Описание лабораторной установки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

 

Кафедра "Робототехника и мехатроника

 

Управляемый однофазный двухполупериодный

Тиристорный преобразователь

 

                                              Методические указания

                         к выполнению лабораторной работы по дисциплине

 

«Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических систем»

 

                                                            

 

 

                                                               

 

                                                             Разработали:  Н.Ф. Карнаухов

                                                                                         М.Н. Филимонов

 

 

                                          

                                               Ростов - на -Дону.

                                                        2018

 

 

                                      

 

Цель работы  

     Целью лабораторной работы является изучение принципиальной схемы  однофазного двухполупериодного тиристорного преобразователя (ТП) с управлением от системы импульсно-фазового управления (СИФУ),  исследование внешних характеристик ТП при работе на активную и индуктивную нагрузки в зонах непрерывных и прерывистых токов.  

Описание лабораторной установки

       В лабораторной работе исследуется тиристорный преобразователь с импульсно-фазовым принципом управления. Управляемый выпрямитель, принципиальная схема которого показана на рис.1, структурно состоит из двух блоков: блока управления и силового блока.    

 

 

Рисунок 1- Принципиальная схема управления двухполупериодного ТП

 

 

       В блок управления входят: фазовращающий мост, состоящий из двух половин обмотки W ₄ , силовой трансформатор Т1 с фазовращающей R_фC₁ - цепочкой; а  также  формирователь  управляющих  импульсов силовыми полупроводниковыми приборами (СПП) - тиристорами  VS₁₀, VS₁₁.  Формирователь управляющих импульсов состоит из транзисторов VT₁ и VT₂, попеременно работающих в ключевом режиме, осуществляя дифференцирование сигналов в цепи C₄R₁₆ и C₅R₁₇. Диоды VD₆ и VD₇  выполняют задачу «фазирования» напряжений на силовых обмотках W2 силового трансформатора Т1  и переменного напряжения на обмотках управления W4, а также обеспечивают температурную стабилизацию транзисторов и их поочередное открывание.

        Силовой блок представляет собой обычную двухполупериодную схему выпрямления переменного напряжения через СПП в постоянное напряжение  со средней точкой вторичной обмотки W₂ силового трансформатора Т1.  

В качестве силовых полупроводниковых приборов (СПП) используются полууправляемые  тиристоры VS₁₀ и VS₁₁.

   При изменении сопротивления резистора фазовращателя R_ф изменяется фаза синусоидального напряжения управления (клеммы Гн 4, Гн 9), которое поступает на вход формирователя импульсов, собранного на транзисторах VT₁ и VT₂. Диоды VD₆ и VD₇ обеспечивают поочередное открывание транзисторов соответственно  положительной и отрицательной полуволнам выходного напряжения U_1-2 . Предварительная зарядка конденсаторов  C₄,C₅ осуществляется от диодного моста VD1- VD4 через резисторный П-образный RC –фильтр (C2, R11, C3), резисторы R14,R15. При поступлении на базы транзисторов VT₁ и VT_2. управляющих в противофазе сигналов на цепи соответственно C₄R₁₆ и C₅R₁₇ подается напряжение практически прямоугольной формы. В результате дифференцирования на резисторах R₁₆ и R₁₇ формируются короткие импульсы отрицательной и положительной полярности. Импульсы отрицательной полярности сглаживаются диодами VD₈ и VD₉ , а положительные управляющие импульсы запирают диоды VD₈,VD₉ и подаются на управляющие электроды тиристоров VS₁₀ и VS₁₁. Углы фаз управляющих импульсов, а следовательно, и величина выходного напряжения U_н, могут изменяться и определяются значением сопротивления резистора R_ф (положением рукоятки переключателя R_ф), которое в совокупности с резисторами R₁₂ и R₁₃  выполняет ограничение тока баз транзисторов VT₁ и VT_2.

        Все необходимые измерения выполняются контрольно-измерительными устройствами: осциллографом и вольтметрами переменного тока и постоянного тока, а результаты исследований заносятся в таблицу измерений № 1 при соответствующих режимах работы ТП.

 

      Таблица №1.  

 

Положение переключателя Рф		1	2	3	4	5	6	7
Величины сопротивления фазовращателя  Rф, кОм		15,7	6,6	3,3	1,8	1,5	1,1	0,8
Угол	Расчетный
регулирования, Θ	Экспериментальный
Среднее значение	Rн = 20 Ом
напряжения на нагрузке Uн, В	Rн = 120 Ом
Среднее значение	Rн = 20 Ом
выпрямленного тока Iн,А	Rн = 120 Ом
Среднее значение	Rн = 20 Ом
напряжения при RL нагрузке Uн, В	Rн = 120 Ом
Среднее значение	Rн = 20 Ом
выпрямленного тока при RL нагрузке Uн, В	Rн = 120 Ом

 

 

 

                                   3. Порядок выполнения работы

 

1. Перед включением стенда (рис.2) все органы управления установить в (нейтральное или начальное) положение, зафиксировать в этом положении. Самостоятельно выбрать измерительные приборы, подготовить их к включению, установить ожидаемые пределы измерений.

   2. Изучить устройство и работу схемы.

