Внешняя характеристика, КПД, коэффициент мощности выпрямителя.

Внешняя характеристика. При работе выпрямителя под нагрузкой имеют место следующие падения напряжения:

 а) падение напряжения в вентилях

где ∆U_v^' - падение напряжения в одном вентиле:

 

∆U_v^' = '0,4 1,4 В;

n — число последовательно включенных вентилей (при мостовой схеме - cуммарное число вентилей в двух противоположных плечах моста).

Падение напряжения ∆U_v можно считать постоянным, не зависящим от тока нагрузки;

б) падение напряжения от коммутации ∆U_K, пропорциональное току нагрузки Id и реактивному сопротивлению трансформатора X_т;

в) падение напряжения ∆U_R в активных сопротивлениях трансфор­матора и в цепи выпрямленного тока (в сглаживающем реакторе и др.). Это падение напряжения также пропорционально току нагрузки. В резу­льтате среднее выпрямленное напряжение

 

Ud = Udo - ∆U_{v -} ∆U_k -∆U_R

Как видно из рис. 15, а, с ростом тока нагрузки выпрямленное на­пряжение уменьшается из-за возрастания падений напряжений ∆U_K и ∆U_R.

 

Коэффициент полезного действия (к.п.д.). Этот коэффициент

 

где Р_нагр - мощность, потребляемая нагрузкой; ∆Р - внутренние потери мощ­ности в выпрямителе.

 

В величину ∆Р входят не только потери мощности в вентилях, но и потери мощности в трансформаторе, сглаживающем реакторе и мощ­ность, расходуемая во вспомогательных устройствах (например, мощ­ность, потребляемая насосами или вентиляторами, осуществляющими охлаждение вентилей, и др.).

 

К.п.д. выпрямителя можно представить в виде произведения

где  - к. п. д. вентилей;  - к.п.д. трансформатора, реактора вспомогательных  устройств.

 

К.п.д. самих.вентилей

 

Из этой формулы следует, что к.п.д. вентилей существенно возраста­ет по мере увеличения рабочего напряжения Ud выпрямителя. При этом чем больше класс применяемых вентилей, тем выше .

Потери же в трансформаторном оборудовании и вспомогательных устройствах почти не зависят от напряжения преобразователя, а опреде­ляются потребляемым от него током. Следовательно, и к.п.д. также зависит от тока нагрузки.

Таким образом, при небольших напряжениях к.п.д. выпрямителя определяется в основном к.п.д. вентилей; при переходе же к высоким напряжениям наибольшую роль начинает играть к.п.д. трансформатора и вспомогательных устройств, так как к.п.д. вентилей приближается к единице.

 

В полупроводниковых вентилях падение напряжения очень мало и составляет около 1 В на один вентиль. Поэтому в таких выпрямителях к.п.д. имеет высокие значения.

Большая экономичность полупроводниковых выпрямителей при высоких напряжениях обуславливается так же и тем, что они сохраняют довольно высокие значения к.п.д. при изменении нагрузки в широких пределах (рис.5, б).

Коэффициент мощности.

 

Коэффициент мощности  характеризует отношение активной мощности Р, потребляемой выпрямителем из сети, к полной мощности S. Преобразовательные устройства потребляют из сети несинусоидальный ток.

Например, в схеме двухполупериодного выпрямления при синусои­дальном изменении питающего напряжения U1 и полностью сглаженном токе Id в цепи нагрузки (рис. 6, а) токи i₂ и i₁  во вторичной и первич­ной обмотках трансформатора имеют трапецеидальную форму (рис. 16, б, в). Однако активная мощность передается из сети в трансформатор только первой гармоникой i₁' тока i₁. Из рис. 6, в  видно, что угол сдвига фаз  между напряжением u1 и первой гармоникой тока i₁' составляет ; следовательно,

Влияние на полную мощность высших гармоник тока учитывается коэффициентом искажения v. Он определяется как отношение действую­щего значения первой гармоники тока i₁' к действующему значению i₁ его несинусоидальной кривой (включая все высшие гармоники). При прямоугольной форме тока для схем двухполупериодного выпрям­ления

 

С учетом сдвига первой гармонической тока i₁ и его искажения коэффициент мощности выпрямителя

 

Угол  зависит от индуктивности анодной цепи вентилей. При работе выпрямителей на э.п.с. в нее входит не только индуктивность самого трансформатора, но и индуктивность контактной сети, которая зависит от многих факторов (расстояния электровоза от тяговой подстанции, расположения проводов контактной сети, схемы ее питания от подстан­ции, числа электровозов на участке и пр.).

