Исследование схем трехфазных управляемых выпрямителей

В комплект лабораторной установки входят следующие модули: «Тиристорный преобразователь», «Нагрузка», «Модуль питания», «Преобразователь частоты», «Мультиметры», модуль «Измерительный» и «Измеритель мощности».

Лицевая панель модуля «Тиристорный преобразователь» представлена на рис. 1. На ней изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы, а также гнезда для внешних соединений (Х1 ‑ Х20). На мнемосхеме показаны трансформатор TV и реверсивный тиристорный преобразователь, состоящий из комплекта «Вперед» (UZI) и комплекта «Назад» (UZ2). С помощью тумблера SA1 устанавливаются заданные параметры трансформатора (фактически подключаются дополнительные реакторы). Параметры трансформатора в зависимости от положения тумблера SA1приведены в табл. 1.

Таблица 1

В модуле установлена система управления (СУ) преобразователя, построенная на основе микроконтроллера. При подаче напряжения на гнезда А, В, С микроконтроллер СУ обеспечивает требуемый порядок включения элементов схемы, в том числе контактора К1, и подачу управляющих импульсов на тиристоры в соответствии с заданным углом управления. Потенциометр RP1 служит для регулирования напряжения на входе системы управления СУ с целью установки требуемого угла управления. Измерительный прибор Р1 служит для измерения угла управления α. В данной работе потенциометр RP1 необходимо выкрутить в крайнее правое положение, соответствующее углу управления α≈0 для верхнего комплекта тиристоров (UZI).

В модуле «Тиристорный преобразователь» установлены датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН), служащие для осциллографирования напряжений и токов в схеме. На гнезда XI6 и X17 подаются сигналы напряжения, а на гнезда XI9 и Х20 ‑ сигналы тока. Гнезда X15, X18 и общий провод «^» служат для подключения выходных цепей ДН и ДТ к осциллографу.

Рис. 1. Модуль «Тиристорный Рис. 2. Модуль «Нагрузка» преобразователь»

Коэффициент преобразования датчиков напряжения k_н = 40, коэффициент преобразования датчиков тока k_т = 0,25 А/В. Фактические значения напряжения и тока определяются умножением значений, измеренных при помощи осциллографа, на соответствующий коэффициент датчика.

С помощью тумблеров SA2 и SA3 изменяется полоса пропускания датчиков, что позволяет наблюдать на экране осциллографа сигнал (положение «2») или его первую гармонику (положение «1»).

Питание модуля «Тиристорный преобразователь» осуществляется через гнезда А, В, С на лицевой панели от источника трехфазного переменного напряжения (линейное напряжение 380 В) через автомат QF2, расположенный в модуле питания. Питание для системы управления подается на тыльную сторону модуля через разъем СНП. Максимальный выпрямленный ток установки не должен превышать I_d = 1 А. Модуль «Тиристорный преобразователь» снабжен защитой от перегрузки, срабатывающей при токе I_d= 2 А.

Нагрузкой для модуля «Тиристорный преобразователь» является модуль «Нагрузка» (рис. 2). Она обеспечивает работу исследуемого преобразователя на активно-индуктивную нагрузку и на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС (ПЭДС). На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. В нагрузке регулируются только активные сопротивления, а индуктивности остаются почти неизменными. Регулирование производится переключателем SA1. Значения резисторов, соответствующие положениям переключателя, приведены в табл. 2.

Таблица 2

В данной работе используется одна фаза модуля «Нагрузка». Сглаживающий реактор L1 индуктивностью 80 мГн вместе с резистором RP1 выполняют роль регулируемой активно-индуктивной нагрузки. Для уменьшения нагрева резисторов нагрузки рекомендуется 2 фазы активных сопротивлений нагрузки (RP1, RP2) включить в параллель. Работа на ПЭДС имитируется подключением параллельно активной нагрузке конденсаторов С1 - СЗ всех трех фаз. Емкость каждого конденсатора 10 мкФ.

1. Порядок включения и выключения установки

1. Собрать схему эксперимента для выполнения лабораторной работы.

2. В модуле «Тиристорный преобразователь» переключить тумблерSA1 в положение 1, соответствующее заданным параметрам трансформатора.

3. Установить переключательSA1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение).

4. Включить «Сеть» модуля «Тиристорный преобразователь».

5. Включить автоматQF1 «Модуля питания стенда», включить автоматQF2«Модуля питания».

6. В модуле «Тиристорный преобразователь» установить заданный угол управления потенциометромRP1.

