Исследование управляемого тиристорного выпрямителя

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №19
ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ТИРИСТОРНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Ознакомиться с импульсно-фазовым способом управления тиристором.
Изучить принци действия и устройство однофазного управляемого тиристорного выпрямителя.
Снять временные диаграммы и угловую характериситику управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку.
1. Описание лабораторной установки
Исследуемый однофазный управляемый выпрямитель (рис.1) содержит:
1) тиристор Т, включенный по однополупериодной схеме выпрямления;
2) фазосмещающее устройство - мостовой фазовращатель МФВ;
3) блок формирования импульсов БФИ;
4) блок питания схемы управления БПУ.
Управляемый выпрямитель позволяет изменять величину выпрямленного
напряжения. Регулирование напрячжения на выходе выпрямителя сводится к
управлению моментом отпирания тиристора Т. Это достигается за счет изменения сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, падаваемым на
управляющий электрод тиристора.
В схеме реализован импульсно-фазовый способ управления по, так называемому, “горизонтальному принципу”. На управляющий электрод тиристора
подаются импульсы напряжения UY (рис.2), которые могут сдвигаться во времени по отношению к моменту появления положительной полуволны напряжения на аноде тиристора. В результате меняется момент отпирания тиристора.
Начиная с этого момента и до конца положительной полуволны анодного
напряжения тиристор находится в открытом состоянии.
Фазовый сдвиг , соответствующий моменту отпирания тиристора, называется углом управления.
При работе выпрямителя на активную нагрузку RH, среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением:
(1)
1  cos 
U 
U0
2
где U0 - среднее значение напряжения неуправляемого выпрямителя.
Д2
Тр-3
Д3
БПУ
R6
~ 220
+
C3
+
C2
Д4
Тр-2
120o
60o
150o
30o
V2
180o
0o
Тр-1
БФИ
R1
R3
a
c
~ 220
b
C4
k
d
МФИ
~ 220
Д5
R2
n
T
R5
Д1
g
A1
h
m
V1
R4
C1
V
RH
e
p
Рис. 1
q
На рис. 2 (а), (б), (в) изображены кривые выпрямленного напряжения
U = U0
U
= 0
0
а)
t
Uy
U  = U 0/2
U
t
0
 = 90
б)
t
Uy
t

 = 180
U
0
U = 0
t
в)
Uy
t

Рис. 2
U   f t  для трех значений угла управления:  = 0,  = 900,  = 1800.
Для четкого и надежного отпирания тиристора управляющие импульсы
должны иметь крутой фронт и достаточную амплитуду. Формирование управляющих импульсов осуществляется блоком БФИ.
Для изменения времени прихода импульсов на управляющий электрод
тиристора необходимо смещать фазу напряжения, поступающего на вход БФИ.
Если это напряжение, оставаясь неизменным по амплитуде, перемещается
вдоль оси абсцисс, то такой принцип управления называют “горизонтальным”.
На схеме рис. 1 напряжение в цепь управления тиристора Т подается через блок БФИ от мостового фазовращателя МФВ. Фазовращатель состоит из
трансформатора Тр-1 с выводом средней точки вторичтой обмотки, конденсатора С1 и переменного резистора R1.
При изменении R1 от нуля до максимального значения фаза напряжения
на диагонали моста Ucd
U2
плавно изменяется от 00 до
1800. Для иллюстрации на
рис.3 приведена векторная
диаграмма мостового фаa
IR1
зовращателя.
Из диаграммы видно,
что при изменении сопротивления резистора в преc делах 0  R <  конец век1
тора Ucd перемещается по

дуге окружности от точки
d
а до точки b. При этом
вектор
Ucd,
оставаясь
неизменным по величине,
поворачивается на 1800.
1
I
Если
напряжения
C1
I
вторичных
обмоток