Индуктивность контактной сети вызывает довольно значительное увеличение угла коммутации и, следовательно, снижает коэффициент мощности выпрямителей. Поэтому фактически коэффициент мощности электровозов переменного тока при отсутствии каких-либо специальных устройств по его повышению составляет 0,82-0,87.

 

 

 

 

Рис. 5. Внешняя характеристика выпрямителя (а), и зависимость его кпд от тока нагрузки(б).

 

 

       Рис. 17. Кривые изменения напряжения и токов в выпрямителе, работающем на активно-индуктивную нагрузку.

 

Задание к лабораторной работе №3

«Исследование принципа действия однофазного неуправляемого выпрямителя»

 

Цель работы:

Исследовать устройство и принцип действия, а также научится собирать схему однофазного неуправляемого выпрямителя.

 

I.Оборудование:

1. Прикладная программа Electronics Workbench.

2. ПК Pentium III.

3. Локальная сеть.

4. Мультимедийный проектор.

5. Техническая литература.

 

II. Порядок выполнения работы:

1. Ознакомится со схемой однофазного неуправляемого выпрямителя.

2. Собрать схему однофазного неуправляемого выпрямителя в прикладной программе Electronics Workbench..

3. Подключить осциллограф к источнику питания и нагрузке, снять характеристики напряжения источника питания и нагрузки.

4. Опытным путем подобрать фильтр для снижения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке.

5. Подключить осциллограф к нагрузке, снять характеристики напряжения нагрузки.

6. Выполнить отчет по работе.

 

III.Содержание отчета.

 

1.Начертить схему однофазного неуправляемого выпрямителя.

2.Начертить диаграмму характеристик напряжения источника питания и нагрузки.

3.Описать принцип действия однофазного неуправляемого выпрямителя.

4.Описать принцип действия фильтров применяемых для снижения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке.

5.Начертить схему однофазного неуправляемого выпрямителя с фильтром.

6.Начертить диаграмму характеристик напряжения источника питания и нагрузки при работе сглаживающего фильтра.

7. Сделать вывод по работе.

 

Лабораторная работа №4

Действие мостовой схемы регулирова­ния выпрямительного напряжения изменением момента открытия вентилей (тиристоров) при работе на актив­ную нагрузку.

 

На рис. 1 приведены кривые изменения выпрямленного напряжения для двухполупериодного выпрямителя, ра­ботающего на активную нагрузку (резистор), при трех случаях: когда управляющие электроды не задерживают прохождения тока через вен­тили (рис. 1, а), при небольшом угле регулирования a₁ (рис. 1, б) и большом угле а₂ (рис. 1, в). Для простоты эти кривые построены при условии, что угол коммутации   = 0. С увеличением угла регулирова­ния а уменьшается заштрихованная площадь внутри кривой выпрямлен­ного напряжения и, следовательно, среднее выпрямленное напряжение Ud. Наибольшее значение выпрямленное напряжение будет иметь при а = 0, а при а = 180° оно будет равно нулю.

 

 

 

 

Рис. 18. Кривые изменения выпрямлен­ного напряжения при различных углах регулирования двухполупериодного выпрямителя, работающего на актив­ную нагрузку.

 

 

Действие мостовой схемы регулирова­ния выпрямленного напряжения изменением момента открытия вентилей (тиристоров) при работе на индук­тивную нагрузку (цепь тягового электродвигателя со сглаживающим реактором).

