Исследование трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Цель работы

Целью работы является исследование трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. и с обратным диодом.

В лабораторной работе исследуются внешние, энергетические, регулировочные характеристики выпрямителя, а также рассматривается гармонический состав потребляемого преобразователем тока.

Лабораторная работа позволяет закрепить теоретические знания о принципе действия и характеристиках трехфазного мостового выпрямителя, освоить моделирование полупроводниковых преобразователей в программе Simulink.

Теоретические сведения к лабораторной работе

Одной из наиболее распространенных среди всех схем выпрямления является трехфазная мостовая схема (схема Ларионова), изображенная на рисунке 4.

Рисунок 4 – Трехфазная мостовая схема

Трехфазная мостовая схема обладает высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками: наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности и высокой частотой пульсаций (шестипульсная) выпрямленного напряжения.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В левой группе (VD1, VD3, VD5) вентили соединены катодами (катодная группа), а в правой (VD4, VD6, VD2) – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Особенность работы управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол α момента отпирания очередных тиристоров относительно точек естественного отпирания. На рисунке 5 приведены диаграммы токов и напряжений, поясняющие работу выпрямителя на активную нагрузку при α=30°, 60° и 90°.

Рисунок 5 – Диаграммы работы трехфазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку

 

Как видно из диаграмм при α≤60° кривые выпрямленного тока и напряжения (U_d и i_d) непрерывны. При этом зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования (регулировочная характеристика) определяется выражением:

,

где .

Для активной нагрузки угол α=60° является критическим и при дальнейшем его увеличении в кривых U_d и i_d появляются паузы – работа выпрямителя в режиме прерывистых токов. Для индуктивной нагрузки критическим является угол α=90°.

На рисунке 6 приведены регулировочные характеристики трехфазного выпрямителя при работе на индуктивную (а) и активную (б) нагрузки.

Рисунок 6 – Регулировочные характеристики трехфазного управляемого выпрямителя

 

При рассмотрении работы управляемого трехфазного выпрямителя необходимо особое внимание уделить его энергетическим показателям. Это связано с тем, что управляемый выпрямитель отрицательно влияет на питающую сеть переменного тока. Во-первых, он потребляет из сети несинусоидальный ток. Во-вторых, он сдвигает фазу потребляемого тока относительно питающего напряжения.

Описание виртуальной лабораторной установки

Виртуальная лабораторная установка для исследования работы трехфазного управляемого выпрямителя показана на рисунке 7. Для построения модели выпрямителя необходимы следующие блоки:

· трехфазный программируемый источник синусоидального напряжения 3-Phase Programmable Voltage Source;

· блок 3-Phase Series RLC Branch,моделирующий комплексное активное и реактивное сопротивление трансформатора;

· блок Universal Bridge, моделирующий мостовую схему соединения вентилей;

· блок управления трехфазным мостовым управляемым выпрямителем Synchronized 6-Pulse Generator, где угол управления α задается блоком Constant;

· последовательная RLC цепь Series RLC Branch, моделирующая нагрузку выпрямителя;

· источник постоянного тока DC Voltage Source, моделирующий противо-э.д.с в нагрузке;

· блоки Fourier измерения гармонических составляющих сигнала, где блок «Fourier Ia» измеряет гармоническую составляющую тока питания и начальную фазу этого тока; блоки «Fourier In» и «Fourier Un» измеряют среднее значение тока и напряжения на нагрузке, блок «Fourier It» измеряет гармоническую составляющую тока тиристора;

· блок «RMS It» измеряет действующее значение тока в тиристоре.

Порядок и методика выполнения лабораторной работы

1. Составить модель трехфазного мостового выпрямителя, изображенную на рисунке 7 (раздел «Описание виртуальной лабораторной установки»).

2. Во вкладке Simulation/Configuration parameters установить параметры моделирования (рисунок 1). В поле Solver выбрать метод ode23tb. В поле Max step size установить значение шага моделирования, это же значение занести в поле Sample time всех блоков, которые имеют это поле.

3. Установить параметры всех блоков, составляющих модель выпрямителя.

Параметры источника питания установить согласно приложению 1: в блоке Three-Phase Programmable Voltage Source установить амплитуду напряжения равную линейному напряжению вторичной обмотки трансформатора U₂ (приложение 1).

В блоке Three-Phase Series RLC Branch установить активное сопротивление одной фазы трансформатора (r_2КТ) и индуктивность рассеяния трансформатора (L_Т), приведенные к вторичной обмотке.

Комплексное сопротивление одной фазы трансформатора:

,

где U_К – напряжение КЗ трансформатора, % (приложение 1),

S – мощность трансформатора, ВА (приложение 1).

Активное сопротивление фазы трансформатора:

,

где P_КЗ – активная мощность потерь короткого замыкания, Вт (приложение 1).

