпрямителей показаны на рис.1.1, а, б

Методика расчета

При решении задачи воспользоваться литературой: [1, § 2.3а,б, 2.5а,б,в, 2.6 б;

2, § 4.3, 4.4, 4.5, 6.4, 6.5, 6.8; 3, с.13-25, 33-46 ].

1. Определяем ЭДС холостого хода выпрямителя при угле регулирования a=0;

Edo = Udн + DUxн + DUrн + DUa + DUфн = Udн + DUdн, (1.1.)

где; Udн – номинальное напряжение нагрузки при a=0 (берется из табл 1.1.).

DUxн =A* * Udн –коммутационное падение напряжения при номинальном токе (А=0,5 при qm=6 и А=0,87, если qm=3).

Таблица 1.1.

Номер варианта	Исходные данные
Idн, A	Udн, B	Cp= =	Uk %	N=	параметр схемы qm
			0.2	4.7	3.2	m=3 q=1
			0.4	8.2	3.0	m=3 q=2
			0.35	5.3	3.1	m=3 q=1
			0.3	5.5	2.8	m=3 q=1
			0.25	5.0	2.9	m=3 q=2
			0.15	5.0	2.4	m=3 q=2
			0.2	4.5	2.0	m=3 q=1
			0.15	7.0	2.1	m=3 q=2
			0.15	7.8	2.3	m=3 q=1
			0.2	6.0	2.2	m=3 q=2

Таблица 1.2.

DUrн = (0.015 ÷ 0.025)*Udн – падение напряжения в обмотках трансформатора;

DUa = (1,0 ÷ 1,2)*q – падение напряжения в тиристорах (q =1 при qm=3 и q=2 при qm=6);

DUфн =(0,01 ÷ 0,03)*Udн – падение напряжения в фильтре при номинальном токе нагрузки (отсюда может быть определено сопротивление обмотки сглаживающего дросселя

Rф=DUфн / Idн)

2. Пренебрегая коммутационными искажениями токов, определяем;

- расчетные параметры тиристоров (среднее и максимальное значение анодного тока при номинальном токе нагрузке и максимальную величину обратного напряжения):

Iaн= ; Iaн max = Idн, (1.2.)

(1.3.)

- параметры силового трансформатора (действующие значения вторичной ЭДС, вторичного и первичного токов, коэффициент трансформации, типовую мощность, приведенные ко вторичной обмотке активное и индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора);

E2= при qm=3; E2= при qm=6; Кт= (1.4.)

I2н= при qm=6; I2н= при qm=3; (1.5.)

I1н= *Idн при qm=6; I1н= *Idн при qm=3; (1.6.)

SТ=1.345*Edo*Idн при qm=3; (1.7.)

SТ=1.045*Edo*Idн при qm=6;

Za = ; Ra = ; Xa = , (1.8.)

где = 3 – фазность напряжения сети;

U1 = 220 В – действующее значение напряжения сети.

Численное значение N берется из табл1.1.

3. По данному диапазону регулирования выпрямленного напряжения определяем максимальную величину угла регулирования

α max = arсcos , (1.9.)

4. Для двух значений угла регулирования (a = 0 и a = a max)

рассчитать и построить внешние характеристики выпрямителя Ud=f(Id)

по шести значениям тока нагрузки Id = (0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; и 1,0) Idн

Uda=Edo*COSa - (DUx + DUr+DUa+DUф)=Eda - DUd, (1.10.)

где DUx = ; DUr = Ra* Id;

DUa = q*(Uо + Ia*R д); DUф=Id*Rф.

5. Для двух значений тока нагрузки (Id=0 и Id=Idн) рассчитать и построить регулировочные характеристики выпрямителя Uda=f(a):

Uda=Edo * COSa - DUd, (1.11.)

6. Для двух значений угла регулирования (a=0 и a = a max)

рассчитать и построить:

а) графики зависимости угла коммутации от тока нагрузки

g= arcсos * - a; (1.12)

б) графики зависимости входного коэффициента мощности от тока нагрузки x=n * cosj 1(1), (1.13.)

где cos j 1 (1) = - коэффициент сдвига основной гармоники входного тока относительно синусоиды напряжения сети;

n= - коэффициент искажения первичного тока

(n = 0,83 при qm = 3 и n = 0,955 при qm = 6);

в) графики зависимости КПД от тока нагрузки:

h= , (1.14.)

где; DPd = DPrТp + DPcТ + DPВ + DPф + DPвсn - суммарные потери (1.15.)

мощности в преобразовательной установке.

Полезная мощность в нагрузке и отдельные составляющие мощности потерь вычисляются по формулам

Pd = Uda * Id, (1.16.)

DPrТp = DUr * Id,

DPв=[Uo*Ia+(1.73*Ia)² * R д ] * NВ – мощность потерь в вентилях (Nв-число вентилей в схеме выпрямителя, Nв=6 при qm=6 и Nв=3 при qm=3);

DPcТ = (0.01 ÷ 0.02)*St = const – потери в стали;

DPф=DUф*Id – потери в фильтре;

DPвcn = (0.01 ÷ 0.02) *Pdн – вспомогательные потери.