7. Установить переключателемSA1 необходимое сопротивление на модуле «Нагрузка».

При включенном автоматеQF2 «Модуля питания» запрещается изменять места включения измерительных модулей и производить другие пересоединения.

Порядок выключения - обратный. Выключатель «Модуля питания стенда» выключается только в конце работы.

При срабатывании защиты загорается красный светодиод «Защита» и начинает мигать цифровой индикатор. Необходимо выключить «Сеть» модуля «Тиристорный преобразователь» и автомат QF2 модуля питания. После чего, устранив причину замыкания, произвести повторное включение. Если «перепутаны» фазы, то мигают зеленые светодиоды этих фаз, при этом преобразователь работает в нормальном режиме, т.к. система управления скорректирует подачу импульсов на тиристоры.

2. Экспериментальное исследование трехфазной мостовой схемы выпрямления при работе на активную нагрузку:

а) собрать схему для исследования трехфазной мостовой схемы при работе на активную нагрузку в соответствии с рис. 3 (не подключать индуктивность L1). Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.

В табл. 4 приведены измерительные приборы, а в табл. 5 ‑ датчики тока и напряжения, используемые в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис. 3).

Рис.3 Схема исследования трехфазного управляемого выпрямителя

Таблица 4

Таблица 5

Тумблеры SA2 и SA3датчиков напряжения (ДН1 - ДН2) и тока (ДТ1 - ДТ2) в модулях «Тиристорный преобразователь» и «Преобразователь частоты» установить в положение «2» (фильтр выключен). Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл. 4;

б) снять осциллограммы анодного тока i_a и анодного напряжения и_а при помощи осциллографа. Для этого подключить выходы осциллографа к датчику напряжения ДН1 (канал СН1 - гнездо Х9) и датчику тока ДТ1 (канал СH2 - гнездо XI2, корпус осциллографа соединить с гнездом «^» датчика тока ДТ1). Выполнить необходимые операции, указанные в порядке включения установки. Включить тумблер «Сеть» в модуле «Измеритель мощности». Потенциометром RP1 в модуле «Тиристорный преобразователь» установить заданное значение угла управления α1 (по прибору P1). Переключателем SA1 в модуле «Нагрузка» установить заданное значение сопротивление нагрузки R_d. Проверить с помощью осциллографа соответствие угла α1 заданному, зарисовать с экрана осциллографа ток через вентиль i_a и напряжение на вентиле и_а. Записать масштабы по напряжению и времени (углу), а также учесть коэффициенты датчиков напряжения и тока;

в) снять осциллограммы выпрямленного напряжения u_d и тока i_d. Для этого подключить выходы осциллографа к датчику напряжения ДН2 (канал СН1 ‑ гнездо X15) и датчику тока ДТ2 (канал СH2 - гнездо X18, корпус осциллографа соединить с гнездом «^» датчика тока ДТ2). Проверить величину заданного угла α1 и сопротивление нагрузки R_d согласно таблице вариантов. Зарисовать с экрана осциллографа осциллограммы u_d и i_d в тех же масштабах;

г) с помощью измерительных приборов сделать замеры среднего значения анодного тока I_a, выпрямленного напряжения U_d и первичного тока I₁ трансформатора для заданного сопротивления нагрузки R_d и угла α1. Замерить вторичное напряжение U₂ при I_d ≈0 (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение);

д) снять регулировочную характеристику выпрямителя U_d = F(α). Характеристики снимать, изменяя угол α ручкой потенциометра RP1 в модуле «Тиристорный преобразователь» так, чтобы выпрямленное напряжение U_d изменялось в диапазоне от максимального значения до нуля;

е) снять внешние характеристики U_d = F(I_d) при заданном значении α1 и при α2 = α1+15°. Характеристики снимать, изменяя ток нагрузки I_d переключателем SA1 в модуле «Нагрузка». Снизить ток нагрузки I_d до нуля (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение), выключить автомат QF2 «Модуля питания»;

3. Экспериментальное исследование трехфазной мостовой схемы выпрямления при работе на активную активно-индуктивную нагрузку:

а) собрать схему для исследования трехфазной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку в соответствии с рис. 3. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.