 

При работе на нагрузку, содержащую индуктинность (цепь тягового двигателя со сглаживающим реактором), и переходе э.д.с. источника питания в отрицательную область ток продолжает протекать в том же направлении под действием э.д.с. самоиндукции е_d, возникающей в индуктивности цепи выпрямленного тока (рис. 2, а). Так, если венти­ли VI, V3 открыли с углом регулирования а (рис. 2, б), то через них будет проходить ток сначала под действием э.д.с. е_ах, а затем после изменения ее знака на обратный под действием э.д.с. е_d (см. штриховую стрелку на рис. 2, а). Вентили VI, V3 закрываются после того, как произойдет коммутация тока на вентили V2, V4 (рис. 2, в), которые будут продолжать пропускать ток через нагрузку под действием э.д.с. e_ха. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud равно разности положительных и отрицательных заштрихованных площадей. Очевидно, что наибольшее значение среднее напряжение Ud будет иметь при угле a=0. Оно будет равно нулю при равенстве отрицательных и положительных площадей, т.е. при а = 90⁰.

При нагрузке среднее значение выпрямленного напряжения снижа­ется из-за тех же потерь, что и у неуправляемого выпрямителя. В связи с этим внешние характеристики при различных углах регулирования представляют собой семейство наклонных линий (рис. 2).

 

 

Рис. 20 Внешние характеристики управляемого выпрямителя

 

Рис. 19 Схема включения двухнолупериодного управляемого выпрямителя (а), кривые изменения выпрямленно­го напряжения (б) и тока (в) при рабо­те на электродвигатель

 

Действие схемы однофазного управляе­мого двухполупериодного выпрямителя.

При подаче сигналов управления на вентили VS1,VS2, (рис 4) то с помощью данных сигналов, а так же САР можно производить открытие вентилей в определенные моменты времени и изменять общее время в течении которого каждый вентиль проводит ток в результате изменения угла управления α, задающего момент включения тиристо­ров относительно точки естественной коммутации. Промежуток време­ни между моментом подачи положительного напряжения на анод вен­тиля и моментом подачи отпирающего импульса i_y на его управляющий вывод называется углом управления а. Увеличивая угол а, можно за­держивать момент начала прохождения тока через каждый очередной вентиль и уменьшить среднее значение Ucp выпрямленного напряже­ния. С увеличением угла управления а уменьшаются площадь внутри кривой выпрямленного напряжения и его среднее значение Ucp. Наи­большее значение выпрямленное напряжение будет иметь при а = 0, и оно будет равно нулю при а = 180 °. Вентили проводят ток поочередно: каждый во время той части периода, когда напряжение на его аноде более положительно. При этом должно соблюдаться с достаточной точ­ностью равенство углов управления а плеч выпрямителя. Асимметрия углов управления а приводит к неравномерной загрузке вентилей, уве­личению пульсаций и появлению в выпрямленном напряжении трудно сглаживаемой низкочастотной составляющей, уменьшению КПД вып­рямителя и сужению диапазона регулирования напряжения. 

                                                                               б)

 

 

 

Рис.21 Электрическая схема (а) и временные диаграммы (б) работы однофазного управляемого выпрямителя.

 

Задание к лабораторной работе №4

 «Исследование работы однофазных управляемых выпрямителей»

 

Цель работы:

Исследовать устройство и принцип действия, а также научится собирать схему однофазного неуправляемого выпрямителя.

 

I.Оборудование:

1. Прикладная программа Electronics Workbench.

2. ПК Pentium III.

3. Локальная сеть.

4. Мультимедийный проектор.

5. Техническая литература.

 

II. Порядок выполнения работы:

1. Ознакомится со схемой однофазного управляемого выпрямителя.

2. Собрать схему однофазного управляемого выпрямителя в прикладной программе Electronics Workbench..

3. Подключить осциллограф к источнику питания и нагрузке, снять характеристики напряжения источника питания и нагрузки.

4. Опытным путем подобрать фильтр для снижения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке.

5. Подключить осциллограф к нагрузке, снять характеристики напряжения нагрузки.

6. Выполнить отчет по работе.

 

III.Содержание отчета.

 

1.Начертить схему однофазного управляемого выпрямителя.

2.Начертить диаграмму характеристик напряжения источника питания и нагрузки.

3.Описать принцип действия однофазного управляемого выпрямителя.

4.Описать принцип действия фильтров применяемых для снижения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке.

5.Начертить схему однофазного управляемого выпрямителя с фильтром.

6.Начертить диаграмму характеристик напряжения источника питания и нагрузки при работе сглаживающего фильтра.

7.Начертить диаграмму управляющих импульсов.

8. Сделать вывод по работе.

 

 

Лабораторная работа №5