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 Сd 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 Ld. 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 2 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 uс (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 kт1=w2/w1. При угле отпирания тиристор V1 (либо V3) открывается и коэффициент трансформации становится равным kт2 = 2w2 /w1. Таким образом, коэффициент трансформации в момент отпирания тиристора скачкообразно возрастает в п раз, где п = kт2 / kт1. 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 (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 Рн 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 Rm = 400 и Lm = 400;

· активное сопротивление нагрузки Rd ном= 10 Ом;

· индуктивность нагрузки Ld = 100 мГн;

· емкость конденсатора Сd=2000 мкФ.

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

5. Изменяя сопротивление нагрузки Rd для = 0 измерить:

· ток Id и напряжение Ud нагрузки;

· среднее Iа ср и действующее Iа д значения тока тиристора;

· амплитуду I1(1)max и фазу 1 первой гармоники тока источника питания;

· снять временные диаграммы токов id, ia, i2, i1 и напряжений ud, uак для режимов прерывистого и непрерывного тока нагрузки.

6. Повторить измерения п. 5 для углов = 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; U1н = 220 В.

Результаты вычислений занести в таблицу.

8. По результатам, занесенным в таблицу, построить:

· нагрузочные характеристики выпрямителя Ud = f (Id) для различных значений ;

· энергетические характеристики выпрямителя:

, .

9. Для одного из углов и Rd ном определить отношение Id / Ia ср и Id / Ia 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 Id / Ia ср и Id / Ia 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 и изменять сопротивление нагрузки? В каком диапазоне изменять Rd?

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 ?

11. Изобразите регулировочную характеристику исследуемого выпрямителя.