Реактивное сопротивление фазы трансформатора:

.

Индуктивность рассеяния трансформатора:

,

где f – частота питающей сети.

Параметры диода и универсального моста устанавливаются согласно приведенным выше настройкам (раздел «Краткое описание используемых блоков и первоначальная настройка параметров моделирования»).

Параметры блоков Series RLC Branch и DC Voltage Source, моделирующих соответственно нагрузку выпрямителя и противо-э.д.с в нагрузке, устанавливаются согласно приложению 2, т.к. в качестве нагрузки выступает двигатель постоянного тока.

Для получения среднего значения тока (напряжения) в настройках блока Fourier необходимо задать номер гармоники – 0.

4. Снять внешние и энергетические характеристики выпрямителя.

При снятии внешних характеристик параметры RL-нагрузки остаются без изменений, противо-э.д.с. нагрузки изменяется в диапазоне от номинального напряжения преобразователя до 0 (фиксируются 8–10 точек).

Внешние характеристики снимаются для трех значений угла управления: α=0 гр., 45 гр. и 80 гр. Результаты моделирования заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Данные	Измерения	Вычисления
α, гр.	E, В	Iн, А	Uн, В	I1(1)max, А	φ1, гр.	Iт0, А	Iт, А	S1(1), ВА	Pт, Вт	P1(1), Вт	Pн, Вт

 

Необходимо сохранить графики переходных процессов одного из экспериментов в виде картинки для отчета.

Полная и активная мощность по первой гармонике, потребляемая выпрямителем из сети, рассчитывается по выражениям:

где U_1.max – амплитудное значение фазного напряжения,

, В,

I_1.max – амплитуда первой гармоники потребляемого тока, А,

φ₁ – начальная фаза потребляемого тока.

Мощность в нагрузке определяется по выражению:

,

где U_н – среднее значение напряжения на нагрузке, В,

I_н – среднее значение тока нагрузки, А

Потери в тиристоре управляемого выпрямителя рассчитываются по выражению:

,

где U_Т – падение напряжения на тиристоре, В,

I_ТО – среднее значение тока тиристора, А,

I_Т – действующее значение тока тиристора, А,

R_ON – сопротивление тиристора во включенном состоянии, Ом.

5. Снять регулировочные характеристики выпрямителя.

При снятии регулировочной характеристики угол управления α изменять в диапазоне от 0 до 120 градусов, параметры нагрузки при этом остаются постоянными. При снятии характеристики следует задать противо-э.д.с. двигателя равным нулю и активное сопротивление увеличить в 20 раз для ограничения тока нагрузки. Регулировочная характеристика снимается:

· для активно-индуктивной нагрузки с номинальными параметрами нагрузки и обратным диодом,

· для активно-индуктивной нагрузки с номинальными параметрами нагрузки без обратного диода,

· для активно-индуктивной нагрузки с большим значением индуктивности (L_Н=R_Н) без обратного диода,

· для активной нагрузки без обратного диода.

Результаты моделирования заносятся в таблицу 3.

Таблица 3

α, гр.	Uн, В

 

6. Получить номинальный режим работы преобразователя, подобрав значения угла управления α и противо-э.д.с., добившись при этом номинальных значений тока и напряжения на нагрузке. Сохранить графики переходных процессов в виде картинки для отчета.

7. Исследовать гармонические составляющие тока потребляемого выпрямителем при номинальном режиме и режиме работы на большую индуктивность (L_Н=R_Н).

Для просмотра гармонического спектра кривой потребляемого тока необходимо вызвать окно блока «powergui», дважды щелкнув на нем левой кнопкой мыши. Затем необходимо выбрать раздел FFT Analysis. Окно настройки вывода амплитудного спектра тока показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Раздел FFT Analysis блока “powergui”: данные гармонического анализа кривой потребляемого тока

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен включать:

5. Цель работы;

6. Схема виртуальной лабораторной установки.

7. Расчеты параметров источника питания согласно пункту 3 методики выполнения лабораторной работы.

8. Таблицы с результатами моделирования и вычислений (пункт 4 методики выполнения лабораторной работы).

9. Внешние U_Н = f(I_Н) и энергетические I₁(1)_max = f(I_Н), S₁(1), P₁(1), P_Т = f(P_Н) характеристики выпрямителя (пункт 4 методики выполнения лабораторной работы).

10. Формы кривых токов и напряжений (блок Scope), снимаемых в одном из опытов пункта 4 методики выполнения лабораторной работы с указанием номера эксперимента.

11. Таблицы с результатами моделирования (пункт 5 методики выполнения лабораторной работы).

12. Регулировочные характеристики выпрямителя.

13. Формы кривых токов и напряжений при номинальном режиме работы преобразователя.

14. Гармонический состав тока потребления.

15. Выводы по работе.

 

Лабораторная работа №3