Ниже приводится пример только расчета выпрямителя. Поскольку все расчетные соотношения даны в методической части задачи, в примере они повторяться не будут, а будут сразу подставляться числовые значения соответствующих величин. Студентам же следует придерживаться общепринятого правила: вначале записывается формула, затем в нее подставляются численные значения, и после этого приводится конечный результат.

При расчете усилительного каскада (задача N 2) эти указания остаются справедливыми.

Примечание. Временные диаграммы токов и напряжений, графические зависимости желательно выполнять на миллиметровой бумаги.

Пример расчета

Трехфазная мостовая схема (qm=6) работает на активно-индуктивную (Xd=¥) нагрузку. Номинальные ток и напряжение нагрузки Idн=120 A, Udн=270 В. Диапазон регулирования выпрямленного напряжения при номинальном токе 0,2 Udн £ Uda £ Udн (Cp=0,2).

Напряжение короткого замыкания и относительная величина мощности потерь короткого замыкания составляют Uk%=8, N=2,5.

1. Определяем приближенные значения составляющих падения выпрямленного напряжения и ЭДС холостого хода при a = 0.

DUxн = 0,5 = 10,8 В.

DUrн = 0,02 * 270 = 5,4 В.

DUa = 1 * 2 =2 B.

DUфн = 0,02 * 270 = 5,4 B, Rф = = 0,045 Ом.

Edo = 270+10,8+5,4+2+5,4= 270+23,6=293,6» 294 B.

2. Расчетные параметры тиристоров.

Iaн= =40 A; Iaн max = 120 A;

U в max = 1,045*294=307 В.

Выбираем в соответствии с табл.1.2 тиристор Т50 (предельный ток 50 А), класс вентиля 4 (повторяющееся напряжение 400 В). Параметры тиристора: Uo=1,2 B; R д =0,00336 Ом.

Расчетные параметры трансформатора

E2= =126 B; KТ= =1,75;

I2н = * 120=98 A; I1н= *120 = 56 A;

SТ = 1,045*294*120=36868 BA;

Zа= =0,103 Ом;

Ra= =0,032 Ом;

Xa= = 0,098 Ом.

3.Максимальная величина угла регулирования

a max = arcсos * = 75 эл.град.

4.Внешние характеристики. При расчете внешних характеристик воспользуемся формулой (1.10). Рекомендуется сохранять численные значения отдельных составляющих полного падения выпрямленного напряжения (они могут быть использованы в дальнейшем при расчете КПД установки) – табл 1.3.

Результаты расчетов для a=0 и a max =75 эл.град.

приведены для шести значений тока нагрузки в табл 1.4. и на рис 1.2.

5. Регулировочные характеристики рассчитываются по формуле (1.11)

Uda=294*cos a при Id=0,

Uda =294*cos a - 17,53 при Id=Idн

Результаты расчетов показаны в табл 1.5. и на рис 1.3 Uda=f(a).

6. Численные значения угла коммутации g в функции тока нагрузки вычисляются для a=0 и a=75 эл.град. по формуле (1.12)

DUd=f(Id)

Таблица 1.3.

Таблица 1.4.

Uda=f(Id) a=const

Таблица 1.5.

Uda=f(a)

g=arccos (cos 0 - * Id) – 0 = arccos (1-0,00064 * Id),

g= arccos (cos 1,31 - * Id) – 1,31 = arccos (0,259-0,00064 * Id) –1,31.

Результаты расчетов приведены в табл 1.6 и на рис 1.4 g=f(Id) (значения угла g пересчитаны в эл.град.).

Таблица 1.6.

При расчете зависимости входного коэффициента мощности X от тока нагрузки численные значения углов коммутации g при соответствующих значениях Id берем непосредственно из табл 1.6. Вычисления для a=0 и a=75 эл.град. ведем по формулам (соответственно):

X=0,955* = 0,4775(1+cos g).

X=0,955* =0,4775*[0,2588+cos(75+g)].

Результаты расчетов приведены в табл 1.7 и на рис 1.5

Таблица 1.7

x=f(Id)

Расчет коэффициента полезного действия выпрямителя h провести по формулам (1.14) ÷ (1.16). Начинаем с определения постоянных составляющих мощности потерь:

DPcТ=0,015*36868=553 Вт.

DPвcn=0,015*270*120=486 Вт.

При определении полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, значения Uda берем из табл 1.4, а при определении составляющих мощности потерь (кроме потерь в тиристорах) значения DUr и DUф берем из табл 1.3. Формула для расчета мощности потерь в тиристорах после выполнения необходимых преобразований принимает вид DPв = (2,4 + 0,0067*Id)*Id.

Результаты расчетов приведены в табл 1.8 на рис 1.6 h=f(Id)

Таблица 1.8

h=f(Id)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………………………..2

Тема 1. Полупроводниковые приборы………………………………………………….3

Тема 2. Усилители и генераторы электрических сигналов………………………….5

Тема 3. Элементы импульсной техники………………………………………………..9

Тема 4. Выпрямители переменного тока……………………………………………….11

Тема 5. Управляемые вентильные преобразователи…………………………………13

Задача N 1……………………………………………………………………………………15