3. Произвести измерения, построить экспериментальную и расчетную градуировочные характеристики фазовращателя Θ_экс= f(R_ф) и Θ_рас= f(R_ф), т.е. определить

 

                

 Рис 2. Общий вид стенда по исследованию тиристорного преобразователя

 

углы сдвига фазы управляющих импульсов для каждого положения переключателя R_ф. Угол Θ определяется экспериментально с помощью осциллографа. Методика определения угла Θ заключается в развертывании на экране осциллографа одного полупериода анодного напряжения длительностью 180 град. электр.  при длине полупериода 100 мм. Регулируя значение резистора  R_ф, необходимо фиксировать соответствующие изменения угла управления Θ, а затем построить искомую зависимость. Расчетным путем угол Θ может быть определен по формуле

                                      Θ^ο_рас = -2 arctg R_фωС₁,                                (1)

где R_ф – активное сопротивление плеча моста фазовращателя, задаваемое с помощью переключателя R_ф         (см. таблица № 1);

С₁ – емкость конденсатора, равная 2 мкф; ω – круговая частота.

Измеренные и рассчитанные данные следует занести в соответствующие строки таблицы № 1.

4. Произвести измерения и построить регулировочную характеристику преобразователя (выпрямителя)        U_н = f(Θ^ο) и I_н= f(Θ^ο) при активной нагрузке. Пункт 4 задания выполняется одновременно с предыдущим. На каждом положении регулятора R_ф измеряются средние значения выпрямленного напряжения U_н (по вольтметру ИП2) для двух значений сопротивлений нагрузки R_н = 20 Ом и R_н = 120 Ом.

Активная нагрузка включается тумблером В₂ (положение R).

Величины угла Θ контролируются по осциллографу.

      5. Произвести измерения и построить регулировочную характеристику выпрямителя при активно – индуктивной (RL) нагрузке. Для этого тумблер В₂ установить в положение «RL». Действуя аналогично пункту 4, выполнить измерения и построить регулировочную характеристику. Результаты наблюдений заносятся также в таблицу №1.

      6. При помощи кнопки осциллографа «уровень» «застабилизировать» исследуемую искомую зависимость на экране. Построить полученные зависимости,   пояснить полученные формы кривых напряжений при активной и смешанной нагрузках c привязкой диаграмм к временной оси для двух значений углов регулирования (например, 0 и 90 эл. градусов) в следующих точках принципиальной схемы:

   а) на коллекторах транзисторов VT₁ и VT₂ (Гн 4, Гн 5 – Гн 11);

б) на аноде тиристора VS_10, VS₁₁ соответственно (Гн12 – Гн18);

 в) на управляющем электроде тиристоров VS₁₀ и VS₁₁ (Гн 6, Гн 8, Гн 18);

г) напряжение между анодом и катодом тиристора VS₁₁ (Гн 10 – Гн 11);

д) напряжение на нагрузке (Гн 11 – Гн 18);

      7. Измерить коэффициент пульсации выходного напряжения для двух значений угла сдвига фаз управляющих импульсов и двух значений нагрузки.

Например, для Θ^ο = 30^ο и  Θ^ο = 90^ο , и R_н = 20 Ом и R_н = 120 Ом.

     Для каждого значения R_н и Θ_н посредством вольтметра переменного тока с закрытым входом (через емкость) измеряется напряжение переменной составляющей, действующее на выходе выпрямителя U второй гармоники, а вольтметром постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения U_ср, рассчитать коэффициенты  пульсаций.

   8. Дать оценку ожидаемых погрешностей выполненных измерений. 

                 

              4.  Вопросы для самостоятельной проработки  

         

 1. Какой элемент схемы ограничивает минимальный ток якоря при управлении напряжением на ДПТ при регулировании скорости?

 2. Поясните физические основы регулирования угла управления Θ^ο при изменении параметра R_ф с использованием диаграммы напряжений в RLC-цепи?

3. Какие параметры (координаты) схемы изменяются  при регулировании угла управления (Θ^ο эл.) тиристором?

4. Какие последствия можно ожидать в схеме, если увеличить (уменьшить) значение резисторов R14, R16?  

 

         5. Тесты для проверки степени усвоения материала

 

1. При управлении тиристорами VS₁₀ и VS₁₁ возможны случаи управления различными по ширине импульсами управления, что может привести к сбою работы управляемого преобразователя. Какие мероприятия следует выполнить для выравнивания управляющих импульсов по ширине?

 а)  Уменьшить значение-параметр резистора R14,R16,

 б) Увеличить значение емкости конденсатора C4,C5;

   в) Уменьшить значение резистора R15,R17.

2. В цепь протекания тока якоря ДПТ для снижения коэффициента пульсации в ТП устанавливается сглаживающий дроссель. Поясните, в каком случае целесообразнее установить сглаживающий дроссель с воздушным зазором δ при:

 - изменении тока в широком диапазоне,

 - изменении тока не более 0,5 от номинального значения;

 - изменении тока в пределах номинального значения тока якоря.

3. Напряжение на анодах тиристоров VS₁₀ и VS₁₁  должно соответствовать полярности управляющих импульсов. Когда в схеме будет наблюдаться нормальное регулирование выходного напряжения на ДПТ?

- при изменении (очередности) или (фазности) подсоединения выводов вторичной обмотки W2,

- управляющие импульсы «сфазированы» с анодным напряжением;

- управляющие импульсы не «сфазированы» с анодным напряжением.

                   

                6. Требования к написанию отчета

 

      Оформленный и представленный к защите отчет должен содержать:

   6.1. Цель работы.

   6.2.  Принципиальную электрическую схему исследуемого двухполупериодного тиристорного выпрямителя.

   6.3. Таблицу выполненных наблюдений и экспериментально полученных данных.

   6.4. Графики построенных зависимостей в соответствии с порядком выполнения работы, пояснения к графикам, выводы.

    6.5.  Заключение по результатам выполненных исследований.