трансформатора Тр-1 и Тр2 совпадают по фазе, то
фаза напряжения Ucd пракb
тически равна углу управления .
Рис. 3
Из векторной диаграммы:
(2)
  2arctgC 1 R1  .
Управляющее напряжение с диагонали фазовращателя через баластный
резистор R2 поступает на блок формирования импульсов БФИ. Блок выполнен
на транзисторе V p-n-p типа, включенном по схеме с общим эмиттером и работающем в ключевом режиме. Нагрузкой транзистора служит резистор R3.
Амплитуда синусоидального напряжения между базой и эмиттером достаточна для создания насыщенного состояния транзистора. В отрицательный
полупериод, когда база транзистора приобретает более низкий потенциал, чем
эмиттер, транзистор V открывается и выходит в режим насыщения. В положительный полупериод транзистор закрывается. Вследствие этого выходное
напряжение на коллекторе имеет трапецеидальную форму.
После дифференцирования трапецеидального напряжения цепочкой R 4 С4
формируются пикообразные импульсы с крутым передним фронтом. В момент
насыщения транзистора создается импульс положительной полярности. При
закрывании - отрицательной.
Для управления тиристором используются импульсы только положительной полярности. Отрицательные импульсы срезаются диодом Д 1, включенным в цепь управляющего электрода тиристора Т. В ту же цепь включен резистор R5, ограничивающий амплитуду тока управления.
Визуальное наблюдение за формой управляющего импульса производится с помощью осциллографа С1-1,на вход которого подается напряжение с резистора R5.
Питание коллекторной цепи транзистора V осуществляется от блока
БПУ, состоящего из трансформатора Тр-3, мостового выпрямителя на диодах
Д2; Д3; Д4; Д5 и сглаживающего фильтра С2 R6 С3.
Вольтметр V1 и амперметр А1 измеряют среднее значение выпрямленного напряжения и среднее значение выпрямленного тока.
Вольтметр V2 измеряет действующее значение напряжения на вторичной
обмотке силового трансформатора Тр-2.
Резистор RН служит нагрузкой управляемого выпрямителя.
2. Методические указания к выполнению экспериментальной части
Используя описание и рекомендованную литературу, ознакомиться с лабораторным стендом и принципом работы управляемого выпрямителя. Выписать
справочные данные тиристора и основные сведения об электроизмерительных
приборах в таблицу 1.
Таблица 1

Система
Класс точности
Диапазон измерения
Наименование и
измерения
прибора
прибора
марка прибора

2.Снять временные диаграммы Uбэ; Uкэ; UД; iy; U   f t  . Для этого установить резистором R1 угол управления  = ... (величина угла задается преподавателем) и с экрана осциллографа зарисовать кривые напряжения на базе транзистора Uбэ (точки - m; е), на коллекторе транзистора Uкэ (точки - k; e), форму импульсов после дифференцирующей цепочки UД (точки - n; e), форму импульса
тока управления iy (точки - g; e), а также кривую выпрямленного напряжения
на нагрузке U  (точки - p; q).
Для наглядности временные диаграммы рекомендуется изображать друг
под другом с одинаковым масштабом по оси абсцисс, а оси ординат располагать на одной вертикали.
3.Вычислить сопротивление R1, обеспечивающее заданную величину угла
управления  = ... и построить векторную диаграмму мостового фазовращателя, если С1 = 0,5 мкФ и коэффициент трансформации трансформатора Тр-1 равен 35.
По векторной диаграмме определить напряжение на диагонали мостового
фазовращателя Ucd.
4.Снять угловую характеристику управляемого U   f   . Значения угла
управления в пределах от 00 до 1800 устанавливать по шкале резистора R1 и
контролировать по координатной сетке на экране осциллографа.
Результаты 7-8 измерений записать в таблицу 2:
Таблица 2

Градус
0
180
Показания приборов
V1
I1
V2
В
А
В
cos 
-
Расчет
U
В
I
А
5.Выполнить аналитический расчет угловой характеристики для тех же значений угла управления, что в п.4. Результаты вычислений записать в таблицу 2.
На одной системе координат построить угловую характеристику
U   f  , полученную опытным и расчетным путем.
3. Расчетные соотношения
Напряжение U  вычисляется по формуле (1).
Среднее значение напряжения на выходе неуправляемого выпрямителя,
выполненного по однополупериодной схеме:
(3)
2
U0 
U2 .

где U2 - действующее значение напряжения на вторичной обмотке силового трансформатора Тр-2.
Среднее значение выпрямленного тока:
(4)
U
I   .
RH
где RН = 165 Ом - сопротивление нагрузки выпрямителя.
4. Содержание отчета
Наименование и цель работы.
Схема установки.
Основные сведения о тиристоре и измерительных приборах.
Результаты опытов и расчетов.
Основные расчетные формулы.
Графические материалы на миллиметровке (временные диаграммы, векторная диаграмма, угловая характеристика).
Заключение о соответствии результатов расчета и опыта.
5. Контрольные вопросы
На чем основан принцип работы управляемого выпрямителя?
Как работает тиристор?
В чем преимущество импульсного воздействия на управляющий электрод
тиристора?
Как происходит формирование управляющих импульсов в схеме управляемого выпрямителя?
Какую функцию в схеме управляемого выпрямителя выполняет мостовой
фазовращатель?
Как работает блок формирования импульсов?
Как работает дифференцирующая цепочка?
В чем состоит импульсно-фазовый способ управления тиристором?
Как вычисляется среднее значение напряжения управляемого выпрямителя
при работе на активную нагрузку?
Какой вид имеет угловая характеристика управляемого выпрямителя?
Где применяются управляемые выпрямители?
Рекомендуемая литература
Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд. М.: Высшая школа, 1986. - с. 122-139.
Электротехника. Учеб. пособие для вузов. Под ред. В. С. Пантюшина. Изд.
2-е, перераб. и доп. - М., Высшая школа, 1976. - с. 200-202.