б) снять осциллограммы анодного тока i_a и анодного напряжения и_а при помощи осциллографа для того же самого угла управления α1, что и в пункте 2, б. Для этого подключить выходы осциллографа к датчику напряжения ДН1 (канал СН1 - гнездо Х9) и датчику тока ДТ1 (канал СH2 - гнездо XI2, корпус осциллографа соединить с гнездом «^» датчика тока ДТ1). Переключателем SA1 в модуле «Нагрузка» установить заданное значение сопротивление нагрузки R_d. Зарисовать с экрана осциллографа ток через вентиль i_a и напряжение на вентиле и_а. Записать масштабы по напряжению и времени (углу), а также учесть коэффициенты датчиков напряжения и тока;

в) снять осциллограммы выпрямленного напряжения u_d и тока i_d. Для этого подключить выходы осциллографа к датчику напряжения ДН2 (канал СН1 ‑ гнездо X15) и датчику тока ДТ2 (канал СH2 - гнездо X18, корпус осциллографа соединить с гнездом «^» датчика тока ДТ2). Зарисовать с экрана осциллографа осциллограммы u_d и i_d в тех же масштабах;

г) с помощью измерительных приборов сделать замеры среднего значения анодного тока I_a, выпрямленного напряжения U_d и первичного тока I₁ трансформатора для заданного сопротивления нагрузки R_d и угла α1. Замерить вторичное напряжение U₂ при I_d ≈0 (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение);

д) снять регулировочную характеристику выпрямителя U_d = F (α) при двух значениях сопротивления нагрузки. Характеристики снимать, изменяя угол α ручкой потенциометра RP1 в модуле «Тиристорный преобразователь» так, чтобы выпрямленное напряжение U_d изменялось в диапазоне от максимального значения до нуля. Построить характеристики на одном графике;

е) снять внешние характеристики U_d = F(I_d) при заданном значении α1 и при α2 = α1+15°. Характеристики снимать, изменяя ток нагрузки I_d переключателем SA1 в модуле «Нагрузка». При снятии характеристик отметить точку перехода от непрерывного режима к прерывистому. Снизить ток нагрузки I_d до нуля (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение), выключить автомат QF2 «Модуля питания»;

ж) установить другие параметры трансформатора переключением тумблера SA1 в модуле «Тиристорный преобразователь». Включить автомат QF2 «Модуля питания» и снова снять внешнюю характеристику при заданных углых α1 и α2. Построить все внешние характеристики на одном графике;

з) установить тот же угол α1, и сопротивление нагрузки R_d, что и в п. 3 б. Снять осциллограмму u_d в том же масштабе, что и раньше. Сравнить углы коммутации γ.

Снизить ток нагрузки I_d до нуля (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение), выключить автомат QF2 «Модуля питания».

4. Задание для домашней проработки.

а) Рассчитать угол коммутации g для используемого в лабораторной работе угла регулирования α и тока нагрузки I_d. Угол g рекомендуется определить из соотношения

. (1)

Ток в цепи нагрузки I_d для управляемого выпрямителя, работающего в непрерывном режиме, приближенно можно оценить из выражения

; (2)

б) Построить в масштабе друг под другом временные диаграммы вторичных ЭДС, выпрямленного напряжения u_d, тока нагрузки i_d (при xj = ¥), тока вентиля i_a, напряжения на вентиле u_a и первичного тока трансформатора i₁ с учетом заданных значений Е₂, α1, I_d и рассчитанного γ.

в) рассчитать среднее значение выпрямленного напряжения U_d, ток вентиля I_a, вторичный I₂ и первичный I₁ токи трансформатора для заданного значения тока I_d. Среднее значение выпрямленного напряжения при заданном значении угла управления α и тока нагрузки I_d можно определить из уравнения внешней характеристики для непрерывного режима

, (3)

где - пороговое напряжение тиристора;

r_т - дифференциальное сопротивление тиристора в открытом состоянии;

r_a, x_a - анодные активное и индуктивное сопротивления (сопротивления схемы замещения трансформатора, приведенные к стороне вентилей).

Коэффициент схемы а, пульсность схемы m и напряжение идеального холостого хода U_d0 определяются видом схемы:

‑ для трехфазной нулевой схемы: а = 1, m = 3, U_d0= 1,17 E₂;

‑ для трехфазной мостовой схемы: a = 2,m = 6, U_d0 = 2,34 Е₂.

При расчете принять = 1 В, r_т = 0,05 Ом, E₂ = U₂ на холостом ходу.

Таблица 3

Схема	Ia	I1	I2
Трехфазная нулевая
Трехфазная мостовая

Формулы для расчета анодного тока вентиля I_а, действующих значений вторичного U₂ и первичного I₁токов трансформатора приведены в табл. 3. Примечание. Коэффициент трансформации n=U₁/U₂ .